王雙全,于海順,劉曉華
(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東青島266000)
2019年末,我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到13.9萬(wàn)km,其中高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到3.5萬(wàn)km,保持世界第一的運(yùn)營(yíng)規(guī)模[1]。牽引供電系統(tǒng)作為電氣化鐵路的唯一動(dòng)力來(lái)源,決定著電力機(jī)車能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著2019年京張高鐵、成貴高鐵等51條新線建成投運(yùn),“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)日益完善。隨著大量動(dòng)車組跨線運(yùn)行,車-網(wǎng)耦合系統(tǒng)電氣匹配問(wèn)題日益凸顯,可能影響牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2-4],例如,引起牽引網(wǎng)壓波動(dòng)造成的低頻振蕩、牽引網(wǎng)高次諧波諧振引起避雷器損毀等問(wèn)題[5-7]。
以某高鐵線路典型區(qū)段為例,基于車-網(wǎng)耦合系統(tǒng)同步測(cè)試,研究動(dòng)車組牽引負(fù)荷特性變化規(guī)律,分析其對(duì)牽引變電所饋線出口處等效測(cè)量阻抗的影響,探究牽引變電所饋線保護(hù)阻抗Ⅰ段誤動(dòng)的原因,以更好地提升車-網(wǎng)耦合系統(tǒng)的匹配性能,保證高速動(dòng)車組安全并高質(zhì)運(yùn)行。
高速鐵路AT供電方式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。當(dāng)供電臂上發(fā)生故障時(shí),牽引供電系統(tǒng)中各位置的斷路器將會(huì)執(zhí)行以下動(dòng)作[8]:
(1)牽引變電所出口處的QF1、QF2斷路器迅速跳閘,此時(shí)上下行供電臂失壓;
(2)AT所與分區(qū)所內(nèi)的QF3、QF4、QF5、QF6斷路器全部跳閘,此時(shí)上下行供電臂解列為單線直供方式;
(3)牽引變電所出口處的QF1和QF2斷路器重合閘;
(4)AT所與分區(qū)所內(nèi)的QF3、QF4、QF5和QF6斷路器按一定次序進(jìn)行檢有壓合閘。
通過(guò)上述4個(gè)步驟,既有牽引網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路的隔離和對(duì)非故障線路的供電恢復(fù)。目前高速鐵路牽引變電所出口處斷路器主要配置阻抗Ⅰ段保護(hù)、電流速斷保護(hù)、電流增量保護(hù)和自動(dòng)重合閘裝置。阻抗Ⅰ段保護(hù)用于保護(hù)整個(gè)供電臂全長(zhǎng),電流速斷保護(hù)和電流增量保護(hù)作為后備保護(hù)[9-10]。
圖1 高速鐵路AT供電方式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
車-網(wǎng)同步測(cè)試分為牽引變電所測(cè)試和動(dòng)車組跟車測(cè)試。牽引變電所牽引變壓器采用由2臺(tái)單相接線變壓器組成的V/x接線變壓器。在測(cè)試過(guò)程中,分別對(duì)高壓側(cè)三相電壓與電流、牽引側(cè)母線電壓、各條饋線電流等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(見圖2,▲為測(cè)點(diǎn)位置)。
動(dòng)車組對(duì)總輸入網(wǎng)流和網(wǎng)壓進(jìn)行檢測(cè),以CRH某型動(dòng)車組為例的測(cè)試裝置安裝示意見圖3(▲為測(cè)點(diǎn)位置)。
圖2 牽引變電所測(cè)試示意圖
圖3 動(dòng)車組測(cè)試裝置安裝示意圖
某新型動(dòng)車組進(jìn)入高速鐵路典型區(qū)段牽引變電所至分區(qū)所供電區(qū)間運(yùn)行時(shí),變電所內(nèi)T母線電壓、上行T線與F線電流分布見圖4。T母線電壓跌落持續(xù)時(shí)長(zhǎng)22 s,此時(shí)上行T線電流有效值為1 500 A,上行F線電流有效值為563 A,牽引變電所T母線電壓有效值最低為20.03 kV,分區(qū)所T母線瞬時(shí)電壓最低僅為17.52 kV,引起牽引變電所阻抗保護(hù)動(dòng)作。
在發(fā)生跳閘故障時(shí),該牽引變電所上行測(cè)量阻抗為Z=10.14Ω,上行測(cè)量阻抗變化曲線見圖5。根據(jù)獲得的牽引變電所阻抗保護(hù)整定值,阻抗模值Zset=12.95Ω,電阻Rset=8.76Ω,電抗Xset=9.55Ω。故障發(fā)生時(shí)阻抗小于阻抗整定值12.95Ω,導(dǎo)致阻抗Ⅰ段保護(hù)啟動(dòng)。
圖4 牽引負(fù)荷過(guò)程錄波數(shù)據(jù)
圖5 故障時(shí)刻牽引變電所上行測(cè)量阻抗變化曲線
當(dāng)動(dòng)車組處牽引網(wǎng)壓跌落至最低值時(shí),也會(huì)引起車載變流器過(guò)流保護(hù),此時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓和牽引電流瞬時(shí)波形見圖6,對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)功率因數(shù)分布見圖7。
圖6 動(dòng)車組牽引繞組過(guò)流保護(hù)前電壓和電流波形
圖7 動(dòng)車組牽引繞組過(guò)流保護(hù)前瞬時(shí)功率因數(shù)
經(jīng)查詢運(yùn)行圖,該供電區(qū)段短時(shí)出現(xiàn)了6列動(dòng)車組,各在線運(yùn)行列車信息見表1,多列車同時(shí)運(yùn)行造成牽引負(fù)荷顯著增大,導(dǎo)致牽引網(wǎng)首端和末端測(cè)試電壓均明顯跌落,造成跟蹤測(cè)試的動(dòng)車組牽引繞組過(guò)流故障。
表1 在線各次列車運(yùn)行工況信息
可見,由于牽引變電所輸出功率不斷增大,饋線保護(hù)裝置測(cè)量阻抗值不斷減小。當(dāng)滿足牽引變電所饋線阻抗Ⅰ段保護(hù)整定值對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)條件時(shí),將引起饋線斷路器跳閘。
為了研究不同負(fù)荷分布下的牽引網(wǎng)測(cè)量阻抗,選擇其他時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試。該區(qū)段內(nèi)牽引網(wǎng)導(dǎo)線空間分布見圖8,接觸線CW為CTAH-150,承力索MW為JTMH-120,加強(qiáng)線AW為L(zhǎng)BGLJ-240,負(fù)饋線NF為L(zhǎng)BGLJ-185/25,鋼軌為P60。
選擇該天另一時(shí)間段,當(dāng)動(dòng)車組進(jìn)入牽引變電所至分區(qū)所區(qū)間上行供電臂時(shí),牽引變電所上行測(cè)量阻抗變化趨勢(shì)見圖9。本段時(shí)間內(nèi)阻抗最小值為Z=13.35Ω,R=13.00Ω,X=3.07Ω,此時(shí)動(dòng)車組處于滿功率牽引工況。與保護(hù)整定值比較可知,測(cè)量阻抗Z>Zset,X
圖8 牽引網(wǎng)導(dǎo)線空間分布
圖9 牽引變電所上行測(cè)量阻抗變化曲線
選擇其他日期開展測(cè)試,當(dāng)測(cè)試動(dòng)車組進(jìn)入牽引變電所至分區(qū)所區(qū)間下行供電臂時(shí),牽引變電所下行測(cè)量阻抗變化趨勢(shì)見圖10。在本段時(shí)間內(nèi)阻抗最小值為Z=14.04Ω,R=13.79Ω,X=2.66Ω,此時(shí)動(dòng)車組處于滿功率牽引工況。與保護(hù)整定值比較可知,測(cè)量阻抗Z>Zset,X
與此相對(duì)比,對(duì)該變電所進(jìn)行24 h錄波。當(dāng)牽引負(fù)荷接近空載時(shí),由牽引變電所饋線處測(cè)得的阻抗特性曲線見圖11,此時(shí)Z=3 174.0Ω,R=2 060.3Ω,X=2 413.9Ω,牽引網(wǎng)電壓為28.73 kV。
當(dāng)牽引負(fù)荷較大時(shí),由牽引變電所饋線處測(cè)得的阻抗特性曲線見圖12。此時(shí)Z=56.210Ω,R=55.930Ω,X=5.623Ω,牽引網(wǎng)電壓為28.12 kV,牽引負(fù)荷電流為400.91 A。
圖10 牽引變電所下行測(cè)量阻抗變化曲線
圖11 牽引變電所小負(fù)荷時(shí)上行測(cè)量阻抗變化曲線
圖12 牽引變電所大負(fù)荷時(shí)上行測(cè)量阻抗變化曲線
可見,動(dòng)車組在線運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致牽引負(fù)荷的波動(dòng)性,直接影響牽引變電所饋線處牽引網(wǎng)測(cè)量阻抗的大小。若存在與阻抗保護(hù)Ⅰ段整定值的重疊,容易引起饋線保護(hù)誤動(dòng)。
通過(guò)對(duì)車-網(wǎng)同步測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,揭示了某高速鐵路牽引變電所饋線保護(hù)誤動(dòng)的原因。由于牽引變電所輸出功率不斷增大過(guò)程中,牽引母線電壓同時(shí)下降,饋線保護(hù)裝置測(cè)量阻抗值會(huì)不斷減小。當(dāng)滿足牽引變電所饋線阻抗保護(hù)Ⅰ段整定值對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)條件時(shí),將引起饋線斷路器誤動(dòng)跳閘。特別是當(dāng)高速動(dòng)車組通過(guò)分區(qū)所電分相后重新取流時(shí),應(yīng)避免最大功率牽引,以減少對(duì)牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷沖擊,避免造成車-網(wǎng)系統(tǒng)匹配問(wèn)題。