復(fù)線電氣化鐵路供電臂控制保護(hù)方案研究

摘 要：針對蘭新線某牽引變電所試運(yùn)行期間的一起饋線保護(hù)跳閘事故，介紹了采用直接供電方式的復(fù)線電氣化鐵路的特點(diǎn)，在分析傳統(tǒng)的牽引變電所和分區(qū)所供電臂控制保護(hù)方案不足的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的供電臂控制保護(hù)方案。通過在全線各所亭之間增設(shè)專用數(shù)字通信通道，實(shí)現(xiàn)牽引變電所與分區(qū)所之間信息共享，達(dá)到快速切除供電臂故障和防止供電臂上各開關(guān)誤操作的目的，提高了供電可靠性和調(diào)度自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；牽引供電系統(tǒng)；供電臂；控制；保護(hù)

引言

2011年7月19日，蘭新線某牽引變電所在試運(yùn)行期間，變電所饋線斷路器213距離保護(hù)I段動(dòng)作，900ms后饋線斷路器214電流增量保護(hù)動(dòng)作，分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器272保護(hù)未動(dòng)作。故障發(fā)生在213斷路器對應(yīng)的供電臂下行，按理說該故障應(yīng)由饋線斷路器213和分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器272之間的保護(hù)配合迅速切除，而不應(yīng)影響上行供電臂的正常供電。變電所保護(hù)裝置的跳閘報(bào)告顯示，213饋線保護(hù)裝置測出的短路阻抗為：R=14.52Ω，X=0.98Ω，距離保護(hù)電阻邊界值整定為16.38Ω。供電臂全長18.41km，故障點(diǎn)距變電所2km左右，所以短路點(diǎn)的接地電阻值可近似為14.52Ω，接地故障性質(zhì)為非金屬性接地。分區(qū)所距短路點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，加之接地為非金屬性接地，其測量到的短路阻抗值在距離保護(hù)的動(dòng)作區(qū)域外，距離保護(hù)無法啟動(dòng)，導(dǎo)致事故范圍擴(kuò)大。

在復(fù)線電氣化鐵路中，變電所與分區(qū)所之間的距離通常在20公里左右，兩所之間的開關(guān)無法采用電氣閉鎖防止誤操作。所以牽引變電所V停作業(yè)時(shí)，經(jīng)常由于誤操作分區(qū)所的上下行并聯(lián)斷路器而將電送至停電區(qū)段，輕則燒毀接地封線，重則會危及人身安全，這種事故在很多鐵路局都曾發(fā)生過。

為避免接觸網(wǎng)故障時(shí)上下行相互影響和防止誤操作分區(qū)所斷路器，在復(fù)線電氣化鐵路開通初期，只要接觸網(wǎng)末端電壓能夠滿足規(guī)范要求，運(yùn)營單位大多選擇將分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器退出運(yùn)行。

針對上述問題，文章提出了一種新型的復(fù)線電氣化鐵路供電臂控制保護(hù)方案，通過實(shí)現(xiàn)變電所與分區(qū)所之間信息共享，達(dá)到快速切除供電臂故障的目的和防止供電臂上各開關(guān)誤操作。

1 復(fù)線電氣化鐵路的特點(diǎn)

在復(fù)線電氣化鐵路中，主要采用直接供電方式、BT（Booster Transformer）供電方式和AT（Autotransformer）供電方式。鐵路沿線一般每40至50公里設(shè)置一座牽引變電所，牽引變電所之間設(shè)置分區(qū)所，上下行供電臂在分區(qū)所通過斷路器實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。當(dāng)供電臂上發(fā)生故障時(shí)，通過牽引變電所饋線斷路器和分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器對應(yīng)的保護(hù)裝置在保護(hù)定值和動(dòng)作時(shí)限方面的配合實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離和恢復(fù)供電[1-3]。

以蘭新線烏西至阿拉山口段電氣化改造工程所采用的直接供電方式為例，其供電臂示意圖如圖1所示。當(dāng)斷路器211、212合閘向接觸網(wǎng)正常供電時(shí)，合分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器271；當(dāng)相鄰兩牽引變電所的211、212、213、214饋線斷路器均處于分閘狀態(tài)時(shí)，分區(qū)所2001、2002越區(qū)隔離開關(guān)可進(jìn)行分合閘操作。分區(qū)所的運(yùn)行方式完全由相鄰的牽引變電所決定。

圖1 直接供電方式供電臂示意圖

2 傳統(tǒng)控制保護(hù)方案及其缺點(diǎn)

2.1 傳統(tǒng)控制保護(hù)方案

傳統(tǒng)的保護(hù)方案是在牽引變電所和分區(qū)所中分別設(shè)置饋線保護(hù)測控裝置，直接動(dòng)作于對應(yīng)的斷路器。牽引變電所和分區(qū)所的饋線保護(hù)測控裝置通過保護(hù)定值和動(dòng)作時(shí)限的配合來滿足繼電保護(hù)的選擇性，同時(shí)，牽引變電所的饋線保護(hù)作為分區(qū)所饋線保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)。

目前電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的控制方案一般都是通過繼電器邏輯回路實(shí)現(xiàn)對開關(guān)設(shè)備的控制、斷路器與隔離開關(guān)的聯(lián)動(dòng)和聯(lián)鎖。

2.2 傳統(tǒng)控制保護(hù)方案的缺點(diǎn)

由于各牽引變電所、分區(qū)所等所亭的控制保護(hù)裝置各自構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，相互之間沒有信息交換，只與牽引調(diào)度中心進(jìn)行信息交換[4-6]。因此，必然會存在以下幾個(gè)問題：（1）在某些故障情況下，分區(qū)所饋線保護(hù)易拒動(dòng)，導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大；（2）缺乏供電臂內(nèi)牽引變電所饋線斷路器與分區(qū)所開關(guān)的聯(lián)鎖，易誤操作；（3）缺乏供電臂內(nèi)牽引變電所饋線斷路器與分區(qū)所開關(guān)的條件控制能力，系統(tǒng)不具備自動(dòng)工況控制功能，供電臂運(yùn)行方式的改變只能通過人工完成。

3 新型控制保護(hù)方案

為了解決傳統(tǒng)控制保護(hù)方式存在問題，文章提出了一種新型的復(fù)線電氣化鐵路供電臂控制保護(hù)方案，基本思想是：利用遠(yuǎn)動(dòng)通道或?qū)Ｓ脭?shù)字通道實(shí)現(xiàn)牽引變電所和分區(qū)所之間的信息共享，使分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器與變電所的饋線斷路器實(shí)現(xiàn)聯(lián)跳，達(dá)到快速切除故障線路的目的，防止事故范圍擴(kuò)大；增加軟件閉鎖功能實(shí)現(xiàn)牽引變電所饋線斷路器和分區(qū)所開關(guān)之間的聯(lián)動(dòng)和聯(lián)鎖，防止誤操作。

變電所饋線斷路器通過遠(yuǎn)動(dòng)通道或?qū)Ｓ猛ㄐ磐ǖ琅c分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器實(shí)現(xiàn)聯(lián)跳，即變電所饋線保護(hù)或分區(qū)所保護(hù)裝置任何一方在接收到對方發(fā)出的動(dòng)作信號后，即啟動(dòng)跳閘回路。斷路器聯(lián)跳保護(hù)在地鐵饋線保護(hù)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[7-8]，只是實(shí)現(xiàn)的方式與文章所采用的不同。為保證控制保護(hù)的可靠性，筆者推薦采用2M專用通信通道將全線牽引變電所和分區(qū)所貫通，不必成環(huán)網(wǎng)。該控制保護(hù)方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1 保護(hù)方案

以圖1所示的供電臂為例，分正常供電變電所饋線斷路器先動(dòng)作、正常供電分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器先動(dòng)作和越區(qū)供電三種情況說明。

3.1.1 正常供電變電所饋線斷路器先動(dòng)作

當(dāng)下行方向供電臂上發(fā)生故障且變電所饋線保護(hù)測控裝置先檢測到故障，供電臂的保護(hù)方案如下：

（1）211饋線保護(hù)測控裝置檢測到故障信息，給211斷路器發(fā)出跳閘命令，同時(shí)通過專用通道給271斷路器保護(hù)測控裝置發(fā)跳閘信號；

（2）271斷路器保護(hù)測控裝置收到變電所饋線跳閘信號后，控制271斷路器跳閘；

（3）211饋線保護(hù)測控裝置啟動(dòng)一次重合閘，如重合閘成功，則給271斷路器保護(hù)測控裝置發(fā)重合閘信號啟動(dòng)271斷路器重合閘；反之，則不啟動(dòng)。

如上行方向供電臂上發(fā)生故障時(shí)，212饋線保護(hù)測控裝置給212斷路器發(fā)出跳閘命令，同時(shí)通過專用通道給271斷路器保護(hù)測控裝置發(fā)跳閘信號，其保護(hù)方案與下行供電臂故障時(shí)相同。

3.1.2 正常供電分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器先動(dòng)作

（1）271饋線保護(hù)測控裝置檢測到故障信息，給271斷路器發(fā)出跳閘命令，由故障電流的方向判斷故障發(fā)生在上行還是下行，通過專用通道給相應(yīng)的變電所饋線保護(hù)測控裝置發(fā)跳閘信號；

（2）變電所饋線保護(hù)測控裝置收到分區(qū)所保護(hù)跳閘信號后，控制饋線斷路器跳閘；

（3）變電所饋線保護(hù)測控裝置啟動(dòng)一次重合閘，如重合閘成功，則給271斷路器保護(hù)測控裝置發(fā)重合閘信號啟動(dòng)271斷路器重合閘；反之，則不啟動(dòng)。

3.1.2 越區(qū)供電

越區(qū)供電時(shí)分區(qū)所上下行并聯(lián)斷路器打開，變電所饋線保護(hù)采用越區(qū)供電的整定值，供電臂發(fā)生故障時(shí)變電所饋線斷路器保護(hù)跳閘切除故障的同時(shí)，不給分區(qū)所發(fā)聯(lián)跳命令。

3.2 控制方案

牽引變電所和分區(qū)所之間通過專用通道實(shí)時(shí)傳送各自的開關(guān)位置信息，在饋線保護(hù)測控裝置里增加各開關(guān)的軟件閉鎖。以211、271斷路器和2001越區(qū)隔離開關(guān)為例：

211斷路器原合閘條件為：2111隔離開關(guān)合閘；

271斷路器原合閘條件為：2711、2712隔離開關(guān)合閘；

2001越區(qū)隔離開關(guān)原來的合分閘條件為：兩側(cè)母線電壓互感器無壓；

在新的控制方案里將原來的電氣閉鎖改為軟件閉鎖，考慮分區(qū)所兩側(cè)兩個(gè)供電臂上所有斷路器、隔離開關(guān)的聯(lián)鎖，修改后的閉鎖條件如下：

211斷路器合閘條件為：2111隔離開關(guān)合閘、271斷路器分閘；

271斷路器合閘條件為：2711、2712隔離開關(guān)合閘，211、212斷路器合閘，當(dāng)合閘條件滿足時(shí)271斷路器自動(dòng)合閘，提高調(diào)度自動(dòng)化水平；

2001越區(qū)隔離開關(guān)合分閘條件為：211、213、271、272斷路器分閘。

變電所和分區(qū)所之間的開關(guān)相互閉鎖，從技術(shù)上杜絕誤操作。同時(shí)，越區(qū)隔離開關(guān)的合、分閘操作不再與電壓互感器的電壓繼電器閉鎖，從而可以取消分區(qū)所內(nèi)電壓互感器的設(shè)置，減少故障點(diǎn)，提高分區(qū)所的供電可靠性。為實(shí)時(shí)監(jiān)測接觸網(wǎng)末端電壓，則可保留1臺電壓互感器。

4 結(jié)束語

直接供電方式具有結(jié)構(gòu)簡單、投資低、運(yùn)營維護(hù)工作量小的特點(diǎn)，是我國電氣化鐵路應(yīng)用最為廣泛的供電方式。分區(qū)所作用的正常發(fā)揮對于降低接觸網(wǎng)壓損和減少接觸網(wǎng)電能損耗意義顯著。文章針對采用直接供電方式的復(fù)線電氣化鐵路提出的新型供電臂控制保護(hù)方案克服了分區(qū)所傳統(tǒng)控制保護(hù)存在的諸多缺點(diǎn)，在提高分區(qū)所的供電可靠性的同時(shí)提高了整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的可靠性。該方案對于采用其他供電方式的復(fù)線電氣化鐵路同樣適用。

在具體實(shí)施方面仍有許多問題需要繼續(xù)研究，文章為復(fù)線電氣化鐵路供電臂控制保護(hù)方式的研究提供了一種新的思路，起拋磚引玉之作用。

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作者簡介：蔣功連（1981-），男，廣西桂林人，碩士，工程師，從事電氣化鐵道牽引變電設(shè)計(jì)的研究工作。