高速鐵路供電臂網(wǎng)絡(luò)保護方案

王 昌，熊列彬，李 星，陳海濤

0 引言

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)在電氣化鐵路運輸中擔(dān)負(fù)著向電力機車供電的重要作用，一旦發(fā)生故障，將嚴(yán)重擾亂正常的運輸秩序，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響，這就要求牽引供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、不間斷的供電[1～3]。因此，迫切要求在牽引系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，通過對牽引變電所、AT 所和分區(qū)所內(nèi)保護測控裝置的配合，實現(xiàn)對故障的快速隔離、自動重組供電系統(tǒng)以恢復(fù)供電[4]。

在高速鐵路供電方式中，全并聯(lián)AT 供電方式具有供電距離長，良好的供電特性和抗干擾能力，能夠滿足高速鐵路牽引供電穩(wěn)定可靠的要求，因而被廣泛采用。在全并聯(lián)AT 供電方式中，上下行供電臂在分區(qū)所通過斷路器實現(xiàn)并聯(lián)[5]。供電臂上發(fā)生故障時，上下行都要跳閘，然后再通過一系列保護配合實現(xiàn)故障區(qū)段的隔離。這也決定了在傳統(tǒng)的保護、控制方案中, 繼電保護功能和控制功能相對獨立，相互之間不需要進(jìn)行信息交換[6，7]。

隨著高速客運專線的發(fā)展，對牽引供電保護的選擇性和快速性提出了更高的要求，本文以供電臂為單元，通過專用網(wǎng)絡(luò)將牽引變電所、AT 所、分區(qū)所納為一個系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生故障后，通過分析該系統(tǒng)的故障信息，判斷出故障所在的供電臂，從而僅跳開故障線路，提高保護的選擇性和快速性。

1 傳統(tǒng)保護方案的動作過程

全并聯(lián)AT 供電方式如圖1 所示。上下行AT所和分區(qū)所通過2 個斷路器共用1 臺AT 變壓器，牽引變電所通過斷路器1QF、2QF 分別向上下行供電臂供電，當(dāng)要越區(qū)供電時，通過分區(qū)所（SP）實現(xiàn)對供電臂的越區(qū)供電。

圖1 全并聯(lián)AT 供電方式示意圖

當(dāng)供電臂發(fā)生故障時（如上行線路發(fā)生故障），斷路器1QF 和2QF 跳閘，停止向上行供電臂供電，此時AT 所和分區(qū)所的AT 變壓器檢有壓失敗，分別斷開斷路器3QF、4QF、5QF 和6QF，隨后，斷路器1QF 和2QF 進(jìn)行重合閘，故障所在線路（上行線路）重合閘失敗，而非故障線路（下行線路）重合閘成功，恢復(fù)對下行線路的供電，接著AT 變壓器AT2、AT4檢有壓成功，分別合上斷路器4QF和6QF，AT 變壓器正常投入工作。

從上述分析可以看出傳統(tǒng)保護方案動作過程的主要不足：

（1）當(dāng)任一供電臂發(fā)生故障時，非故障供電臂也會暫時停止供電，隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，列車的通行速度也越來越快，這樣的暫停供電勢必會影響到其他列車的正常通行，甚至影響到整個高速鐵路的調(diào)度。

（2）傳統(tǒng)保護方案中通過對牽引網(wǎng)的解裂和重合閘過程增加了斷路器的開合次數(shù)，這樣會減少斷路器的使用壽命。而且在斷路器的開合過程中可能會出現(xiàn)誤動的情況，這對整個牽引網(wǎng)來說是很大的威脅。

2 供電臂網(wǎng)絡(luò)保護方案

供電臂網(wǎng)絡(luò)保護方案的基本思想：當(dāng)阻抗保護測出供電臂發(fā)生故障時，通過專用網(wǎng)絡(luò)將安裝在AT 所、分區(qū)所內(nèi)T、R、F 線上的功率方向元件測得的功率方向信息共享到牽引變電所，不同短路點發(fā)生不同的短路故障（T-R、T-F、R-F）時，AT 所和分區(qū)所內(nèi)功率方向元件測得的功率方向都不一樣，通過對這些信息的判定，可以找出故障所在的供電臂，最后牽引供電所向故障所在供電臂的斷路器發(fā)送跳閘信號，斷開故障所在供電臂，同時打開AT 所和分區(qū)所內(nèi)的隔離開關(guān)，實現(xiàn)對故障供電臂的直接切除，且不影響非故障供電臂的正常運行。

2.1 仿真模型的建立及驗證

為了驗證上述方案的可行性，利用MATLAB建立模型進(jìn)行仿真分析，圖2 是全并聯(lián)AT 供電方式仿真圖。

仿真模型中主要有牽引供電模塊、線路模塊、AT 所和分區(qū)所以及4 個短路模塊。其中線路模塊可以設(shè)置線路的長度，通過2 個線路模塊與短路模塊的設(shè)置配合可以模擬牽引所與AT 所，AT 所與分區(qū)所之間不同地點發(fā)生不同類型的短路故障。

圖2 全并聯(lián)AT 供電方式仿真圖

為了驗證仿真模型的正確性，首先仿真不同地點發(fā)生短路故障時牽引變電所出口所測得的阻抗圖形，通過設(shè)置線路模塊的長度參數(shù)可以仿真不同地點發(fā)生短路故障，從而在牽引變電所出口斷路器處測得阻抗值并繪制成阻抗特性曲線（圖3）。

圖3 阻抗特性曲線圖

從圖3 可以看出，隨著距離變短，阻抗值慢慢減小，當(dāng)經(jīng)過AT 所時阻抗值有所增大，整個曲線呈馬鞍形，由此可以驗證整個牽引網(wǎng)的仿真模型是正確的。

2.2 功率方向的測定

在AT 所和分區(qū)所內(nèi)安裝2 臺功率方向判斷元件，如圖4 所示，功率方向元件的電流取T 線電流和F 線電流之差（IT- IF），并規(guī)定從上行線路入口到AT 變壓器以及從下行線路入口到AT 變壓器的方向為正方向。

通過AT 所、分區(qū)所內(nèi)的功率方向元件測量當(dāng)供電臂上行線路牽引所和AT 所之間（定義為短路A）、供電臂下行線路牽引所和AT 所之間（定義為短路B）、供電臂上行線路AT 所和分區(qū)所之間（定義為短路C）、供電臂下行線路AT 所和分區(qū)所之間（定義為短路D）發(fā)生短路故障（T-R、T-F、R-F）時各個功率方向元件測得的功率方向情況，并對各個功率方向元件進(jìn)行如下編號：AT 所內(nèi)上行側(cè)功率方向元件1、AT 所內(nèi)下行側(cè)功率方向元件2、分區(qū)所內(nèi)上行側(cè)功率方向元件3、分區(qū)所內(nèi)下行側(cè)功率方向元件4，并且都規(guī)定供電臂側(cè)流向A 變壓器方向為正方向（圖5）。

圖4 AT 所、分區(qū)所功率方向元件示意圖

圖5 功率方向元件安裝點及編號示意圖

當(dāng)供電臂發(fā)生T-R 短路時，通過測量T 線與F線電流之差（IT- IF）和T 線電壓來確定功率方向，測得各個不同短路點發(fā)生短路時每個功率方向元件結(jié)果（方向角大于0 表示正方向并規(guī)定為1，小于0 為負(fù)方向并規(guī)定為0）如表1 所示。

用同樣的方法可以測得當(dāng)供電臂發(fā)生T-F 故障，不同短路點發(fā)生短路故障時每個功率方向元件所測得的功率方向，其結(jié)果如表2 所示。

當(dāng)供電臂發(fā)生R-F 故障時，用同樣的方法可以測得不同短路點發(fā)生短路故障時每個功率方向元件所測得的功率方向，其結(jié)果如表3 所示。

通過上述3 種仿真結(jié)果可以得出：當(dāng)供電臂上下行不同地點（A 處、B 處、C 處、D 處）發(fā)生不同類型（T-R、T-F、R-F）短路故障時，安裝在AT所和分區(qū)所內(nèi)的功率方向元件測得的功率方向結(jié)果各不相同，通過事先定義功率方向元件1、2、3、4 分別為二進(jìn)制編碼的高位到低位，由此可知，當(dāng)故障發(fā)生在供電臂上行線路（A 處或C 處發(fā)生短路故障）時，4 個功率方向元件的編碼值分別為0111和0101；同理當(dāng)故障發(fā)生在供電臂下行線路 （B處或D 處發(fā)生短路故障）時，4 個功率方向元件的編碼值分別為1011 和1010。

表1 T-R 故障時功率方向情況表

表2 T-F 故障時功率方向情況表

表3 R-F 故障時功率方向情況表

通過把安裝在T、R、F 線上4 個功率方向元件的測量結(jié)果實時地發(fā)送到遠(yuǎn)方的牽引供電所，故障發(fā)生后，牽引變電所通過監(jiān)測功率方向元件的編碼值是上述4 種情況中的哪一種就可以準(zhǔn)確地判斷出故障所在的供電臂，然后發(fā)出跳閘信號斷開故障供電臂，同時故障所在供電臂并聯(lián)隔離開關(guān)檢有壓失敗，斷開隔離開關(guān)，非故障供電臂繼續(xù)保持正常供電（AT 供電），這樣便可以實現(xiàn)僅對故障供電臂的切除而不影響非故障供電臂的正常運行。

3 網(wǎng)絡(luò)通信

變電所與供電調(diào)度中心采用以太網(wǎng)通信，為了實現(xiàn)牽引變電所，AT 所以及分區(qū)所之間的信息共