同相貫通牽引供電系統(tǒng)保護(hù)方案研究

劉大崗，譚紅巖，肖楚鵬

0 引言

傳統(tǒng)的牽引供電方式需要在牽引變電所出口及分區(qū)所處設(shè)置多個電分相，并且存在諧波、無功、負(fù)序等電能質(zhì)量問題。過分相與電能質(zhì)量問題都嚴(yán)重制約著電氣化鐵道向高速、重載方向發(fā)展。本文研究的同相貫通供電方式可以有效地改善電氣化鐵道諧波、無功及負(fù)序問題，并且能從根本上取消過電分相環(huán)節(jié)。

當(dāng)然，如果電氣化鐵道采取同相貫通供電方式，無論是牽引變電所還是牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)及阻抗特性都發(fā)生了變化，因此，同相貫通供電保護(hù)配置不能照搬原有牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)方案。牽引供電系統(tǒng)中，合理的保護(hù)是系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的前提。研究一種新的供電方式，必須同時研究與之相適應(yīng)的保護(hù)方案。本文通過對同相貫通供電系統(tǒng)的研究，提出了一種適用于該供電方式下的繼電保護(hù)方案。

1 同相貫通供電系統(tǒng)特點(diǎn)

與電力系統(tǒng)相連的同相貫通供電系統(tǒng)是一個交直交系統(tǒng)，主要由三相整流、直流儲能、單相逆變以及所間協(xié)調(diào)并聯(lián)環(huán)節(jié)組成。貫通式同相牽引供電系統(tǒng)能夠很好地解決電分相、負(fù)序、無功、諧波等問題，利用多個外部電源同時向牽引負(fù)荷供電，具有送電能力強(qiáng)、綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)。但是，貫通式供電方式及電力電子器件的采用使外部電源的系統(tǒng)阻抗、短路容量和傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)相比有很大變化，同時也改變了牽引負(fù)荷和故障電氣量的特征，現(xiàn)有的牽引供電系統(tǒng)保護(hù)配置與測距原理已經(jīng)不能滿足需要，必須全面研究適合貫通式同相牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)、控制與故障測距技術(shù)。

同相供電變電所出口處左右兩供電臂電壓相位相同，所以變電所出口取消電分相環(huán)節(jié)。另外，由于采用全線貫通的方式，理論上2個相鄰牽引變電所之間不用設(shè)置分區(qū)所，但是考慮到故障時保護(hù)裝置可以縮小故障范圍，便于各個區(qū)段檢修維護(hù)時安全可靠分離。在兩相鄰變電所中間保留分區(qū)所，并在分區(qū)所設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)裝置。

同相貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 同相貫通供電保護(hù)配置方案

2.1 交直交變電所的保護(hù)方案

交直交變電所主接線圖如圖2所示。高壓側(cè)雙回路電源進(jìn)線，電力系統(tǒng)高壓經(jīng)高壓側(cè)隔離變壓器變?yōu)檎餮b置可以承受的4 kV交流電，再經(jīng)過整流逆變環(huán)節(jié)最終變換為AT牽引網(wǎng)需要的55 kV交流電。

該變電所分為以下3個部分：

（1）高壓側(cè)雙回路電源進(jìn)線和2臺互為備用的三相降壓變壓器，高壓側(cè)采用內(nèi)橋接線方式。當(dāng)2路進(jìn)線中的一路發(fā)生故障時，僅故障線路的斷路器跳閘，另一條線路和2臺變壓器仍可正常運(yùn)行。當(dāng)任一變壓器故障時，與其直接相連的2臺斷路器都必須斷開，從而使系統(tǒng)短時間內(nèi)按1路電源1臺變壓器方式運(yùn)行。因此，采用內(nèi)橋接線時當(dāng)任一電源進(jìn)線發(fā)生故障或者檢修時，2臺變壓器仍然能夠照常并列運(yùn)行。

圖1 同相貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 交直交變電所主接線圖

（2）交直交變流系統(tǒng)。貫通供電方式下該系統(tǒng)主要由三相整流、直流儲能和單相逆變3個單元組成。

三相整流單元是將降壓變壓器輸出的三相交流變換為直流，為負(fù)荷提供能量；直流儲能單元是實(shí)現(xiàn)能量的緩存，不消耗有功功率；單相逆變單元是將直流側(cè)電能轉(zhuǎn)換成單相的交流電為機(jī)車傳遞有功功率，同時補(bǔ)償機(jī)車產(chǎn)生的諧波和無功。

（3）單相升壓變壓器。由逆變環(huán)節(jié)得到的單相交流電經(jīng)過單相升壓變壓器得到牽引負(fù)荷需要的55 kV電壓。由于變壓器容易出現(xiàn)故障，因此該升壓變壓器采用固定備用。當(dāng)3號變壓器出現(xiàn)故障或者檢修時，投入4號變壓器，整個系統(tǒng)仍能正常工作。

交直交牽引變電所具體保護(hù)配置見表1。

表1 交直交牽引變電所保護(hù)配置一覽表

2.2 牽引網(wǎng)保護(hù)方案

貫通供電由于正常情況下全線貫通，當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時，勢必會對相鄰變電所乃至整條線路和負(fù)荷產(chǎn)生影響。因此，當(dāng)發(fā)生故障時，首先需要考慮盡可能縮小故障范圍，盡量隔離故障，其中包括相鄰區(qū)段之間、上下行之間的隔離。

基于將故障最簡化的原則，在變電所出口處和分區(qū)所處仍需設(shè)置103#、203#和273#、274#分相斷路器。牽引供電系統(tǒng)正常工作情況下，變電所出口斷路器和分區(qū)所斷路器均閉合，實(shí)現(xiàn)貫通供電。另外，變電所出口處 103#斷路器的動作時限小于101#、102#出口饋線斷路器的動作時限，當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障時，分區(qū)所和變電所出口處的斷路器先動作；為了保證選擇性，101#、102#斷路器需要加裝方向元件，判斷故障方向，以免2路饋線斷路器同時動作將故障范圍擴(kuò)散到相鄰區(qū)段。

目前，國內(nèi)高速鐵路牽引網(wǎng)均采用距離保護(hù)作為主保護(hù)，本文根據(jù)同相貫通供電故障特性，牽引網(wǎng)主保護(hù)采用自適應(yīng)二段距離保護(hù)。距離一段保護(hù)范圍從變電所到分區(qū)所，距離二段保護(hù)范圍為變電所到最后一個AT區(qū)段（不包括最后一個AT段）。

當(dāng)距離保護(hù)采用四邊形特性時，如果故障發(fā)生在變電所出口處，對應(yīng)的是動作特性圖的原點(diǎn)，也是距離保護(hù)的死區(qū)，為了消除距離保護(hù)死區(qū)，增加電流速斷保護(hù)與距離保護(hù)配合。電流速斷保護(hù)一般整定值較大，保護(hù)范圍很小。

距離保護(hù)一般是按躲過線路最大負(fù)荷整定，所以整定值較小。當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生高阻接地故障時，距離保護(hù)不能正確動作。因此，配置電流增量ΔI保護(hù)作為后備保護(hù)。分區(qū)所斷路器與變電所出口斷路器設(shè)置同樣的保護(hù)，只是整定值有所區(qū)別。

同相貫通供電牽引網(wǎng)、變電所出口、分區(qū)所斷路器設(shè)置如圖3所示。

圖3 同相貫通供電牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

牽引網(wǎng)具體保護(hù)配置如表2所示。

表2 牽引網(wǎng)保護(hù)配置一覽表

3 結(jié)論與展望

以電力電子器件和控制理論為基礎(chǔ)的貫通供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路內(nèi)部的同相聯(lián)網(wǎng)，消除或大大減輕對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量影響，徹底解決高速電氣化鐵路電能質(zhì)量問題，是理想可行的新型牽引供電方案。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）在正常工作甚至更寬的范圍內(nèi)，電力系統(tǒng)的電壓偏差與波動、電源頻率偏差等與牽引供電系統(tǒng)自身電壓調(diào)整互不影響，可各自獨(dú)立進(jìn)行，諧波問題極大改善，理論上為零。實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)零干擾或低干擾隔離。

（2）不存在負(fù)序問題。負(fù)序在運(yùn)行中經(jīng)電力電子器件的正弦調(diào)制而消除。

（3）理想情況下牽引供電系統(tǒng)只從公用電網(wǎng)取得三相正序有功電流。

（4）減少電分相環(huán)節(jié)，并為電氣化鐵路高速、重載提供保證。

本文僅從理論上設(shè)計(jì)了適用于同相貫通供電的繼電保護(hù)方案，為進(jìn)一步完善貫通供電保護(hù)配置，還需進(jìn)行大量保護(hù)整定仿真實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐。

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