汪國(guó)林

0 引言

高速鐵路接觸網(wǎng)采用帶PW線的全并聯(lián)AT供電方式，該供電方式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障類型多，各種故障特性不盡相同。為全面掌握牽引供電系統(tǒng)特征，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間選取合適的接觸網(wǎng)短路故障類型進(jìn)行試驗(yàn)，獲取具有代表性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)牽引供電系統(tǒng)綜合自動(dòng)化保護(hù)裝置以及接觸網(wǎng)故障測(cè)距評(píng)估具有十分重要的意義。

1 全并聯(lián)AT供電方式故障類型

全并聯(lián)AT供電方式為在牽引變電所、AT所和分區(qū)所等處將上、下行線路的接觸網(wǎng)T線和F線分別進(jìn)行并聯(lián)，當(dāng)不考慮AT變壓器漏抗及勵(lì)磁電流時(shí)，簡(jiǎn)化后全并聯(lián)AT網(wǎng)絡(luò)當(dāng)量圖見(jiàn)圖1。

圖1 全并聯(lián)AT供電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)量圖

從當(dāng)量圖中可見(jiàn)，接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)有T-R、F-T和F-R以及T-R-F等短路形式，本節(jié)對(duì)各種短路形式特性進(jìn)行分析。

1.1 T-R短路

接觸網(wǎng)任何一個(gè)網(wǎng)孔發(fā)生T-R短路時(shí)，依據(jù)AT網(wǎng)絡(luò)當(dāng)量電路，將全并聯(lián)供電方式的當(dāng)量電路轉(zhuǎn)換為圖2所示的電路。其中，Z1、Z2和Z3分別 為接觸網(wǎng)、鋼軌和正饋線當(dāng)量阻抗，L為短路點(diǎn)至牽引變電所的距離，x為故障點(diǎn)至網(wǎng)孔起點(diǎn)距離，D為列車(chē)所在AT段的長(zhǎng)度，I為故障點(diǎn)的短路電流。

圖2 T-R短路時(shí)電路

由圖2可得

解得

式中：I∑R1、I∑R2分別為故障點(diǎn)前后AT變吸上總電流。

根據(jù)上式可求得T-R短路故障時(shí)牽引變電所出口的牽引網(wǎng)總阻抗如式（4）所示?？梢钥闯?，全并聯(lián)AT供電方式的長(zhǎng)回路阻抗是AT供電方式的長(zhǎng)回路阻抗的一半，而段中阻抗有其自身特點(diǎn)。

1.2 F-R短路

當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)F-R短路故障時(shí)，將當(dāng)量電路圖中的接觸網(wǎng)和正饋線當(dāng)量阻抗互換，即將Z1和Z3互換，代入式（4）可得F-R短路阻抗為

1.3 T-R-F短路

當(dāng)發(fā)生T-R-F短路故障時(shí)，在圖1中增加虛線r、f連線，將圖2中的xZ2、（D-x）Z2及0.5DZ3分別換成和DZ3，求得T-R短路阻抗如下：

而求F-R短路阻抗時(shí)將接觸網(wǎng)當(dāng)量阻抗和正饋線當(dāng)量阻抗互換即可。由式（6）可知，全并聯(lián)AT供電方式T-R-F短路故障的長(zhǎng)回路阻抗、段中阻抗分別為AT供電方式長(zhǎng)回路阻抗的一半。

1.4 T-F短路

發(fā)生接觸網(wǎng)T-F短路故障時(shí)，圖3為其網(wǎng)孔電路電流分布圖。在第2個(gè)AT位置，忽略AT勵(lì)磁電流及鋼軌電流，可得IT=I2，IF=I4，根據(jù)網(wǎng)孔電流分布可得式（7），求解式（7）可得式（8）。

圖3 T-F短路時(shí)網(wǎng)孔電流分布

根據(jù)上式可求得T-F短路故障時(shí)牽引變電所出口牽引網(wǎng)總阻抗如式（9）所示?？梢钥闯?，全并聯(lián)AT供電方式T-F短路的長(zhǎng)回路阻抗、段中阻抗為AT供電方式阻抗的一半。

1.5 各種故障類型的牽引網(wǎng)阻抗

依據(jù)短路試驗(yàn)的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)及前文的推導(dǎo)計(jì)算可計(jì)算全并聯(lián)AT供電方式下各故障類型工況下的接觸網(wǎng)單位阻抗，見(jiàn)表1。牽引變電所供電線單位阻抗0.11 + j0.62，AT所、分區(qū)所供電線單位阻抗0.165 3 + j0.72，直供方式接觸網(wǎng)單位阻抗0.109 3 + j0.331，直供方式正饋線單位阻抗0.113 3 + j0.48，直供T-R-F短路的T對(duì)地回路與F對(duì)地回路的單位互阻抗0.021 6 + j0.102。

表1 AT供電方式各故障類型下的接觸網(wǎng)單位阻抗 Ω

2 牽引變壓器阻抗分析

全并聯(lián)AT供電方式同一側(cè)上、下行線路的供電系統(tǒng)接線如圖4所示，根據(jù)變壓器（容量20 000/ 16 000/16 000 kV·A）的試驗(yàn)報(bào)告可計(jì)算阻抗X1、X2和X3，其中X12、X13、X23為變壓器線圈阻抗，則有

圖4 同側(cè)上下行供電系統(tǒng)接線

3 短路電流

針對(duì)圖4所示的單相電力系統(tǒng)，根據(jù)文獻(xiàn)[1]可計(jì)算各種故障情況下的短路電流：

式中：X1∑、X2∑、Xb和Xq分別為供電系統(tǒng)的正序、負(fù)序、變壓器以及接觸網(wǎng)的阻抗。本次試驗(yàn)的牽引變電所接入電力系統(tǒng)大方式阻抗為0.052 Ω，小方式阻抗為0.07 Ω，短路試驗(yàn)時(shí)為計(jì)算方便按照小方式選擇系統(tǒng)阻抗進(jìn)行計(jì)算。

4 全并聯(lián)AT供電方式運(yùn)行安全

4.1 保護(hù)裝置

為確保鐵路運(yùn)行安全，在牽引變電所設(shè)置保護(hù)裝置，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)能夠快速切斷故障點(diǎn)電源，牽引變電所饋線設(shè)過(guò)流、電流增量和阻抗保護(hù)等保護(hù)類型。

（1）距離保護(hù)。圖5所示為饋線保護(hù)的多邊形動(dòng)作特性，按照前文討論供電范圍內(nèi)各種故障最大電抗整定Xdz，原點(diǎn)到C點(diǎn)直線的相位角通常由接觸網(wǎng)的短路阻抗角確定。

圖5 饋線保護(hù)的多邊形動(dòng)作特性

（2）電流保護(hù)整定值按照躲過(guò)最大負(fù)荷或分區(qū)所處最大短路電流整定。

（3）電流增量保護(hù)整定值按躲過(guò)線路負(fù)荷電流一個(gè)周期內(nèi)最大增量整定。

4.2 故障測(cè)距

當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)故障時(shí)，應(yīng)迅速組織人員對(duì)故障接觸網(wǎng)進(jìn)行修復(fù)，及時(shí)、準(zhǔn)確判定故障點(diǎn)對(duì)高速鐵路運(yùn)行尤其重要。

（1）全并聯(lián)AT供電方式測(cè)距。由式（4）～式（6）、式（9）可知，全并聯(lián)AT供電方式的阻抗中含有x阻抗部分，饋線阻抗呈非線性；依據(jù)式（3），全并聯(lián)AT供電方式的T-R、F-R故障仍可采用吸上電流比測(cè)距，但通常誤差稍大；當(dāng)發(fā)生全并聯(lián)AT供電方式的T-F故障或全并聯(lián)AT供電方式解列時(shí)，吸上電流比測(cè)距就不再適用。

（2）根據(jù)文獻(xiàn)[2]可采用橫連線電流比方式測(cè)量全并聯(lián)供電方式下T-R、F-R和T-F的故障距離。

（3）當(dāng)全并聯(lián)AT供電方式解列時(shí)，接觸網(wǎng)電抗與距離呈線性關(guān)系，可采用線性電抗法進(jìn)行故障測(cè)距。

因此，在故障測(cè)距裝置中，通常上述3種測(cè)距方式并存。

5 短路試驗(yàn)

在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間對(duì)接觸網(wǎng)開(kāi)展金屬性短路試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)和測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。表中斜杠左側(cè)為T(mén)線電流，斜杠右側(cè)為F線電流。由于受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件限制，測(cè)試期間未啟用重合閘功能。根據(jù)以往故障精度測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，本次對(duì)全并聯(lián)故障測(cè)距采用橫連線電流比測(cè)距法，AT解列后采用電抗法測(cè)距。

表2 金屬性短路試驗(yàn)參數(shù)及測(cè)試結(jié)果

本次共進(jìn)行了20次接觸網(wǎng)短路試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)涵蓋了實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生的全部故障類型，通過(guò)理論分析和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，對(duì)掌握供電系統(tǒng)特性十分有益。

保護(hù)裝置：饋線保護(hù)裝置的過(guò)流、阻抗Ⅰ段及電流增量保護(hù)動(dòng)作時(shí)限均為0.1 s，表2記錄了保護(hù)動(dòng)作出口情況。依據(jù)保護(hù)整定數(shù)據(jù)，在上述故障情況下，保護(hù)均正常啟動(dòng)，僅在保護(hù)出口的動(dòng)作時(shí)限方面稍有差別，出口記錄不盡相同。

短路電流：根據(jù)式（11）反映故障短路電流比較直觀，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)表中僅計(jì)算了各種故障情況下的短路電流。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，實(shí)際短路電流和理論計(jì)算值基本相符。在第1次和第9次全并聯(lián)AT供電方式下試驗(yàn)時(shí)，第1次試驗(yàn)故障點(diǎn)距牽引變電所距離較第9次遠(yuǎn)，但其短路試驗(yàn)測(cè)試電流和計(jì)算電流均比第9次大，這是段中阻抗起了作用；而第2次試驗(yàn)直供方式下短路電流和計(jì)算電流比第10次試驗(yàn)短路電流和計(jì)算電流小，這是阻抗按照線性分布所致；從表1及直供阻抗來(lái)看，其阻抗角在73°左右，與表2實(shí)際測(cè)量阻抗角相差不大。

故障測(cè)距：本次短路試驗(yàn)涵蓋了實(shí)際運(yùn)行可能發(fā)生的接觸網(wǎng)短路故障類型，從實(shí)際數(shù)據(jù)分析來(lái)看，基本滿足運(yùn)營(yíng)需求。

（1）全并聯(lián)AT供電方式下采用饋線電流比測(cè)試金屬性短路故障的測(cè)距最大誤差為474 m；直供F-R故障測(cè)距最大誤差為189 m，測(cè)量誤差均滿足規(guī)范要求（不超過(guò)±500 m）。

（2）直供T-R-F故障：第8、16次試驗(yàn)故障測(cè)距顯示故障點(diǎn)公里標(biāo)為K288.822（牽引變電所供電線上網(wǎng)點(diǎn)公里標(biāo)），由于同時(shí)存在T-R、F-R兩種故障類型，測(cè)距裝置本身無(wú)法測(cè)量。

（3）直供T-R故障：第2次試驗(yàn)故標(biāo)測(cè)量誤差為1 483 m，電壓采樣數(shù)據(jù)是16 373 V；同期保護(hù)裝置本體測(cè)距顯示故障點(diǎn)公里標(biāo)為K314.469，誤差僅144 m，電壓采樣數(shù)據(jù)是17 860 V。繼續(xù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第10、18次試驗(yàn)結(jié)果滿足要求，第2、10次試驗(yàn)短路點(diǎn)間距離為3.865 km，而測(cè)量誤差近1.5 km，實(shí)際接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，初步推斷第2次故障測(cè)距誤差大是測(cè)距裝置本體電壓采樣不穩(wěn)定所致，因此不對(duì)測(cè)距定值進(jìn)行修正。

（4）直供T-F故障：對(duì)T-F故障測(cè)距定值進(jìn)行整定（第2點(diǎn)定值0.208 Ω，0.578 km；第3點(diǎn)定值3.774 Ω，12.465 km；第4點(diǎn)定值7.969 Ω，26.447 km），接觸網(wǎng)T-F間單位阻抗經(jīng)驗(yàn)值為0.3 Ω左右。第6次短路試驗(yàn)測(cè)距誤差474 m；第14次短路試驗(yàn)誤差9 105 m。經(jīng)查，故障測(cè)距裝置已經(jīng)判定為T(mén)-F短路，但誤差卻大大超出允許范圍，在試驗(yàn)過(guò)程中未能找出原因，鑒于實(shí)際運(yùn)營(yíng)中單純發(fā)生接觸網(wǎng)T-F短路概率較小，故對(duì)定值未做修改，后續(xù)對(duì)裝置加強(qiáng)觀察。

在第5、13次的全并聯(lián)T-F短路試驗(yàn)中，實(shí)際測(cè)試的IT、IF并不相等，而牽引變電所、AT所和分區(qū)所處吸上電流分別為I5g= 292 A、I5g1= 17 A、I5g2= 274 A、I13g= 247 A、I13g1= 270 A、I13g2= 41 A，說(shuō)明在全并聯(lián)AT供電方式下發(fā)生T-F故障時(shí)鋼軌電流仍然存在，但其與短路電流相比較小，工程計(jì)算的短路電流和測(cè)量值差別不大。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)全并聯(lián)AT供電方式的接觸網(wǎng)進(jìn)行理論分析，按照實(shí)際運(yùn)營(yíng)中可能發(fā)生的接觸網(wǎng)故障類型開(kāi)展短路試驗(yàn)，收集牽引供電系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較研判牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)裝置配置及故障測(cè)距參數(shù)選取是否合理，探索提高牽引供電系統(tǒng)保護(hù)可靠性及故障測(cè)距精度的途徑，為牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行安全及接觸網(wǎng)故障處置提供參考借鑒。