胡亮

摘 要：牽引供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車供電的重要設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生故障的概率大，為了保障電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行，通常需設(shè)置饋線保護(hù)裝置。饋線保護(hù)整定值的精確程度是保障裝置可靠動(dòng)作的一個(gè)重要方面，饋線保護(hù)整定計(jì)算需要大量的原始數(shù)據(jù)和復(fù)雜繁瑣計(jì)算，是一個(gè)費(fèi)時(shí)和重復(fù)性的工作，完全可以由計(jì)算機(jī)來(lái)完成整定計(jì)算工作。因此，設(shè)計(jì)一套軟件能夠保障整定計(jì)算更加精確，提高工作效率，保障饋線保護(hù)裝置的可靠運(yùn)行，提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路 牽引網(wǎng) 饋線保護(hù) 整定原則 模塊設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM733 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）07（b）-0045-03

1 饋線保護(hù)整定計(jì)算思路

牽引網(wǎng)饋線保護(hù)整定計(jì)算程序的整體思路是將整個(gè)計(jì)算程序分成4個(gè)部分，每個(gè)部分為一個(gè)獨(dú)立的子程序，能完成各自的設(shè)計(jì)計(jì)算任務(wù)。4個(gè)部分分別為3個(gè)子程序和1個(gè)整定計(jì)算程序，即阻抗計(jì)算、短路電流計(jì)算、牽引網(wǎng)電壓損失計(jì)算和饋線保護(hù)整定計(jì)算。圖1是牽引網(wǎng)饋線保護(hù)的計(jì)算程序流程圖。

1.1 阻抗計(jì)算子程序

簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的牽引網(wǎng)由一根接觸線和一根鋼軌構(gòu)成。已知接觸線和鋼軌的等效半徑、及鋼軌的距離，根據(jù)Carson理論，可以計(jì)算出接觸線-地回路和軌-地回路單位長(zhǎng)阻抗參數(shù)、及互阻抗。

鏈?zhǔn)綉覓旖佑|線、承力索分別與地構(gòu)成接觸線-地回路，承力索-地回路。每個(gè)回路各有不同的自阻抗，兩個(gè)回路間相互有互阻抗。

（1）接觸網(wǎng)-地回路的自阻抗。

接觸網(wǎng)-地回路由接觸線-地回路和承力索-地回路并聯(lián)組成。

接觸線-地回路的自阻抗為：

①帶回流線的鏈形懸掛供電方式。

帶回流線的直接供電方式是我國(guó)最常用的供電方式，帶回流線的鏈形懸掛的使用也最為廣泛。阻抗計(jì)算時(shí)，可以參照前面的方法，將回流線-回路和鋼軌-地回路看作一個(gè)當(dāng)量導(dǎo)線-地回路進(jìn)行計(jì)算，形成一個(gè)回流線+鋼軌-地回路，然后計(jì)算此回路的自阻抗和互阻抗，在此不再進(jìn)行詳細(xì)的論述。

②復(fù)線牽引網(wǎng)阻抗計(jì)算模型。

可以將復(fù)線牽引網(wǎng)分解成上行接觸網(wǎng)-地回路、下行接觸網(wǎng)-地回路和鋼軌-地回路，其中鋼軌-地回路是由上行、下行的4根鋼軌組成的，其計(jì)算過(guò)程不再敘述。

③模塊設(shè)計(jì)思路。

以帶回流線的直接供電方式為模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，提供接觸線、承力索、回流線、鋼軌等設(shè)備參數(shù)的輸入，并提供單、復(fù)線的選擇，自動(dòng)計(jì)算出牽引網(wǎng)的單位阻抗。

1.2 饋線短路電流計(jì)算子程序模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，不同的牽引變壓器的短路電流算法是不相同的，接下來(lái)將分別加以論述。

（1）短路電流計(jì)算。

①單相（V/V）接線變壓器。

當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，單相變壓器電抗和牽引網(wǎng)阻抗相當(dāng)于串聯(lián)于短路回路中，故障阻抗相當(dāng)于，可以求出穩(wěn)態(tài)電流值為：

式（11）中、分別為系統(tǒng)正序和負(fù)序阻抗；為變壓器電抗；為牽引網(wǎng)阻抗； kV，為二次側(cè)繞組電勢(shì)；、為歸算到的系統(tǒng)正、負(fù)序綜合電抗；為歸算到的牽引變壓器等效阻抗；在直接供電情況下，為變電所出口處所測(cè)得的牽引網(wǎng)等效短路阻抗。

②三相接線變壓器（Y/Δ-11）。

當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，三相變壓器的兩相電抗和牽引網(wǎng)阻抗串聯(lián)于短路回路中。相當(dāng)于三相系統(tǒng)中故障阻抗為的兩相短路，其穩(wěn)態(tài)電流值為：

③三相-兩相平衡變壓器（SCOTT）。

當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，SCOTT變壓器根據(jù)母線側(cè)的基本方程可得其穩(wěn)態(tài)電流值為：

（2）模塊設(shè)計(jì)思路。

以帶回流線的直接供電方式為模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以輸入電力系統(tǒng)短路容量和系統(tǒng)電壓、饋線阻抗、供電線阻抗、短路點(diǎn)距變電所距離等參數(shù)，提供牽引變壓器類型選擇，根據(jù)選擇不同類型的牽引變壓器將得出不同的運(yùn)算結(jié)果。

1.3 牽引網(wǎng)電壓損失計(jì)算子程序模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鐵道干線電力牽引交流電壓標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，鐵道牽引變電所牽引側(cè)母線上的額定電壓為27.5 kV，自耦變壓器供電方式為55 kV；電力機(jī)車受電弓和接觸網(wǎng)的額定電壓為25 kV，最高允許電壓為29 kV，最低工作電壓為20 kV，特殊情況電壓不得低于19 kV。為了保證電力機(jī)車的正常運(yùn)行，必須進(jìn)行電壓損失計(jì)算，以校核供電臂末端區(qū)間（或分區(qū)所母線）牽引網(wǎng)的最低電壓，不得低于上述標(biāo)準(zhǔn)。該文以單線牽引網(wǎng)為計(jì)算模板。

（1）單線牽引網(wǎng)的電壓損失計(jì)算。

如圖2所示，已知各列車取流（A），功率因數(shù)角和距牽引變電所的距離li（km），又知牽引網(wǎng)單位長(zhǎng)阻抗Ω/km。

其中，為供電臂中對(duì)應(yīng)位置的列車的用電平均電流；為各用電列車與牽引變電所的距離；為仿力學(xué)中的力矩，在此稱為電流矩。

（2）模塊設(shè)計(jì)思路。

以帶回流線的直接供電方式為模板進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)輸入的供電臂長(zhǎng)度、機(jī)車距變電所距離等參數(shù)，按照分開(kāi)供電和并聯(lián)供電的不同運(yùn)行方式，通過(guò)計(jì)算可以自動(dòng)計(jì)算出整個(gè)供電臂饋線電壓損失的情況。

1.4 牽引網(wǎng)饋線保護(hù)整定計(jì)算模塊設(shè)計(jì)

前面完成了牽引網(wǎng)阻抗計(jì)算、饋線短路電流計(jì)算、電壓損失計(jì)算這3個(gè)子程序模塊，牽引網(wǎng)饋線保護(hù)整定計(jì)算必須以上面3個(gè)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，只有這3個(gè)模塊計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤，才能確保提供的各種參數(shù)可靠，設(shè)計(jì)出的饋線保護(hù)整定計(jì)算模塊才能體現(xiàn)其真正實(shí)用價(jià)值。

2 模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)出牽引網(wǎng)饋線保護(hù)的整定計(jì)算模塊必須是基于阻抗計(jì)算模塊、饋線短路電流計(jì)算模塊、牽引網(wǎng)電壓損失計(jì)算模塊這3個(gè)結(jié)果，其程序包含以下內(nèi)容。

設(shè)置阻抗保護(hù)范圍，設(shè)定阻抗Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段計(jì)算的保護(hù)范圍，還要根據(jù)是否有開(kāi)閉所這種情況設(shè)置阻抗保護(hù)范圍。這是該計(jì)算模塊的基礎(chǔ)和前提條件。饋線保護(hù)整定計(jì)算通過(guò)阻抗整定計(jì)算和電流整定計(jì)算的結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)，并效應(yīng)靈敏度；還需根據(jù)供電方式（AT供電、BT供電或帶回流線的直接供電方式等）輸入必要的參數(shù)，選擇單線或復(fù)線；根據(jù)要求輸入前面已計(jì)算出來(lái)的阻抗值，依據(jù)規(guī)范輸入可靠系數(shù)和動(dòng)作時(shí)限等，最后通過(guò)該程序技能能得到所需結(jié)果。

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