李鯤鵬，鐘 帆，趙云云，馮 超，易 東

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 611756; 2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣州 510010)

引言

為有效解決我國(guó)現(xiàn)行市域鐵路存在的過(guò)分相及以負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量等問(wèn)題[1],借助現(xiàn)代電力電子技術(shù),實(shí)現(xiàn)市域鐵路的貫通同相供電是必由之路[2]。

目前貫通同相供電方案有組合式同相供電、全交直交供電、虛擬同相柔性供電等,其中,組合式同相供電方案將牽引變電所的兩個(gè)主要供電設(shè)備——牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置分為相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)部分,而二者在功能上又能相互配合以牽引變壓器為主要供電設(shè)備,補(bǔ)償裝置輔助供電的同時(shí)補(bǔ)償負(fù)序電流[3];全交直交供電系統(tǒng)由牽引變電所和牽引網(wǎng)構(gòu)成,牽引變電所由三相(降壓)變壓器和三相/單相交-直-交變流器(也稱(chēng)“潮流控制器PFC”[4])串聯(lián)而成,牽引網(wǎng)仍用50Hz工頻供電;虛擬同相柔性供電系統(tǒng)在牽引變電所處采用基于三相-兩相牽引變壓器的同相供電方案,分區(qū)所采用柔性過(guò)分相方案[5-6]。

組合式同相供電+分區(qū)所雙邊供電的特點(diǎn)在于組合式同相供電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)采用單相變壓器配合必要的、最小容量補(bǔ)償裝置的一種同相供電技術(shù),能夠在對(duì)負(fù)序和無(wú)功進(jìn)行治理的同時(shí),連通牽引變電所左右兩側(cè)的牽引網(wǎng);新型雙邊供電技術(shù)能夠連通分區(qū)所左右兩側(cè)的牽引網(wǎng),使機(jī)車(chē)不斷電過(guò)分相,配合外部電源方案,使其對(duì)電力系統(tǒng)的影響降到最低[7],因此,對(duì)此方案進(jìn)行分析。

市域鐵路采用貫通同相供電后,牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變,故障電流的大小、方向都較單邊供電時(shí)不同,因此,傳統(tǒng)保護(hù)方案不再適用于貫通同相供電系統(tǒng)[8]。文獻(xiàn)[9]針對(duì)單邊AT供電方式設(shè)計(jì)了牽引網(wǎng)的保護(hù);文獻(xiàn)[10]探究了鐵路雙邊供電后對(duì)電力系統(tǒng)側(cè)保護(hù)的影響;文獻(xiàn)[11-12]探討了貫通同相供電系統(tǒng)中電力電子設(shè)備的保護(hù)配置;文獻(xiàn)[13]針對(duì)貫通同相供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了饋線保護(hù)。

但以上對(duì)牽引供電系統(tǒng)保護(hù)的探究均針對(duì)其中某一個(gè)環(huán)節(jié),未對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)進(jìn)行探討,因此,本文首先介紹了貫通同相供電方式中的組合式同相供電+分區(qū)所雙邊供電方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)組合式同相供電+分區(qū)所雙邊供電方案進(jìn)行分析,通過(guò)建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)牽引變電所高壓側(cè)及牽引網(wǎng)不同位置短路電流進(jìn)行計(jì)算;以某市域鐵路為例,利用仿真對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證;最后通過(guò)分析結(jié)果,在傳統(tǒng)繼電保護(hù)方案上進(jìn)行改進(jìn),配置一套繼電保護(hù)新方案。

1 同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

貫通同相供電系統(tǒng)的牽引變電器采用一次側(cè)中點(diǎn)抽出式單相變壓器,與同相補(bǔ)償裝置的高壓匹配變壓器HMT形成不等邊不等容斯科特接線,牽引變壓器低壓側(cè)與低壓匹配變壓器并聯(lián)接到27.5 kV母線上,連通牽引變電所左右兩側(cè)的牽引網(wǎng)和分區(qū)所左右兩側(cè)的牽引網(wǎng)形成全線貫通如圖1所示。

圖1 貫通同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 貫通同相供電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2 故障分析

市域鐵路發(fā)生的故障可分為系統(tǒng)側(cè)故障和牽引側(cè)故障。在電氣化鐵路同相供電的情況下,系統(tǒng)側(cè)故障時(shí),牽引網(wǎng)也會(huì)有一部分故障電流經(jīng)牽引變壓器流向故障點(diǎn),可能會(huì)對(duì)繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生影響;牽引側(cè)故障時(shí),故障點(diǎn)左右兩牽引變電所都會(huì)向故障點(diǎn)注入短路電流。系統(tǒng)側(cè)故障和牽引測(cè)故障時(shí)短路電流都較單邊供電時(shí)不同,因此,分別對(duì)系統(tǒng)側(cè)和牽引側(cè)進(jìn)行故障分析(系統(tǒng)側(cè)以牽引變電所高壓側(cè)進(jìn)線故障為例,牽引側(cè)以牽引網(wǎng)故障為例)。

2.1 牽引變壓器進(jìn)線單相接地短路

當(dāng)采用貫通同相供電方案后,牽引變壓器高壓側(cè)進(jìn)線發(fā)生故障時(shí),變壓器低壓側(cè)也成為電源側(cè),向短路點(diǎn)注入電流;牽引變電所27.5 kV饋線故障時(shí),牽引變壓器低壓側(cè)、相鄰牽引變電所饋線均會(huì)向短路點(diǎn)注入電流。以高壓側(cè)進(jìn)線故障為例進(jìn)行短路分析,當(dāng)發(fā)生單相接地短路時(shí),短路點(diǎn)將進(jìn)線阻抗分割為Zjk1和Zjk2,如圖3所示。

圖3 單相接地短路模型

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 牽引變壓器進(jìn)線兩相接地短路

如圖4所示,牽引變壓器的進(jìn)線發(fā)生兩相接地短路故障,同樣變壓器低壓側(cè)與高壓側(cè)均會(huì)向短路點(diǎn)注入電流。

圖4 兩相接地短路模型

(8)

在故障瞬間,C相為非故障相,依然在為系統(tǒng)提供補(bǔ)償電流。因此,當(dāng)牽引網(wǎng)空載運(yùn)行,求得牽引網(wǎng)電流折算到高壓側(cè)如式(9)所示,具體公式分析同單相接地短路。

(9)

(10)

(11)

2.3 牽引變壓器進(jìn)線兩相相間短路

圖5 兩相相間短路模型

(12)

(13)

(14)

2.4 牽引網(wǎng)短路

當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生金屬性短路時(shí),牽引網(wǎng)上無(wú)均衡電流通路,因此,同相供電系統(tǒng)的短路電流可看作單邊供電系統(tǒng)故障電流的疊加。如圖6所示,設(shè)牽引變電所SSk與故障點(diǎn)d點(diǎn)的距離為L(zhǎng)k,牽引變電所SSk+1與故障點(diǎn)d點(diǎn)的距離為L(zhǎng)k+1,兩牽引變電所之間的距離為L(zhǎng)。接觸網(wǎng)和鋼軌等效阻抗的單位阻抗為Zq[16]。

圖6 牽引網(wǎng)短路模型

(15)

(16)

(17)

3 仿真分析

針對(duì)某市軌道交通設(shè)計(jì)一條3個(gè)牽引變電所實(shí)施貫通同相供電的線路如圖7所示。

圖7 貫通供電線路

圖中1、2、3號(hào)三個(gè)牽引變電所通過(guò)組合式同相供電+雙邊供電方案,在原分區(qū)所的位置通過(guò)合斷路器實(shí)施雙邊供電來(lái)達(dá)到3個(gè)牽引變電所兩兩貫通同相供電運(yùn)行的目的,4號(hào)牽引變電所作為備用,以此結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行具體的實(shí)例故障分析,根據(jù)上文貫通同相供電系統(tǒng)的理論分析以及線路的系統(tǒng)電網(wǎng)架構(gòu)圖在軟件etap中建立相應(yīng)的故障仿真模型[17],如圖8所示。

圖8 某軌道交通線路供電系統(tǒng)故障仿真模型

在牽引網(wǎng)空載的情況下,對(duì)系統(tǒng)中不同位置的母線發(fā)生三相接地短路、相間短路、兩相接地短路、單相接地短路進(jìn)行了仿真分析,以表1所示的1號(hào)變電站線路仿真結(jié)果為例。

表1 某市域鐵路供電系統(tǒng)故障仿真結(jié)果

通過(guò)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),牽引變電所27.5 kV母線發(fā)生故障時(shí),牽引網(wǎng)流過(guò)的故障電流占故障電流的百分比最大為55.50%;牽引變電所110 kV母線發(fā)生故障時(shí),牽引網(wǎng)流過(guò)的故障電流占故障電流的百分比最大為10.53%;牽引變電所上級(jí)變電站110 kV母線發(fā)生故障時(shí),牽引網(wǎng)流過(guò)的故障電流占故障電流的百分比最大為3.26%;牽引變電所上級(jí)變電站220 kV母線發(fā)生故障時(shí),牽引網(wǎng)流過(guò)的故障電流占故障電流的百分比最大為0.44%;牽引變電所上級(jí)變電站110 kV側(cè)帶的其他電力負(fù)荷發(fā)生故障時(shí),牽引網(wǎng)流過(guò)的故障電流占故障電流的百分比最大為3.26%。

根據(jù)故障分析和仿真結(jié)果,得出當(dāng)牽引側(cè)發(fā)生故障時(shí),牽引網(wǎng)流過(guò)的故障電流占故障電流的百分比相對(duì)較大,需配置牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)方案;而系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障時(shí),牽引網(wǎng)流過(guò)的故障電流占故障電流的百分比很小,系統(tǒng)側(cè)繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作不會(huì)受到影響,不需要調(diào)整電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置。因此,需針對(duì)線路中不同位置、不同電壓等級(jí)的母線、饋線確定相應(yīng)的保護(hù)配置。

4 保護(hù)配置方案

在市域鐵路采用貫通同相供電的情況下,通過(guò)上文計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生故障時(shí)對(duì)牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置有一定影響,而電力系統(tǒng)基本不受影響,因此,牽引供電系統(tǒng)傳統(tǒng)的保護(hù)方案將不再適用,貫通同相供電方式下,牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置如表2所示。

表2 貫通同相供電保護(hù)配置方案

實(shí)施貫通同相供電后,繼電保護(hù)配置的原則如下。

(1)牽引變電所進(jìn)線保護(hù)配置

牽引變電所進(jìn)線在貫通同相供電方式下較單邊供電增加了差動(dòng)保護(hù)[18]、距離保護(hù)(備自投啟動(dòng)邏輯改為故障啟動(dòng))。

牽引變電所在貫通同相供電方式下,牽引變電所高壓側(cè)進(jìn)線發(fā)生短路時(shí),變壓器低壓側(cè)也成為電源側(cè),向短路點(diǎn)注入電流,需同時(shí)使相鄰牽引變電所饋線斷路器和牽引變電所內(nèi)的進(jìn)線斷路器跳閘,因此,可以在牽引變電所內(nèi)為進(jìn)線增設(shè)差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)。同時(shí),由于單邊供電時(shí)牽引變電所進(jìn)線故障為失壓?jiǎn)?dòng)備自投,但在貫通同相供電方式下,牽引變電所進(jìn)線故障時(shí)牽引變壓器高壓側(cè)依然有電壓,故需要將牽引變電所進(jìn)線的備自投啟動(dòng)邏輯改為故障啟動(dòng)備自投,且投切后的進(jìn)線所連接的電源也需滿足補(bǔ)償后相位一致的要求。如果無(wú)法滿足或備自投失敗,則建議將該牽引變電所退出貫通運(yùn)行,由備用牽引變電所啟動(dòng),繼續(xù)進(jìn)行貫通供電。

(2)牽引變電所27.5 kV母線保護(hù)配置

牽引變電所27.5 kV母線在貫通同相供電方式下較單邊供電增加了母線差動(dòng)保護(hù)。

當(dāng)牽引變電所27.5 kV母線發(fā)生短路時(shí),由于與母線相連的進(jìn)、饋線均會(huì)向母線注入短路電流,需跳開(kāi)與母線相連的所有回路斷路器。而饋線注入的短路電流實(shí)際為相鄰牽引變電所越區(qū)時(shí)的末端短路電流,一般不會(huì)太大,系統(tǒng)短路容量較小時(shí),短路電流甚至比機(jī)車(chē)電流還小,因此,饋線的過(guò)電流保護(hù)靈敏度很低,在母線發(fā)生短路時(shí)不能確保保護(hù)動(dòng)作。需設(shè)置低電壓?jiǎn)?dòng)的帶方向的過(guò)電流保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)[19-20]作為27.5 kV母線的保護(hù)。同時(shí),當(dāng)主變低壓側(cè)電流互感器與斷路器間發(fā)生短路時(shí),同樣需利用母線差動(dòng)保護(hù)將與母線連接的所有回路斷路器跳開(kāi),斷路器動(dòng)作后,備用變壓器自動(dòng)投入,若仍然發(fā)生故障,則退出當(dāng)前牽引變電所,由備用牽引變電所代替進(jìn)行貫通供電。

綜上,貫通同相供電時(shí)需在牽引變電所27.5 kV母線上設(shè)置低電壓?jiǎn)?dòng)的帶方向的過(guò)電流保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)。

(3)牽引變壓器保護(hù)配置

既有牽引變壓器設(shè)有差動(dòng)保護(hù)作為牽引變壓器主保護(hù),正常運(yùn)行時(shí),變壓器高低壓側(cè)折算電流仍相等,差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí),兩側(cè)注入故障點(diǎn)的電流差值增大,變壓器差動(dòng)保護(hù)仍能可靠動(dòng)作,因此,維持既有變壓器保護(hù)不變。

(4)牽引變電所27.5 kV饋線保護(hù)配置

牽引變電所27.5 kV饋線在貫通同相供電方式下較單邊供電增加了距離I段聯(lián)跳保護(hù)。

距離I段聯(lián)跳保護(hù)整定可到2個(gè)牽引變電所距離的80%[21],當(dāng)故障在兩個(gè)牽引變電所距離I段范圍內(nèi)時(shí),兩個(gè)牽引變電所都會(huì)立即跳閘,且不受通信限制;當(dāng)故障在1個(gè)牽引變電所距離I段范圍內(nèi)時(shí),該所饋線保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)通過(guò)所間通信通道向相鄰分區(qū)所發(fā)送聯(lián)跳信號(hào)。檢查出故障位置后,由備用饋線投入運(yùn)行,兩回饋線都檢修時(shí),由備用牽引變電所投入繼續(xù)實(shí)施貫通供電。

(5)牽引網(wǎng)保護(hù)配置

貫通同相供電能夠連通分區(qū)所和牽引變電所左右兩側(cè)的牽引網(wǎng),牽引網(wǎng)上只要有一個(gè)地方發(fā)生故障,整條線路都會(huì)受到影響,情況嚴(yán)重時(shí),甚至還會(huì)使?fàn)恳W(wǎng)停止運(yùn)行,這不利于列車(chē)安全可靠運(yùn)行。因此,能夠快速且準(zhǔn)確地判斷牽引網(wǎng)故障的類(lèi)型,以及其發(fā)生故障的位置十分重要,這有利于故障的快速切除,使?fàn)恳W(wǎng)上非故障區(qū)段的供電盡快恢復(fù),能夠提高牽引網(wǎng)的可靠性。將采用牽引網(wǎng)分段供電與測(cè)控技術(shù),在(采用)貫通同相供電以后,將其作為牽引網(wǎng)的主要保護(hù)方案[8]。

牽引網(wǎng)分段示意如圖9所示,分段可根據(jù)具體情況進(jìn)行劃分,常見(jiàn)方式如下。

圖9 牽引網(wǎng)分段示意

(1)自然分段處:分區(qū)所、復(fù)線鐵路上下行、AT供電方式的AT段。

(2)以10 km左右的區(qū)間為單元對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行分段。

(3)接觸網(wǎng)錨段可視為一個(gè)最小分段。

(4)貫通同相供電的兩個(gè)牽引變電所之間可視為一個(gè)最大分段。

分段的兩端設(shè)置分段所,分段所內(nèi)設(shè)并聯(lián)電壓互感器,其測(cè)量電壓為Ui和Uo,分段器Si與So上并接斷路器Ki與Ko和對(duì)應(yīng)的串聯(lián)電流互感器,其測(cè)量電流為Ii和Io,利用以上數(shù)據(jù),就可以對(duì)牽引網(wǎng)分段進(jìn)行測(cè)與控。

使用縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)作為后備保護(hù),當(dāng)電壓互感器檢測(cè)到電壓降低時(shí)計(jì)算兩個(gè)相鄰牽引變電所的電流和,整定值按躲過(guò)供電臂最大負(fù)荷電流整定確保保護(hù)能夠可靠動(dòng)作。

5 結(jié)論

實(shí)施貫通同相供電不僅可從根本上解決電分相和電能質(zhì)量問(wèn)題,還可帶來(lái)提高供電能力、保障運(yùn)輸能力、提高系統(tǒng)可靠性等多方面效益。

本文主要對(duì)市域鐵路實(shí)施貫通同相供電方式中的組合式同相供電+雙邊供電方案進(jìn)行保護(hù)配置分析,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)不同位置發(fā)生故障進(jìn)行理論與仿真分析,得出結(jié)論:當(dāng)牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),牽引網(wǎng)流過(guò)的故障電流占故障電流的百分比相對(duì)較大,因此,需配置牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)方案;而電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),牽引網(wǎng)流過(guò)的故障電流占故障電流的百分比很小,電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作不會(huì)受到影響,不需要調(diào)整電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)配置。

致謝：論文得到廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司科技項(xiàng)目(R110421H01090)的大力支持,在此表示衷心感謝。