葛海波，張家念，郭 華

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含抗雷線圈的AT供電牽引網(wǎng)故障測(cè)距方法研究

葛海波，張家念，郭 華

基于對(duì)含抗雷線圈的全并聯(lián)AT供電回路研究，提出橫聯(lián)電流比原理故障測(cè)距的修正方法。

抗雷線圈；故障測(cè)距；橫聯(lián)電流比；全并聯(lián)AT供電

0 引言

目前我國(guó)高鐵（客運(yùn)專線）供電系統(tǒng)主要采用全并聯(lián)AT供電方式，該運(yùn)行方式常用的故障測(cè)距原理為吸上電流比和橫聯(lián)電流比原理。在雷擊密集的鐵路線路，為了保護(hù)牽引變電所內(nèi)供電設(shè)備，牽引所亭饋線出口處均安裝了抗雷線圈。由于抗雷線圈的存在，導(dǎo)致采用橫聯(lián)電流比原理故障測(cè)距時(shí)產(chǎn)生較大誤差。筆者通過(guò)對(duì)含抗雷線圈的全并聯(lián)AT供電回路進(jìn)行研究，提出橫聯(lián)電流比原理的修正方法。

1 含抗雷線圈牽引網(wǎng)等值電路

1.1 含抗雷線圈的牽引網(wǎng)

目前，我國(guó)所采用的全并聯(lián)AT供電方式，在AT所和分區(qū)所處將上下行接觸網(wǎng)（T）、正饋線（F）和鋼軌（R）并聯(lián)連接，該供電方式牽引網(wǎng)可簡(jiǎn)化如圖1所示，其中變電所設(shè)置2臺(tái)牽引變壓器，1臺(tái)主用1臺(tái)備用，變壓器二次線圈中點(diǎn)抽出接地并接鋼軌，在變電所饋線不設(shè)自耦變壓器。CB1、CB2分別為下、上行雙極斷路器，AT1、AT2分別為AT所、分區(qū)所的自耦變壓器，T2、F2、R2為上行線路的接觸網(wǎng)、正饋線、鋼軌，T1、F1、R1為下行線路的接觸網(wǎng)、正饋線、鋼軌，KL為牽引所亭上網(wǎng)處串接的抗雷線圈。

圖1 全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)示意圖

圖2為我國(guó)高鐵（客運(yùn)專線）接觸網(wǎng)橫截面圖，從圖中可以看出下行接觸線（T1）和上行接觸線（T2），下行正饋線（F1）和上行正饋線（F2）均為對(duì)稱布置。基于這種對(duì)稱的特點(diǎn)，可以采用下面提到的廣義對(duì)稱分量法分析全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)。

圖2 全并聯(lián)AT供電接觸網(wǎng)橫截面圖

1.2 含抗雷線圈的牽引網(wǎng)等值電路

文獻(xiàn)[1]給出了廣義兩相對(duì)稱分量法基本概念及簡(jiǎn)單應(yīng)用，此處簡(jiǎn)述如下。

當(dāng)空間存在相對(duì)稱子系統(tǒng)，且整個(gè)閉合空間有個(gè)對(duì)稱布置的這種子系統(tǒng)時(shí)，×個(gè)物理量和×個(gè)對(duì)稱分量有如下關(guān)系：

[00 01…(1-n)(1-m)] =（2）

復(fù)線全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)存在4個(gè)基本回路：T1對(duì)地、T2對(duì)地、F1對(duì)地、F2對(duì)地，通過(guò)對(duì)4個(gè)回路的阻抗進(jìn)行分析，可將牽引網(wǎng)T1、F1、T2、F2看作是A、B、C、D四相電路。根據(jù)牽引網(wǎng)特性，做以下假設(shè)：（1）上下行線路參數(shù)相同；（2）AT為理想變壓器；（3）接觸網(wǎng)和正饋線自阻抗的均值作為其運(yùn)算過(guò)程中的自阻抗。

上下行線的接觸網(wǎng)和正饋線單位公里自阻抗的平均值作為每相單位公里的自阻抗：

上行接觸網(wǎng)和上行正饋線、下行接觸網(wǎng)和下行正饋線單位公里的互阻抗為

（4）

上行接觸網(wǎng)和下行接觸網(wǎng)、上行正饋線和下行正饋線單位公里的互阻抗為

上行接觸網(wǎng)和下行正饋線、上行接觸網(wǎng)和下行正饋線單位公里的互阻抗為

（6）

由式（1）—式（6）得出全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)單位序阻抗為

當(dāng)== 2時(shí)，式（1）、式（2）中的坐標(biāo)變換矩陣[]n(m)及其逆矩陣如下：

，（8）

對(duì)全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，滿足如下計(jì)算式：

（10）

由式（10）可以得出序電流流向，如圖3所示。

圖3 序電流流向示意圖

文獻(xiàn)[1，2]均對(duì)電源、自耦變壓器、橫聯(lián)線在各序電流流通時(shí)的特性進(jìn)行了研究，本文直接引用文獻(xiàn)[2]中的推導(dǎo)結(jié)果，并在推導(dǎo)結(jié)果中考慮增加抗雷線圈。含抗雷線圈的全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)正常序網(wǎng)如圖4所示。

圖4 含抗雷線圈的全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)正常序網(wǎng)圖

2 含抗雷線圈牽引網(wǎng)橫聯(lián)電流比修正

對(duì)高鐵（客運(yùn)專線）常見(jiàn)的T線對(duì)地故障和T線對(duì)F線故障的修正測(cè)距公式進(jìn)行推導(dǎo)，F(xiàn)線對(duì)地故障的修正和T線對(duì)地故障類(lèi)似。

2.1 T線對(duì)地短路（T-R）分析

假設(shè)故障發(fā)生在AT0—AT1區(qū)段內(nèi)，發(fā)生下行T線（T1）對(duì)地短路。短路電流等于T1（A）相流入大地電流，其他相直接流入大地電流為0，且T1（A）相短路點(diǎn)為0。所以故障電路邊界條件為

按圖4可以畫(huà)出下行T1（A）相故障復(fù)合序網(wǎng)圖，如圖5所示。由圖5可以看出，橫聯(lián)電流只在2序、3序網(wǎng)中流通。

圖5 全并聯(lián)AT供電T故障復(fù)合序網(wǎng)圖

圖5中為AT0到故障點(diǎn)的距離，1為AT0—AT1的距離，2為AT1—AT2的距離。

AT0處橫聯(lián)電流為

AT1處橫聯(lián)電流為

（13）

式中，為AT與橫聯(lián)線對(duì)2序電流的分流系數(shù)。

假設(shè)：

將式（14）代入式（12）、式（13）中，得

（15）

文獻(xiàn)[3]對(duì)復(fù)線AT牽引網(wǎng)序阻抗算法進(jìn)行了推導(dǎo)，并根據(jù)實(shí)際牽引網(wǎng)的參數(shù)計(jì)算0序—3序阻抗，其大小分別為0.315 8+j1.781 3，0.110 6+j0.335 7，0.128 0+j0.373 8，0.113 4+j0.315 3。

將式（11）、式（17）代入式（15）、式（16）化簡(jiǎn)可得

（18）

式（19）即為含抗雷線圈牽引網(wǎng)的橫聯(lián)比測(cè)距公式，當(dāng)牽引網(wǎng)中沒(méi)有抗雷線圈時(shí)，即，則式（19）可簡(jiǎn)化為

（20）

式（20）為不含抗雷線圈的全并聯(lián)AT供電方式下的橫聯(lián)電流比計(jì)算公式。

由式（19）可得，含抗雷線圈牽引網(wǎng)的橫聯(lián)電流比測(cè)距公式為

=×(1+)-（21）

2.2 T線對(duì)F線短路（T-F）分析

假設(shè)故障發(fā)生在AT0—AT1區(qū)段內(nèi)，發(fā)生下行T線（T1）對(duì)下行F線（F1）短路，即線路A、B發(fā)生短路。故障電路邊界條件為

按圖4可以畫(huà)出下行T1—F1故障復(fù)合序網(wǎng)圖，如圖6所示，橫聯(lián)電流只在3序網(wǎng)中流通。

圖6 全并聯(lián)AT供電T-F故障復(fù)合序網(wǎng)圖

AT0處橫聯(lián)電流為

AT1處橫聯(lián)電流為

（24）

假設(shè)：

將式（25）代入式（23）、式（24），簡(jiǎn)化得

（26）

比較式（21）和式（27）可以得出，T-R、T-F故障時(shí)含抗雷線圈牽引網(wǎng)的橫聯(lián)電流比測(cè)距公式相同。本文限于篇幅未推導(dǎo)F-R故障時(shí)橫聯(lián)電流比測(cè)距修正公式，F(xiàn)-R故障時(shí)橫聯(lián)電流比測(cè)距修正公式與式（21）、式（27）相同。

3 修正公式驗(yàn)證

結(jié)合上文推導(dǎo)得出各種故障類(lèi)型下含抗雷線圈牽引網(wǎng)的橫聯(lián)電流比測(cè)距公式，下面利用貴廣客專潮田變電所廣州方向供電臂短路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)測(cè)距修正公式的實(shí)用性。

3.1 T-R故障

故障點(diǎn)在AT所—分區(qū)所下行區(qū)段，故障點(diǎn)距離AT所13.781 km，AT所—分區(qū)所區(qū)間長(zhǎng)度為14.02 km。圖7為短路時(shí)刻供電臂電流潮流圖。

圖7 第二AT段T-R故障電流潮流圖

采用不修正測(cè)距式（20）計(jì)算，得

= 12.834 km，誤差0.947 km。

采用修正測(cè)距式（21）計(jì)算，得

= 13.970 km，誤差-0.189 km。

3.2 F-R故障

故障點(diǎn)在變電所—AT所上行區(qū)段，故障點(diǎn)距離變電所16.747 km，變電所—AT所區(qū)間長(zhǎng)度為16.770 km。圖8為短路時(shí)刻供電臂電流潮流圖。

圖8 第一AT段F-R故障電流潮流圖

采用不修正測(cè)距式（20）計(jì)算，得

= 16.043 km，誤差0.704 km。

采用修正測(cè)距式（21）計(jì)算，得

= 16.866 km，誤差-0.119 km。

3.3 T-F故障

故障點(diǎn)在AT所—分區(qū)所下行區(qū)段，故障點(diǎn)距離AT所8.268 km，AT所—分區(qū)所區(qū)間長(zhǎng)度為9.164 km。圖9為短路時(shí)刻供電臂電流潮流圖。

圖9 第二AT段T-F故障電流潮流圖

采用不修正測(cè)距式（20）計(jì)算，得

= 7.760 km，誤差0.508 km。

采用修正測(cè)距式（27）計(jì)算，得

= 8.515 km，誤差0.247 km。

4 結(jié)語(yǔ)

利用廣義對(duì)稱分量法對(duì)含抗雷線圈的全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出在T-R、F-R、T-F三種故障類(lèi)型時(shí)橫聯(lián)電流比測(cè)距公式，結(jié)果均相同。最后采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際短路數(shù)據(jù)對(duì)修正測(cè)距公式進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明采用修正測(cè)距公式計(jì)算故障距離誤差明顯變小。在利用修正測(cè)距公式時(shí)，等效長(zhǎng)度和故障類(lèi)型有關(guān)。

[1] 王鳳華. 廣義對(duì)稱分量法及其應(yīng)用[[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1981，16（1）：1-12.

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[5] 曹建猷. 電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1993.

On the basis of researches of full parallel AT power supply circuit equipped with lightning arrestor, the paper puts forward the current ratio of cross coupling based modification method for fault location.

Lightning protection reactor; fault location; current ratio of cross coupling; full parallel AT power supply system

U223.8+3

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1007-936X(2017)02-0009-05

葛海波.成都交大許繼電氣有限責(zé)任公司，工程師，電話：13540609002；張家念.南寧鐵路局南寧供電段，工程師；郭 華.成都交大許繼電氣有限責(zé)任公司，工程師。

2016-05-13