趙晴晴

牽引網(wǎng)分段供電與分布式保護(hù)研究分析

趙晴晴

針對(duì)電氣化鐵路牽引網(wǎng)現(xiàn)有繼電保護(hù)的缺點(diǎn)，對(duì)電氣化鐵路牽引網(wǎng)分段供電進(jìn)行了介紹，并在此基礎(chǔ)上對(duì)牽引網(wǎng)的分布式縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行研究，分析了其整定值的影響因素。

電氣化鐵路；分段供電；分布式保護(hù)

0 引言

牽引網(wǎng)是置于自然環(huán)境中的龐大系統(tǒng)，受雷害、大風(fēng)、鳥(niǎo)害等影響，導(dǎo)致在運(yùn)行中發(fā)生各種故障。因此對(duì)牽引網(wǎng)的保護(hù)尤為重要。隨著我國(guó)高速鐵路的迅速發(fā)展，AT供電方式得到了推廣應(yīng)用。全并聯(lián)AT供電方式成為我國(guó)高速鐵路的首選方式。現(xiàn)有AT牽引網(wǎng)供電方式下，一旦牽引網(wǎng)任意位置處發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)供電臂停電，供電可靠性較差。

1 既有AT供電方式牽引網(wǎng)繼電保護(hù)特點(diǎn)

AT供電方式的典型供電臂是由變電所、AT所、分區(qū)所構(gòu)成，如供電臂較長(zhǎng)，為減小故障下的停電范圍，則在變電所和分區(qū)所之間設(shè)置開(kāi)閉所。全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)繼電保護(hù)配置如表1所示。

表1 全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)繼電保護(hù)配置表

現(xiàn)有AT牽引網(wǎng)繼電保護(hù)方式下，若牽引網(wǎng)某處發(fā)生故障，首先是變電所饋線斷路器跳間，停止向上下行供電臂供電；AT所和分區(qū)所中的饋線失壓保護(hù)動(dòng)作；牽引變電所饋線斷路器重合閘；AT所和分區(qū)所饋線保護(hù)檢有壓重合鬧，此時(shí)故障支路所在所的并聯(lián)斷路器無(wú)法重合鬧，實(shí)現(xiàn)了故障支路的隔離。但該過(guò)程中伴隨有復(fù)雜的倒閘作業(yè)，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，且造成的停電范圍較大。

2 牽引網(wǎng)分段供電與分布式保護(hù)

2.1 牽引網(wǎng)分段供電理論

在現(xiàn)有方式下，AT所出口增加電分段和開(kāi)閉所，并且每個(gè)AT所上下行AT段兩端都加一對(duì)斷路器及CT、PT裝置。其電氣接線簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

圖1 分段供電簡(jiǎn)化電氣接線圖

通過(guò)增加電分段及AT段兩端斷路器，實(shí)現(xiàn)了全并聯(lián)AT供電的分段供電，其等效示意圖如圖2所示。

2.2 牽引網(wǎng)分布式保護(hù)理論

在牽引網(wǎng)分段供電的基礎(chǔ)上，可以對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行分布式保護(hù)。在每個(gè)AT段進(jìn)行縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)，即利用T線及F線兩端電流差值即差動(dòng)電流大于整定值作為動(dòng)作判據(jù)，即：

在分段處有接觸網(wǎng)分段器FDQ和開(kāi)閉所KB。開(kāi)閉所包括斷路器KF及CT、PT和測(cè)控單元。測(cè)控單元輸入量為左鄰右鄰開(kāi)閉所的CT、PT，測(cè)控單元輸出端連接該開(kāi)閉所的斷路器控制端。分布式縱聯(lián)電流保護(hù)原理如圖3所示。

由每個(gè)供電段的T-R間電壓值降低到定值作為保護(hù)啟動(dòng)條件，兩側(cè)的電氣量構(gòu)成電流差動(dòng)保護(hù)，僅比較被保護(hù)線路兩側(cè)電流的大小和相位，不反映相鄰線路上發(fā)生的短路故障，因此，不需要在時(shí)間上與相鄰線路的保護(hù)相配合，所以在整個(gè)被保護(hù)線路上發(fā)生故障時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)切除故障，實(shí)現(xiàn)全線速動(dòng)。

圖2 分段供電簡(jiǎn)化示意圖

圖3 牽引網(wǎng)分段供電分布式保護(hù)系統(tǒng)示意圖

3 牽引網(wǎng)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)整定值影響因素

3.1 接觸網(wǎng)電容

由電磁場(chǎng)理論知，單根導(dǎo)線對(duì)地電容為

式中，H為導(dǎo)線對(duì)地高度；R為導(dǎo)線半徑。

接觸網(wǎng)由承力索、接觸線等導(dǎo)線構(gòu)成，可視作分裂導(dǎo)線。

由分裂導(dǎo)線等效半徑公式知接觸網(wǎng)導(dǎo)線半徑：

式中，r為接觸線導(dǎo)線半徑；d為接觸線和承力索的平均中心距離，且d=h– (2/3)fc，其中，h為接觸懸掛的高度，fc為承力索的弛度。

2根導(dǎo)線之間的電容計(jì)算可根據(jù)電位系數(shù)矩陣求解，其計(jì)算結(jié)果為

式中，hi為導(dǎo)線i對(duì)地面的平均高度，m；Ri為導(dǎo)線i的半徑，m；D12為導(dǎo)線i與導(dǎo)線j的鏡像間距，m；d12為導(dǎo)線i與導(dǎo)線j之間的距離，m。

AT供電系統(tǒng)中接觸線和正饋線之間的電容可以采用式（2）計(jì)算。

圖4 導(dǎo)線及其鏡像示意圖

由于線路具有分布電容，正常運(yùn)行和外部短路時(shí)線路兩端電流之和不為零，而是線路充電電容。牽引網(wǎng)屬于相對(duì)較短的高壓線路，電容電流不大，線路兩側(cè)電流和值不大，縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)可用不平衡電流的門(mén)限值躲過(guò)它。而對(duì)于高壓長(zhǎng)距離架空輸電線路和電纜線路，充電電容電流很大，若用門(mén)限值躲電容電流，將極大地降低靈敏度，所以通常采用測(cè)量電壓來(lái)補(bǔ)償電容電流。

3.2 電流互感器暫態(tài)飽和及型號(hào)差異

在IEC60044-1中定義的保護(hù)用電流互感器準(zhǔn)確等級(jí)有5P、10P、5PR、10PR和PX五種，在我國(guó)國(guó)家電力系統(tǒng)安裝的保護(hù)用電流互感器中，最常見(jiàn)的準(zhǔn)確等級(jí)是5P，10P和PX。

由于牽引網(wǎng)短路電流中含有較大的非周期分量，因此很可能造成電流互感器飽和而使二次側(cè)電流產(chǎn)生畸變，進(jìn)而造成差動(dòng)保護(hù)裝置的誤動(dòng)。電流互感器的飽和受很多因素影響，主要有電流大小、電流非周期分量大小、二次負(fù)載阻抗、鐵心飽和特性等因素。

電流互感器應(yīng)保證，在區(qū)外短路故障時(shí)，即使互感器飽和也應(yīng)可靠不動(dòng)作；當(dāng)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，即使互感器飽和，也必須保證保護(hù)動(dòng)作。

抗電流互感器飽和的措施主要有：

（1）采用比率制動(dòng)特性抑制電流互感器飽和引起的誤動(dòng)。

（2）適當(dāng)提高比率制動(dòng)特性的啟動(dòng)電流和制動(dòng)系數(shù)。

（3）采用光學(xué)電流互感器，不含鐵心，消除了磁飽和問(wèn)題。

（4）減小電流互感器二次側(cè)負(fù)載。

（5）采用對(duì)電流飽和不敏感的繼電保護(hù)原理。（6）增大保護(hù)級(jí)CT的變比。

3.3 高阻短路情況

實(shí)際中為了避免外部短路時(shí)由于較大的不平衡電流而引起的保護(hù)誤動(dòng)，帶有制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)得到了廣泛應(yīng)用。常見(jiàn)的全電流縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)判據(jù)有：

帶制動(dòng)特性的全電流差動(dòng)保護(hù)提高了外部短路時(shí)不動(dòng)作的可靠性以及區(qū)內(nèi)短路時(shí)的靈敏性。但經(jīng)高阻短路的時(shí)候，短路電流較小，若此時(shí)負(fù)荷電流仍存在而且比較大，負(fù)荷電流是穿越性電流，它只產(chǎn)生制動(dòng)電流而不產(chǎn)生動(dòng)作電流，因此保護(hù)可能發(fā)生拒動(dòng)。

模擬牽引網(wǎng)第一段m、n之間在t= 0.04 s發(fā)生T-R短路故障，當(dāng)短路過(guò)渡電阻Rg分別取0、200、500、1 000、2 000 Ω時(shí)，差動(dòng)保護(hù)的仿真結(jié)果見(jiàn)圖5—圖9。

圖5 T-R短路故障各保護(hù)動(dòng)作特性(R= 0 Ω)圖

圖6 T-R短路故障各保護(hù)動(dòng)作特性(R= 200 Ω)圖

圖7 T-R短路故障各保護(hù)動(dòng)作特性(R= 500 Ω)圖

圖8 T-R短路故障各保護(hù)動(dòng)作特性(R= 1 000 Ω)圖

圖9 T-R短路故障各保護(hù)動(dòng)作特性(R= 2 000 Ω)圖

由仿真結(jié)果知，當(dāng)過(guò)渡電阻為0、200、500 Ω時(shí)，3種制動(dòng)特性的保護(hù)均能準(zhǔn)確動(dòng)作。當(dāng)過(guò)渡電阻為1 000 Ω時(shí)，向量和差制動(dòng)及模值和制動(dòng)方式下制動(dòng)電流大于動(dòng)作電流，保護(hù)拒動(dòng)。當(dāng)過(guò)渡電阻達(dá)到2 000 Ω，3種制動(dòng)特性的保護(hù)均會(huì)拒動(dòng)。

若減小制動(dòng)系數(shù)K會(huì)導(dǎo)致抵御外部故障的能力降低。為了消除負(fù)荷電流的影響，提高保護(hù)的靈敏度，可以采取利用故障分量構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)作為后備保護(hù)，其判據(jù)為

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)牽引網(wǎng)分段并引入縱差電流保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)快速隔離故障區(qū)段，并有效縮小停電范圍。分析了縱差電流保護(hù)動(dòng)作可靠性的影響因素及解決方法。

[1] 李群湛.論新一代牽引供電系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，49（4）：559-568.

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[3] 姚楠.電氣化鐵道牽引網(wǎng)基波與諧波模型研究[D].北京交通大學(xué)，2008（6）.

With regard to the disadvantages in existing relay protection for traction network of electrified railway, introduction has been made on sectionalized power supply of electrified railway traction network, on the basis of which the researches on the distributed longitudinal differential protection of the traction network have been made, and the factors affecting the setting values have been analyzed as well.

Electrified railway; sectionalized power supply; distributed protection

U223.5

：B

：1007-936X(2016)01-0009-04

2015-07-14

趙晴晴.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，電話：13541128599。