全并聯(lián)AT雙邊供電方式的故障測距方法

馬燕寧

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

全并聯(lián)AT雙邊供電方式的故障測距方法

馬燕寧

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

高速鐵路已經(jīng)成為我國鐵路的必然發(fā)展趨勢。介紹了適宜于高速鐵路發(fā)展的雙邊供電方式，對雙邊供電方式下全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的等值電路進(jìn)行了分析和仿真，在等值電路的基礎(chǔ)上研究了全并聯(lián)AT雙邊供電方式的故障測距方法，并提出了基本的測距流程。

雙邊供電；全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)；故障測距

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，鐵道的發(fā)展成為交通運(yùn)輸?shù)暮诵膯栴}。為了解決客貨運(yùn)量嚴(yán)重的飽和與鐵路運(yùn)輸能力之間的矛盾，中國將提升鐵路運(yùn)行速度，增大鐵路運(yùn)營密度作為鐵路發(fā)展的重點(diǎn)。電氣化鐵道一般采用單邊電源供電。在這種供電方式下，為了減小單相負(fù)荷引起的負(fù)序電流，牽引供電系統(tǒng)通常采用換相連接的方法，這就使得兩個(gè)牽引變電所之間的分區(qū)所處存在電分相，不利于高速行車，并可能引起異相短路故障等問題。雙邊供電幾乎不需要增加相應(yīng)的專業(yè)設(shè)備，線路改造的成本低。與此同時(shí)，雙邊供電可以減少一半的電分相數(shù)量，有利于列車的高速運(yùn)行，增加了供電的可靠性[1-2]。因此，雙邊供電牽引供電系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)越性，值得進(jìn)一步研究。

1 雙邊供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

由于V/x接線牽引變壓器具有容量利用率高，供電臂電壓水平高，負(fù)序電流小等優(yōu)點(diǎn)[3]，且可以由既有單相變壓器改裝得到，因此我國全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)多數(shù)采用V/x接線牽引變壓器。結(jié)合高速鐵路普遍采用的全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)，并考慮到輪流換相接線方式，給出如圖1所示雙邊供電系統(tǒng)示意圖。

圖1 雙邊供電系統(tǒng)示意圖(加圖)

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，關(guān)合線路中間分區(qū)所開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)雙邊供電。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，先斷開分區(qū)所處斷路器，使得雙邊的供電系統(tǒng)恢復(fù)單邊供電方式，這樣可以縮小故障范圍。然后對雙邊的供電系統(tǒng)分別進(jìn)行檢查，判斷發(fā)生故障的系統(tǒng)，并判斷故障是發(fā)生在上下行線路上還是發(fā)生在牽引變壓器處：若故障發(fā)生在上下行線路上，可以斷開相應(yīng)的斷路器和隔離開關(guān)，將故障區(qū)段隔離，并恢復(fù)非故障區(qū)段供電；若故障發(fā)生在牽引變壓器處，則要通過斷路器和自動重合閘的配合，切除故障牽引變壓器，啟用備用變壓器；若雙邊的供電系統(tǒng)中有一個(gè)變電所無法實(shí)現(xiàn)供電，可由另一邊的變電所對其供電區(qū)段進(jìn)行供電，原理與越區(qū)供電相似[4]。

2 雙邊供電方式等值電路分析

全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網(wǎng)T-R短路電路圖如圖2所示[5]。為了簡便分析與計(jì)算，不考慮牽引變壓器內(nèi)部阻抗的影響，即認(rèn)為雙邊供電時(shí)兩個(gè)相鄰變電所的電壓是相等的。假設(shè)AT變壓器為理想變壓器。圖2中，LA為變電所A方向第一個(gè)AT所到短路點(diǎn)的距離，單位km；D為短路點(diǎn)所在AT段的長度，單位km；X為變電所A方向與短路點(diǎn)最近的AT所到短路點(diǎn)的距離，單位km；L為供電臂總長度，單位km。

圖2 全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網(wǎng)短路電路圖

由文獻(xiàn)[6]中所闡述的單邊供電方式下的單線AT供電方式的等值電路推導(dǎo)方式，等效推導(dǎo)出全并聯(lián)AT雙邊供電方式的T-R短路等值電路，如圖3所示。由于兩側(cè)變電所的距離一般在50～70 km，其線路長度遠(yuǎn)小于電壓波長，可以忽略空間對線路參數(shù)的影響，因此這里的等值電路采用集總參數(shù)模型，未考慮分布參數(shù)特性。圖3中,Z1=(ZT+ZRF-ZTR-ZTF)/2,Z2=ZR+(ZT+ZTF-ZRF-3ZTR)/2,Z3=(ZF-ZT)/4+(ZTR-ZRF)/2。

圖3 全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網(wǎng)T-R短路等值電路(1)

為了計(jì)算和分析更加直觀，對圖3中并聯(lián)區(qū)段進(jìn)行合并，并對短路處進(jìn)行△-Y轉(zhuǎn)換，可以得到圖4所示等值電路(2)。

圖4 全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網(wǎng)T-R短路等值電路(2)

圖5 供電牽引網(wǎng)T-R短路等值電路(3) 圖6 供電牽引網(wǎng)T-R短路等值電路(4)

前文已假設(shè)雙邊供電時(shí)兩個(gè)相鄰變電所的電壓是相等的，則對圖6中兩邊電流進(jìn)行分析可知LAZAAIa=(L-LA)ZAAIb,LA=LIb/(Ia+Ib)。因此，在測得兩邊變電所流出電流的基礎(chǔ)上，可求出LA的值，即T-R短路點(diǎn)距離變電所A方向第一個(gè)AT所的距離。

在單邊供電的全并聯(lián)AT供電方式下，一般采用“AT中性點(diǎn)吸上電流比”、“橫連線電流比”和“轉(zhuǎn)移阻抗法”等方法進(jìn)行故障測距[7-9]。但在全并聯(lián)AT雙邊供電方式下，根據(jù)上述故障測距的原理，通過在兩邊變電所安裝故障測距裝置，測得兩邊變電所流出電流的值，集中后進(jìn)行簡單計(jì)算，即可完成故障測距，相比較之前提到的幾種原理，本原理更加簡單。

3 故障測距方案仿真分析

根據(jù)圖2，搭建Matlab/Simulink的全并聯(lián)AT雙邊供電方式仿真模型，其主要參數(shù)為：兩個(gè)牽引變電所間的牽引網(wǎng)供電臂長度為60 km，其中各AT段長度分別為15 km、16 km、14 km、15 km；AT變壓器容量32 MVA，漏抗0.15+j0.6；牽引網(wǎng)線路阻抗值如表1所示。根據(jù)LA=LIb/(Ia+Ib)計(jì)算出LA的仿真結(jié)果，如表2所示。

表1 牽引網(wǎng)線路阻抗線路阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/ΩzT0．2314+j0．6813zTR0．05+j0．4133zT1-T20．05+j0．3288zR1-T20．05+j0．2918zF0．14+j0．5826zTF0．05+j0．3137zT1-R20．05+j0．2918zR1-R20．05+j0．3140zR0．212+j0．7643zFR0．05+j0．3053zT1-F20．05+j0．3169zR1-F20．05+j0．2802

由表2仿真結(jié)果可以看出，故障測距方法與實(shí)際情況存在一定誤差，原因是故障原理未考慮變壓器漏抗，但總體來說，故障測距方法誤差不超過0.05 km。

4 雙邊供電方式的故障測距方案

4.1 故障測距的啟動

在接觸網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，兩邊變電所的數(shù)據(jù)采集裝置持續(xù)對變電站的交流電流量進(jìn)行采集。當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障測距單元在繼電保護(hù)動作下啟動。故障測距單元采用內(nèi)部啟動和外部啟動的雙啟動方式，內(nèi)部啟動是指根據(jù)繼電保護(hù)綜合裝置的內(nèi)部保護(hù)判斷程序(如：自適應(yīng)距離保護(hù)程序、低電壓啟動的過電流保護(hù)程序等)，判定保護(hù)啟動時(shí)，同時(shí)啟動故障測距單元程序；外部啟動是指根據(jù)饋線保護(hù)裝置(保護(hù)繼電器)的動作信號來啟動故障測距單元，兩者本質(zhì)上是一致的。在內(nèi)部啟動失效的情況下，外部啟動將強(qiáng)制啟動故障測距單元，從而保證了故障測距的順利啟動。由于兩邊變電站故障測距單元的啟動采用同一信號來源，可以最大限度的實(shí)現(xiàn)兩邊故障電流量的同時(shí)性。

表2 故障測距仿真結(jié)果實(shí)際故障距離/kmIa/AIb/A仿真計(jì)算故障距離/km實(shí)際故障距離/kmIa/AIb/A仿真計(jì)算故障距離/km028437．513．260．02361649．292471．9435．9964882．81543．886．01421577．633669．8141．96124658．441167．8812．02481169．634656．2747．95183680．941581．5618．0354542．624869．3853．97242460．941640．63246012．3128375．6759．98303857．193848．2329．97

4.2 故障數(shù)據(jù)的傳送

故障測距單元啟動以后，根據(jù)故障測距原理的要求，需要將其中一邊變電站的電流量傳送到另一變電站的故障測距單元處，進(jìn)行故障距離計(jì)算。根據(jù)我國目前鐵道通信發(fā)展的形勢，可以采用兩種形式傳送信息量，即利用遠(yuǎn)動通道和鋪設(shè)故障測距的專用信息傳送通道。利用遠(yuǎn)動通道傳送信息的優(yōu)點(diǎn)是不用增加投資，系統(tǒng)改造工程量小，缺點(diǎn)是信息傳輸?shù)臅r(shí)間延遲比較嚴(yán)重；鋪設(shè)故障測距的專用信息傳送通道的優(yōu)點(diǎn)是信息傳輸?shù)臅r(shí)間延遲很小，缺點(diǎn)是要額外鋪設(shè)專用通道，增加了系統(tǒng)改造的工程量和成本?？紤]全并聯(lián) AT雙邊供電方式的主要應(yīng)用范圍是高速鐵路客運(yùn)專線，其安全性和穩(wěn)定性的要求非常高，因此選用鋪設(shè)故障測距的專用信息傳送通道的方式更能滿足要求。

4.3 故障測距流程圖

根據(jù)上述分析，給出全并聯(lián)AT雙邊供電方式故障測距的流程如圖7。

5 結(jié)論

根據(jù)全并聯(lián)AT雙邊供電方式的結(jié)構(gòu)和等值電路，提出了新型的故障測距原理。該原理計(jì)算簡單，經(jīng)仿真證明準(zhǔn)確有效，并同時(shí)適用于T-R短路和T-F短路，但并不能分辨出兩種短路的不同，不能作為故障類型判斷的依據(jù)。在原理的基礎(chǔ)上，分析了全并聯(lián)AT雙邊供電方式故障測距的流程圖，為后續(xù)故障測距裝置的研發(fā)提供了參考。

[1]李強(qiáng). 客運(yùn)專線雙邊供電方案研究[D].成都：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，2011.

[2]李波. 高速鐵路雙邊供電繼電保護(hù)方案研究[D].成都：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，2011.

[3]徐紅紅，張雷.AT牽引供電方式的分析及應(yīng)用[J].鐵道運(yùn)營技術(shù)，2007，13(4):8-11.

[4]周娟，陳小川，何順江. 同相AT牽引網(wǎng)供電方式及保護(hù)方案研究[J].電氣化鐵道，2007(5):1-4.

[5]辛成山，張美娟. 交流電氣化鐵道雙邊供電研究[J].電氣化鐵道，1998(2):6-11.

[6]辛成山. AT供電系統(tǒng)等值電路推導(dǎo)方法[J].電氣化鐵道，1999(1)：17-20,35.

[7]鮑英豪. 全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)饋線保護(hù)與故障測距方案研究[D].成都：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，2008.

[8]盧濤，韓正慶，王繼芳.全并聯(lián)AT供電方式的故障測距方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2006，18(2)：27-30.

[9]王繼芳. 全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)故障測距研究[D].成都：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，2006.

(責(zé)任編輯 劉憲福)

Fault Location Method forBilateral All-parallel AT Traction Power Supply System

Ma Yanning

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

High speed railway has become the inevitable development trend of railway in our country. This paper introduces the bilateral power supply system that is suitable for high speed railway development, and analyzes and simulates the equivalent circuit of the bilateral all-parallel AT power supply system. On the basis of the equivalent circuit, fault location method for the bilateral all-parallel AT power supply system is studied, and the basic ranging process is put forward.

bilateral power supply; all-parallel AT traction system; fault location method

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.17

2013-12-06

馬燕寧 女 1989年出生 碩士研究生

U226.5

A

2095-0373(2014)03-0079-05