陳莉，陳乾，陳劍，梁澤川

電氣化鐵路單線直供牽引網(wǎng)T-R短路故障隔離解決方案

陳莉1，陳乾1，陳劍1，梁澤川2

（1. 南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210031；2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都，610031）

及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)、隔離、排除牽引網(wǎng)線路故障，是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要舉措。以最常見的單線直供牽引網(wǎng)T-R短路故障為例，基于對故障機(jī)理的分析，在Matlab/ Simulink平臺下建立了測控模型；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)故障供電區(qū)塊的準(zhǔn)確判斷，提出了故障潮流符號值的概念，并在實(shí)際案例中得以應(yīng)用。應(yīng)用效果表明：該測控系統(tǒng)能夠最大限度減少瞬時(shí)故障引起的誤判，在保障無故障區(qū)段正常供電的前提下，可在60 ms內(nèi)完成故障隔離，滿足了電氣化鐵路保護(hù)系統(tǒng)的時(shí)限要求，提升了鐵路運(yùn)行質(zhì)量。

牽引網(wǎng)；單線直供；T-R短路故障；故障潮流符號值

引言

在電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，牽引網(wǎng)是置于大自然中的一個(gè)龐大的供電裝置[1]。因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件惡劣，且無備用，因此必須及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、隔離并排除牽引網(wǎng)故障。故障測控系統(tǒng)、故障隔離裝置等成為牽引供電系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備。

為最大限度保證無故障區(qū)間的正常供電，有必要建立相關(guān)測控模型展開分析研究，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建設(shè)奠定理論基礎(chǔ)。

1　單線直供牽引網(wǎng)T-R短路故障機(jī)理

直供牽引網(wǎng)線路故障有多種形式，然而根據(jù)鐵路公司公布的運(yùn)營統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：牽引網(wǎng)線路短路故障占絕大部分[2]。根據(jù)電路理論，主要介紹和分析單線直供牽引網(wǎng)T-R短路故障機(jī)理（其中T為接觸網(wǎng)，R為鋼軌），其示意圖如圖1所示。

圖1　單線直供牽引網(wǎng)T-R短路故障示意圖

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，T和R之間形成一個(gè)閉合回路，滿足如下電壓方程

整理得

其中：

Zs''——?dú)w算到27.5 kV電壓下的系統(tǒng)及變電所阻抗，Ω；

x——短路點(diǎn)到牽引變電所的距離，km；

ZAA——接觸網(wǎng)單位長度等效阻抗，Ω/km；

ZBB——鋼軌單位長度等效阻抗，Ω/km；

ZAB——接觸網(wǎng)和鋼軌單位長度等效互阻抗，Ω/ km。

2　測控系統(tǒng)原理

2.1短路故障模擬模型的建立

短路故障模擬模型的建立是在Matlab/Simulink平臺實(shí)現(xiàn)的。模擬短路模塊采用Elements庫中的斷路器Breaker，其在模型中的結(jié)構(gòu)如圖2所示。斷路器模塊的初始狀態(tài)和動(dòng)作時(shí)間均可設(shè)定，如圖3所示。本文設(shè)置斷路器模塊初始狀態(tài)為斷開，當(dāng)?shù)竭_(dá)其動(dòng)作時(shí)間時(shí)，斷路器閉合，此時(shí)圖2中上行牽引網(wǎng)中的T和R發(fā)生金屬性短路。

圖2　模擬短路模塊

圖3　斷路器參數(shù)設(shè)置

2.2故障潮流符號值的提出

設(shè)定牽引變電系統(tǒng)一次側(cè)電源初始相位為0°。以此為基準(zhǔn)，當(dāng)仿真牽引網(wǎng)發(fā)生T-R短路故障時(shí)，測量各分段所端口的電壓相位與電流相位。

在單線直供牽引網(wǎng)中，若任何一個(gè)供電區(qū)段發(fā)生T-R短路故障，區(qū)段兩端的故障潮流符號值之和的絕對值P≥1。

3　測控系統(tǒng)仿真應(yīng)用

通過在單線直供牽引網(wǎng)中的不同位置進(jìn)行短路故障仿真，可驗(yàn)證利用故障潮流符號值識別牽引網(wǎng)短路故障的可行性。本節(jié)針對牽引網(wǎng)發(fā)生T-R短路故障的具體應(yīng)用，仿真整個(gè)測控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

如圖4所示，在牽引網(wǎng)的16 km處（區(qū)段12內(nèi)）加入斷路器，并設(shè)置其在0.08 s時(shí)刻短路，以模擬牽引網(wǎng)T-R短路故障的發(fā)生。

圖4　單線直供牽引網(wǎng)短路故障示意圖

故障發(fā)生后，通過仿真可知，分段所QD11、QD12、QD13、QD0處的故障潮流符號值依次為1,1,0,0。故區(qū)段11的故障潮流符號值之和的絕對值為P= |1-1|=0；同理，區(qū)段12為P=|1-0|=1≥1 ；區(qū)段13為P=|0-0|=0。由此即可判斷故障發(fā)生在區(qū)段12，通過仿真可得到其兩端電壓分別如圖5a和圖5b所示；其兩端斷路器控制信號如圖6a和圖6b所示。

圖5　供電區(qū)段12兩端電壓

圖6　供電區(qū)段12兩端斷路器控制信號

牽引網(wǎng)在0.08 s時(shí)刻發(fā)生短路故障，此時(shí)部分分段的電壓低于閾值，這些分段所處的控制中心可根據(jù)相鄰分段所傳送的故障潮流符號值迅速計(jì)算故障潮流符號值之和的絕對值P。若P≥1，則應(yīng)立即斷開該分段所內(nèi)的斷路器；若P=0，則無需動(dòng)作。由圖5和圖6可知，在0.14 s時(shí)，區(qū)段12被切除，區(qū)段11恢復(fù)了正常供電。同時(shí)，由于區(qū)段12未與分區(qū)所相連，待區(qū)段12被切除后，分區(qū)所（QD0）內(nèi)的斷路器（DL0）自動(dòng)合閘，通過相鄰的變電所實(shí)現(xiàn)自動(dòng)越區(qū)供電。

為最大限度減少瞬時(shí)故障引起的誤判[3-6]，故障區(qū)段兩端的分段控制中心在故障切除0.06 s后（即在0.20 s時(shí)刻），向各自分段所內(nèi)的斷路器下達(dá)了合閘命令，實(shí)現(xiàn)重合閘。若0.08 s時(shí)刻發(fā)生的故障為瞬時(shí)性短路故障，那么執(zhí)行重合閘操作后，線路供電將恢復(fù)正常，此時(shí)故障區(qū)段兩端斷路器應(yīng)保持閉合狀態(tài)；若0.08 s時(shí)刻發(fā)生的故障為永久性短路故障，那么執(zhí)行重合閘操作后，線路仍處于短路狀態(tài)，此時(shí)故障區(qū)段兩端斷路器應(yīng)永久斷開，并向控制室發(fā)出報(bào)警信號。例如，如圖6所示，在0.14 s時(shí)刻，斷路器斷開，將故障支路暫時(shí)隔離；在0.20 s時(shí)刻，分段控制中心向分段所內(nèi)的斷路器下達(dá)了重合閘命令，然后再依據(jù)故障潮流符號值進(jìn)行判定，若重合閘成功，則斷路器保持合閘狀態(tài)；反之，則分段控制中心應(yīng)再次發(fā)送分閘命令，并向控制室報(bào)警。

在此次仿真中，短路系永久性短路故障，故故障區(qū)段（區(qū)段12）被完全隔離，區(qū)段11正常供電，區(qū)段13通過相鄰牽引變電所實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)越區(qū)供電。自動(dòng)越區(qū)供電控制信號波形圖如圖7所示。

圖7　分區(qū)所越區(qū)控制信號

由圖5和圖6還可分析得知：牽引網(wǎng)在0.08 s時(shí)刻發(fā)生了短路故障；在0.14 s時(shí)刻，故障區(qū)段被切除，其余區(qū)段恢復(fù)供電，用時(shí)0.14 s-0.08 s=0.06 s（即60 ms），滿足了電氣化鐵路保護(hù)系統(tǒng)的時(shí)限要求。

4　結(jié)束語

通過牽引網(wǎng)合理分段，研究了一種測控系統(tǒng)，既能夠迅速隔離故障區(qū)段，也能夠最大限度保障無故障區(qū)段正常供電。同時(shí)，該系統(tǒng)是以基于故障潮流符號值的分布式測控系統(tǒng)作為主保護(hù)，以及同樣基于該值的集中式測控系統(tǒng)作為后備保護(hù)，二者相得益彰，進(jìn)一步提升了測控系統(tǒng)可靠性。基金項(xiàng)目：

江蘇省高職院校青年教師企業(yè)實(shí)踐培訓(xùn)項(xiàng)目(2016QYSJ036)。

[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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Solution on Fault Isolation of T-R Short-circuit in Single-cabledirect-supply Traction Network for Electrified Railway

CHEN Li1, CHEN Qian1, CHEN Jian1, LIANG Ze-Chuan2
(1. Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing, Jiangsu, 210031, China; 2. School of Electrical Engineering , Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan, 610031, China)

Discovery, isolation and exclusion of fault of traction network cable with promptness and accuracy, are crucial in normal operation of traction based power supply system for electrified railway. A case study on fault of T-R short-circuit in single-cable-direct-supply traction network is investigated through analysis of fault mechanism and establishment of measurement and control model under Matlab/ Simulink platform. Meanwhile, aiming at an accurate decision of power supply block with fault, a concept of sign value of fault flow is proposed and applied in such an actual case. The application effect shows that, such a measurement and control system can minimize the misinterpretation caused by transient fault. Under the premise of normal power supply in non-fault blocks, the isolation of fault can be achieved within 60 ms, which satisfies the deadline of protection system in electrified railway, and improves the quality of railway operation.

Traction Network; Single-cable-direct-supply; T-R Short-circuit; Sign Value of Fault Flow

TM713

A

2095-8412 (2016) 05-896-04工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.018

陳莉(1985-)，女，甘肅天水人，碩士研究生，助教。主要研究方向：同相供電。

陳乾(1981-)，男，大學(xué)本科。研究方向：電力電子技術(shù)。

陳劍(1988-)，男，大學(xué)本科。研究方向：電力電子技術(shù)。

梁澤川(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子變換技術(shù)。