鄭西高鐵全并聯(lián)AT越區(qū)供電時(shí)失壓保護(hù)配置的改進(jìn)

張桂林，劉曉路

（1 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450052； 2 鄭州鐵路局 供電處，河南鄭州450052）

我國(guó)高鐵基本全部采用全并聯(lián)AT供電方式，但在全并聯(lián)AT正常供電方式及全并聯(lián)AT越區(qū)供電方式下，與之相配套的各種保護(hù)尚處于探索階段，大部分保護(hù)沿用了既有線的保護(hù)原理，運(yùn)行起來(lái)存在問(wèn)題，需要在運(yùn)行實(shí)踐中不斷有效地改進(jìn)，提高供電的質(zhì)量和可靠性。

1 全并聯(lián)AT供電的基本概念和特點(diǎn)

1.1 全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)是在復(fù)線AT牽引網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將上下行牽引網(wǎng)的接觸線（T），鋼軌（R）和正饋線（F）在變電所出線處及AT所、分區(qū)所處通過(guò)連接線并聯(lián)起來(lái)，同一方向的上下行牽引網(wǎng)由一臺(tái)變壓器供電。圖1所示為鄭西高鐵全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)。

圖1 鄭西高鐵全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)

1.2 全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)的特點(diǎn)

與其他幾種供電方式（如直接供電、BT及直接供電＋回流線等）相比，全并聯(lián)AT供電方式可以減少牽引網(wǎng)的單位長(zhǎng)度阻抗，這樣使得它具有一系列優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)相同的牽引負(fù)荷，使?fàn)恳W(wǎng)電壓損失減小到1／3，從而提高牽引網(wǎng)的效率；（2）對(duì)相同的牽引負(fù)荷和相同的受電弓上的電壓降情況下，可以將牽引變電所的數(shù)量減少一半，并因此減少分區(qū)和分相點(diǎn)；（3）對(duì)相同的牽引變電所數(shù)量，使運(yùn)能增大一倍；（4）考慮到現(xiàn)有高壓線路，可以更好布置牽引變電所的地址；（5）減小對(duì)臨近住宅和鐵道場(chǎng)所的電磁和通信干擾；（6）不用將AT變壓器側(cè)的接觸線斷開(kāi)，而B(niǎo)T供電方式中每一個(gè)吸流變壓器的分段對(duì)接觸線和受電弓都是一系列的電氣和機(jī)械缺點(diǎn)。與不并聯(lián)的AT供電方式相比，在相同的負(fù)載條件下，全并聯(lián)的AT供電方式可以減少牽引網(wǎng)電力損失大約10%。同時(shí)，由于在每一AT站都進(jìn)行了并聯(lián)，負(fù)荷電流在上下行牽引網(wǎng)進(jìn)行了均分，使得線路運(yùn)行更加均衡，大大提高了供電的可靠性和帶負(fù)載能力及減少對(duì)周圍通訊的干擾。

在全并聯(lián)AT供電方式帶來(lái)諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，由于在每一個(gè)AT所及分區(qū)所進(jìn)行電氣的連接后，整個(gè)牽引網(wǎng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得極其復(fù)雜。變電所的保護(hù)配置也變得相當(dāng)復(fù)雜。當(dāng)牽引網(wǎng)線路發(fā)生短路或者斷路故障時(shí)，上下行線路同時(shí)跳閘，造成全線停電，故障區(qū)段及故障地點(diǎn)的準(zhǔn)確判別也變得非常困難，不利于故障的排除和供電的及時(shí)恢復(fù)。

目前，在我國(guó)高速鐵路全并聯(lián)AT供電的管理同高速鐵路的其他專業(yè)一樣，尚處于探索階段。與之相配套的各種保護(hù)大部分沿用了既有線的保護(hù)原理，運(yùn)用中不可避免存在問(wèn)題。

2 全并聯(lián)AT越區(qū)供電

2.1 全并聯(lián)AT越區(qū)供電

高鐵全并聯(lián)AT供電時(shí)，當(dāng)某一牽引變電所因故障不能正常供電時(shí)，故障變電所擔(dān)負(fù)供電任務(wù)的供電臂經(jīng)有關(guān)分區(qū)所開(kāi)關(guān)設(shè)備與相鄰供電臂接通，同時(shí)有關(guān)AT所開(kāi)關(guān)設(shè)備也要做相對(duì)應(yīng)的調(diào)整，由相鄰牽引變電所進(jìn)行臨時(shí)供電。這種供電方式稱越區(qū)供電。

2.2 鄭西高鐵全并聯(lián)AT越區(qū)供電保護(hù)存在的問(wèn)題

如圖2所示，當(dāng)變電所2全所停電，變電所1向變電所2越區(qū)，這時(shí)變電所1的斷路器211和212饋線保護(hù)整定值要由正常的供電方式定值調(diào)整為越區(qū)方式的定值，具體為由0區(qū)切換到1區(qū)；同時(shí)，在分區(qū)所的斷路器273和274保護(hù)定值也要由0區(qū)切換到1區(qū)，即投入電流增量保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、阻抗Ⅰ段保護(hù)等。

正常AT供電方式下的跳閘程序?yàn)椋寒?dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，變電所斷路器211，212跳閘，AT所和AT分區(qū)所失壓，其斷路器271，272因失壓保護(hù)相繼跳閘；若線路故障為瞬時(shí)性，2 s后斷路器211和212重合閘。此時(shí)，在AT所、分區(qū)所因?yàn)闄z有壓，AT所3 s重合閘、分區(qū)所4 s重合閘。鄭西高鐵在AT所和分區(qū)所饋線設(shè)置的失壓保護(hù)是在后備自投微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)（主要是為兩臺(tái)自耦變壓器設(shè)置的），當(dāng)線路無(wú)壓時(shí)，從線路外側(cè)電壓互感器采集到無(wú)壓，失壓保護(hù)出口作用于饋線保護(hù)裝置內(nèi)的操作回路然后使斷路器271，272，或273，274跳閘；當(dāng)線路有壓時(shí)，從線路外側(cè)電壓互感器采集到電壓，檢有壓出口作用于饋線保護(hù)測(cè)控裝置的操作回路使斷路器271，272或273，274合閘。

越區(qū)供電時(shí)，在被越區(qū)段發(fā)生故障，如果保護(hù)的選擇性恰當(dāng)，無(wú)論是瞬時(shí)性或永久性故障，均應(yīng)該按照正常的邏輯選擇性動(dòng)作?？墒窃谠絽^(qū)段，當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)性故障，越區(qū)段斷路器211和212重合成功后，分區(qū)所斷路器271，272保護(hù)測(cè)控裝置檢到有壓后斷路器271，272合閘，當(dāng)電壓通過(guò)越區(qū)隔離開(kāi)關(guān)2001，2002時(shí)，電壓互感器3YH，4YH，7 YH，8YH采不到電壓，因電壓互感器在斷路器外側(cè)，被越區(qū)段的斷路器273，274測(cè)控裝置不能檢到有壓而合閘，從而導(dǎo)致被越區(qū)段停電。線路本來(lái)是瞬時(shí)性故障，卻導(dǎo)致有一半線路處于無(wú)電狀態(tài)，這時(shí)，需要人工對(duì)分區(qū)所斷路器273，274進(jìn)行合閘。大大降低了高鐵供電的可靠性。

圖2 全并聯(lián)AT越區(qū)供電模型圖

2.3 全并聯(lián)越區(qū)時(shí)對(duì)失壓保護(hù)的解決方案

（1）方案1：增加PT柜

方案1（如圖3所示）是在分區(qū)所斷路器271，272和273，274內(nèi)側(cè)母線上增加4臺(tái)電壓互感器（圖中的9YH，10YH，11YH，12 YH）。平時(shí)不越區(qū)時(shí)，此4臺(tái)電壓互感器置于撤出位，當(dāng)越區(qū)時(shí)，只將被越區(qū)段的電壓互感器投入。例如變電所1向變電所2越區(qū)時(shí)，靠近斷路器273，274側(cè)的電壓互感器（11 YH，12 YH）投入使用；變電所2向變電所1越區(qū)時(shí)，靠近斷路器271，272側(cè)的電壓互感器（9 YH，10 YH）投入使用。

一旦越區(qū)段或被越區(qū)段出現(xiàn)短路故障時(shí)，將按照以下順序動(dòng)作：被越區(qū)段出現(xiàn)瞬時(shí)性故障時(shí)，首先，斷路器273，274保護(hù)的電流速斷或阻抗Ⅰ段動(dòng)作，重合閘動(dòng)作成功；一旦斷路器273，274保護(hù)無(wú)選擇性，變電所1跳閘時(shí)，AT所1的斷路器271，272失壓跳閘，分區(qū)所的斷路器272，271失壓保護(hù)跳閘，2 s后，變電所1的斷路器211，212重合成功，3 s后AT所1的斷路器271，272檢有壓重合成功，4 s后分區(qū)所斷路器271，272檢有壓合閘成功，同時(shí)越區(qū)電壓互感器11 YH，12 YH檢到有壓，斷路器273，274檢有壓合閘成功。

圖3 全并聯(lián)越區(qū)供電失壓保護(hù)改造示意圖

越區(qū)段出現(xiàn)瞬時(shí)性故障時(shí)，變電所1的斷路器211，212同時(shí)跳閘，AT所、分區(qū)所的失壓保護(hù)動(dòng)作，AT所的斷路器271，272、分區(qū)所的斷路器271，272，273，274相繼跳閘，當(dāng)變電所的斷路器211，212重合成功后，AT所和分區(qū)所檢到有壓，AT所的斷路器271，272，分區(qū)所的斷路器273，274相繼在3 s和4 s后檢有壓合閘。此時(shí)，供電處于正常狀態(tài)。

上述方案增加一套4 YH的PT柜，需要費(fèi)用40多萬(wàn)元，加上其他輔助材料，工程總預(yù)算需60萬(wàn)元左右。而且施工難度大，既需要拆柜子，還要抽真空等，所以采用此方案將增加投資成本。

（2）方案2：改變保護(hù)狀態(tài)

在原保護(hù)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)失壓保護(hù)時(shí)只跳閘而不告警（或只告警而不跳閘），為此在原失壓保護(hù)邏輯中增加自動(dòng)重合閘功能，刪去告警與邏輯的輸入非門，改變?cè)罕Ｗo(hù)時(shí)要么告警，要么跳閘的邏輯。

將備自投裝置的失壓保護(hù)程序下到斷路器271，272，273，274的保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)，將備自投裝置內(nèi)的失壓保護(hù)出口至斷路器271，272，273，274的跳閘回路切斷。即在正常運(yùn)行方式下，斷路器271，272，273，274的保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)的0區(qū)設(shè)失壓保護(hù)，在越區(qū)供電時(shí)的1區(qū)也設(shè)置失壓保護(hù)。

正常運(yùn)行方式下，分區(qū)所斷路器271，272和斷路器273，274的保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)的0區(qū)裝上失壓保護(hù)程序，其動(dòng)作時(shí)間和檢有壓時(shí)間與設(shè)在備自投裝置的時(shí)間一樣。

當(dāng)越區(qū)時(shí)（如變電所1向變電所2越區(qū)時(shí)），分區(qū)所斷路器273，274的定值要切換到1區(qū)，1區(qū)設(shè)置的失壓保護(hù)如下：

將失壓保護(hù)程序移植到饋線保護(hù)裝置的1區(qū)內(nèi)，摒棄檢有壓重合閘，增加失壓保護(hù)啟動(dòng)重合閘功能。

原失壓保護(hù)是設(shè)在備自投裝置內(nèi)，當(dāng)變電所跳閘后，備自投裝置檢無(wú)壓而出口作用于饋線斷路器跳閘，當(dāng)檢到有壓時(shí)，分區(qū)所的饋線斷路器271，272，273，274才能重合閘。如果變電所1向變電所2越區(qū)，271，272的保護(hù)裝置保護(hù)定值區(qū)不變（0區(qū)），273，274的饋線保護(hù)裝置要從0區(qū)切換到1區(qū)，當(dāng)變電所跳閘失壓時(shí)，仍然是備自投裝置1失壓出口作用于271，272跳閘，備自投裝置2失壓出口作用于273，274跳閘?，F(xiàn)在要采取的改造方案是將備自投保護(hù)裝置內(nèi)的失壓保護(hù)功能剔除，分別在饋線斷路器271，272，273，274的保護(hù)裝置內(nèi)的0區(qū)和1區(qū)設(shè)失壓保護(hù)，在0區(qū)設(shè)失壓保護(hù)和檢有壓重合閘，在1區(qū)設(shè)失壓保護(hù)和失壓保護(hù)自動(dòng)重合閘功能（如圖4所示），正常供電方式下，投入0區(qū)保護(hù)，按前述邏輯方式動(dòng)作；越區(qū)時(shí)，一旦發(fā)生越區(qū)段瞬時(shí)性故障，如距離一段，變電所0.2 s跳閘，AT所斷路器和分區(qū)所的斷路器271，272檢無(wú)壓后跳閘，而分區(qū)所的273，274在檢無(wú)壓后應(yīng)在2.5 s后跳閘，跳閘時(shí)啟動(dòng)重合閘2 s重合。這樣，從變電所到AT所再到分區(qū)所斷路器271，272及273，274的合閘時(shí)間依次為2 s（變電所自動(dòng)重合閘）→3 s（AT所檢有壓合閘1 s）→4 s（分區(qū)所的271，272檢有壓2 s合閘）→4.5 s（分區(qū)所的273，274自動(dòng)重合閘）。

經(jīng)過(guò)此改造后，既滿足跳閘功能也滿足了失壓保護(hù)功能。

圖4 改進(jìn)后1區(qū)的失壓保護(hù)邏輯

3 越區(qū)時(shí)失壓保護(hù)方案改進(jìn)的選擇

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查研究，在失壓保護(hù)方面，對(duì)提出的兩種改進(jìn)方案評(píng)估選優(yōu)，最終在鄭西高鐵選用了第2種方案，此方案投資較少、易于實(shí)現(xiàn)，但需要對(duì)微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置模塊中各種保護(hù)的邏輯關(guān)系認(rèn)真分析研究，確保邏輯關(guān)系正確無(wú)誤才能進(jìn)行；改造中一旦出錯(cuò)，將造成不可預(yù)料的后果。而第1種方案盡管原理簡(jiǎn)單、邏輯清晰，終因投資成本增加較多，施工難度較大被擱置。

4 結(jié)束語(yǔ)

在鄭西高鐵全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)運(yùn)行中，鑒于高鐵牽引變電所在越區(qū)供電時(shí)失壓保護(hù)出現(xiàn)的缺陷，尤其是當(dāng)越區(qū)段出現(xiàn)瞬時(shí)性故障導(dǎo)致被越區(qū)段因失壓不能及時(shí)送電，曾經(jīng)幾度影響行車的實(shí)際情況，對(duì)既有設(shè)備進(jìn)行了一系列的改進(jìn)。

改進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)保護(hù)邏輯進(jìn)行修改實(shí)現(xiàn)軟件保護(hù)功能的改進(jìn)和強(qiáng)化，在保證不與其他重合閘時(shí)間發(fā)生沖突的前提下，增加了失壓保護(hù)啟動(dòng)重合閘功能，并順利移植入微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置模塊中。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，在靈敏度方面和選擇性方面與牽引變電所其他保護(hù)裝置能夠有效地配合，可以說(shuō)是非常成功的，有效地解決了長(zhǎng)期困擾鄭西高鐵越區(qū)供電的一個(gè)瓶頸，取得了預(yù)期的效果，對(duì)高鐵全并聯(lián)AT供電方式保護(hù)的發(fā)展有著積極的推進(jìn)作用。

［1］潘啟敬.牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1993.

［2］王永康.繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

［3］曹建猷.電氣化鐵道供電系統(tǒng)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1987.

［4］賀威俊，簡(jiǎn)克良.電氣化鐵道供變電工程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1996.

［5］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［6］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)（第2版）［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.