永久性故障對(duì)全并聯(lián)AT供電距離保護(hù)的影響

李 強(qiáng)，宋琳琳，李 波，尤 志

0 引言

目前電氣化鐵道存在多種供電方式，主要有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、BT供電方式、AT供電方式等[1]。由于AT供電方式具有供電距離長(zhǎng)、牽引網(wǎng)電壓損失小、電能損失小和對(duì)通信線路影響小等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外高速鐵路的青睞。國(guó)內(nèi)的客運(yùn)專線和城際鐵路幾乎都采用全并聯(lián)AT供電方式[2]。

全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)是將上下行供電臂在變電所、AT所和分區(qū)所通過(guò)斷路器和隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能減小接觸網(wǎng)單位阻抗、降低電壓損失、增加供電能力和改善供電質(zhì)量。全并聯(lián)AT供電方式較其他供電方式復(fù)雜，發(fā)生故障的概率大，停電影響范圍廣，因此，研究一套適應(yīng)該供電方式的饋線保護(hù)策略是很重要的，同時(shí)由于有效的整定值是保護(hù)可靠動(dòng)作的關(guān)鍵，所以，只有同時(shí)具備兩者才能保障牽引供電系統(tǒng)的安全性，并提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性。

1 全并聯(lián)AT供電方式饋線保護(hù)策略

全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)（如圖1）發(fā)生故障時(shí)，上下行需要同時(shí)跳閘，才能切除故障，但是這樣會(huì)擴(kuò)大停電范圍，使故障線路和非故障線路同時(shí)停電。饋線保護(hù)策略應(yīng)該盡量縮小發(fā)生故障時(shí)的停電范圍，并要求故障線路及時(shí)退出運(yùn)行，非故障線路快速恢復(fù)供電。

圖1 全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)供電臂示意圖

由圖 1可見，由于牽引變電所主變壓器采用V/X接線，所以在出口處不需要單獨(dú)設(shè)AT變壓器。在正常運(yùn)行時(shí) AT所和分區(qū)所自耦變壓器 1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，所有饋線斷路器和隔離開關(guān)都閉合。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)（如K1處短路），斷路器動(dòng)作順序如下：①1QF和2QF同時(shí)跳閘，使上下行全部停電。②AT所和分區(qū)所檢測(cè)到線路失壓，使其斷路器（3QF、4QF、5QF和6QF）跳閘。經(jīng)過(guò)上面的操作，全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)變成上下行相互獨(dú)立的直接供電系統(tǒng)，同時(shí)使故障線路和非故障線路分隔開。③饋線斷路器（1QF和2QF）重合閘，若K1處故障是永久性故障，則上行重合閘失敗，下行重合閘成功，否則上下行重合閘都成功。④當(dāng)AT所和分區(qū)所檢測(cè)到線路有壓后，相應(yīng)斷路器進(jìn)行重合閘。由于所有AT變壓器同時(shí)投入，會(huì)使線路產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流，為了避免較大的勵(lì)磁涌流對(duì)斷路器等設(shè)備產(chǎn)生影響和引起保護(hù)誤動(dòng)，AT變壓器按距離牽引變電所的近遠(yuǎn)，通過(guò)一定時(shí)限配合依次重合閘，同時(shí)系統(tǒng)由直接供電方式逐漸變成AT供電方式（如3QF和4QF檢測(cè)到線路有壓后，通過(guò)一定時(shí)間延遲進(jìn)行重合閘，而5QF和6QF重合閘的時(shí)間延遲較3QF和4QF長(zhǎng)）。

通過(guò)上面的保護(hù)策略，若線路為永久性故障，可以使非故障線路快速恢復(fù)正常供電，故障線路退出運(yùn)行；若為瞬時(shí)性故障，上下行可以快速恢復(fù)成全并聯(lián)AT供電方式。

2 全并聯(lián)AT供電方式保護(hù)配置

由文獻(xiàn)[2]可知，變電所、AT所和分區(qū)所的饋線保護(hù)配置如表1所示。

表1 饋線保護(hù)方案表

表 1中的饋線保護(hù)配置能夠滿足上面所提到的保護(hù)策略要求，只是需要各種保護(hù)之間有一定的時(shí)限配合。距離保護(hù)是變電所饋線的主保護(hù)，全并聯(lián)AT供電方式采用自適應(yīng)四邊形動(dòng)作特性，設(shè)置一段距離保護(hù)即阻抗1段，保護(hù)范圍按供電臂全長(zhǎng)整定，電抗整定值按供電臂范圍內(nèi)發(fā)生不同類型短路故障時(shí)保護(hù)安裝處測(cè)得的最大電抗乘以可靠系數(shù)整定，電阻整定值根據(jù)最大負(fù)荷阻抗值整定。

電流速斷保護(hù)和電流增量保護(hù)是饋線的后備保護(hù)，主要用于消除距離保護(hù)死區(qū)和高阻抗斷線故障。AT所和分區(qū)所除了失壓保護(hù)和檢有壓重合閘外，針對(duì)AT變壓器還設(shè)置了差動(dòng)保護(hù)、碰殼保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)以及非電量保護(hù)。

3 永久性故障對(duì)距離保護(hù)的影響

如上行K1處發(fā)生永久性故障，則饋線保護(hù)應(yīng)先將所有斷路器斷開，然后進(jìn)行重合閘操作恢復(fù)下行供電，上行退出運(yùn)行。由文獻(xiàn)[2]分析可知，重合閘前后距離保護(hù)如果按一個(gè)固定值進(jìn)行整定，距離保護(hù)可能會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)現(xiàn)象，從而提出了采用重合閘前和重合閘后2個(gè)不同的整定值，并且給出了具體的邏輯關(guān)系來(lái)啟動(dòng)重合閘后阻抗值，通過(guò)該方法保障距離保護(hù)的可靠性。

由于非故障線路是一個(gè)逐漸恢復(fù)供電的過(guò)程，在恢復(fù)供電過(guò)程中是否出現(xiàn)距離保護(hù)的拒動(dòng)或者誤動(dòng)，文獻(xiàn)[2]中沒(méi)有進(jìn)行具體分析。下面通過(guò)對(duì)線路仿真來(lái)研究該過(guò)程對(duì)距離保護(hù)的影響。

3.1 全并聯(lián)AT供電方式短路仿真分析

圖 2為通過(guò)仿真得出的牽引網(wǎng)發(fā)生金屬性短路故障時(shí)的阻抗曲線。

圖2 全并聯(lián)AT供電方式短路阻抗曲線圖

仿真參數(shù)為[3]L1= 15 km，L2= 15 km，

ZT= 0.231 4 + j0.683 1，ZR= 0.140 0 + j0.582 6，

ZF= 0.212 0 + j0.746 3，ZTR= 0.050 0 + j0.313 7，

ZTF= 0.050 0 + j0.413 3，ZFR= 0.050 0 + j0.305 3，單位均為Ω/km。

由圖2分析可知，線路短路阻抗為一系列馬鞍形曲線，由于AT變壓器存在漏抗，使得TR短路、FR短路與TF短路在牽引變電所出口處、AT所處和分區(qū)所處有一固定差。

3.2 直接供電方式下短路仿真分析

重合閘后，所有的AT變壓器都沒(méi)有投入運(yùn)行，此時(shí)的線路為直接供電方式，仿真圖形如圖 3所示?？梢钥闯龀薚F短路外，TR短路和FR短路與全并聯(lián)AT供電方式短路阻抗存在較大差異，且供電臂越長(zhǎng)，該差異越大，若此時(shí)全并聯(lián)AT供電的阻抗整定值不變，會(huì)引起距離保護(hù)拒動(dòng)現(xiàn)象。

圖3 直接供電方式短路阻抗曲線圖

3.3 AT變壓器投入過(guò)程短路仿真分析

由前面的分析可知，AT變壓器是逐個(gè)投入運(yùn)行的，按距離牽引變電所的近遠(yuǎn)，通過(guò)一定時(shí)限配合依次投入，先投入AT1或者AT2，隨后投入AT3或者AT4，仿真圖形如圖4、圖5所示?？梢钥闯?只有AT所投入時(shí)，線路阻抗在AT所到分區(qū)所之間呈線性分布，而分區(qū)所投入運(yùn)行后線路短路阻抗為馬鞍形曲線，但是數(shù)值上與全并聯(lián)AT供電的短路阻抗值有一定差異。

圖4 AT所投入到線路時(shí)短路阻抗曲線圖

圖5 AT所和分區(qū)所投入到線路時(shí)短路阻抗曲線圖

3.4 AT所變壓器退出運(yùn)行短路仿真分析

通過(guò)AT變壓器的逐漸投入，使全并聯(lián)AT供電方式變成了單線AT供電方式。AT所采用變壓器固定備用方式，當(dāng)1臺(tái)變壓器故障退出運(yùn)行時(shí)，另外1臺(tái)變壓器通過(guò)備用自投裝置使其投入運(yùn)行，這樣就可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，但是也會(huì)因母線故障等原因使2臺(tái)AT變壓器同時(shí)退出運(yùn)行，圖6為AT所退出運(yùn)行時(shí)線路的短路阻抗曲線圖。

圖6 AT所退出線路時(shí)短路阻抗曲線圖

為了更好地比較線路短路阻抗變化，將各種情況下的F-R短路阻抗繪于圖7。

圖7 系統(tǒng)恢復(fù)供電過(guò)程的阻抗變化曲線圖

由圖7可知，當(dāng)系統(tǒng)解裂為直接供電方式時(shí)，線路測(cè)得的短路阻抗最大，為了避免系統(tǒng)重合閘后距離保護(hù)拒動(dòng)，可以按文獻(xiàn)[2]提到的方法整定新的阻抗值。當(dāng)AT變壓器投入時(shí)，線路阻抗若繼續(xù)按直接供電方式整定，會(huì)因整定值過(guò)大而引起誤動(dòng)；若按全并聯(lián)方式整定，在只有AT所投入情況下，第二段 AT線路的后半部分會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)現(xiàn)象；在AT所和分區(qū)所都投入的情況下，2種整定值都因較大而引起誤動(dòng)；在AT所退出運(yùn)行情況下，也會(huì)由于2種整定值都較大而引起誤動(dòng)。所以，為了保證全并聯(lián)AT供電的可靠性和安全性，應(yīng)當(dāng)設(shè)定多個(gè)阻抗整定值，根據(jù)AT變壓器的投入情況，在不同整定值之間進(jìn)行切換，該方式在微機(jī)保護(hù)裝置中是可以實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)論

根據(jù)全并聯(lián)AT正常供電時(shí)，分區(qū)所和AT所只有1臺(tái)AT變壓器投入的特點(diǎn)，提出的饋線保護(hù)策略能夠消除線路瞬時(shí)故障，縮小停電范圍，滿足高速鐵路的要求。分析了上行發(fā)生永久性故障后下行恢復(fù)供電的變化過(guò)程，并且對(duì)各種變化過(guò)程的線路進(jìn)行了短路阻抗仿真。最后通過(guò)比較分析，提出根據(jù)AT變壓器的投入情況切換不同的整定值，從而保障供電的可靠性。仿真模型沒(méi)有考慮接地網(wǎng)和保護(hù)線等影響，所以和實(shí)際線路存在一定的誤差。

[1]熊列彬.全并聯(lián)AT供電方式下供電臂保護(hù)控制方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，（22）：73-76.

[2]鮑英豪.全并聯(lián)AT供電方式保護(hù)和測(cè)距方案研究[J].電氣化鐵道，2010，（2）：15-19.

[3]朱正芳.AT牽引網(wǎng)故障測(cè)距原理研究與改進(jìn)[J].電氣化鐵道，2003，（6）：27-31.

[4]王繼芳，高仕斌.全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)短路故障分析[J].電氣化鐵道，2005，（4）：20-23.

[5]李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.