基于車-網(wǎng)同步測(cè)試的牽引變電所饋線保護(hù)誤動(dòng)分析

王雙全，于海順，劉曉華

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266000）

0 引言

2019年末，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到13.9萬km，其中高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到3.5萬km，保持世界第一的運(yùn)營(yíng)規(guī)模［1］。牽引供電系統(tǒng)作為電氣化鐵路的唯一動(dòng)力來源，決定著電力機(jī)車能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著2019年京張高鐵、成貴高鐵等51條新線建成投運(yùn)，“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)日益完善。隨著大量動(dòng)車組跨線運(yùn)行，車-網(wǎng)耦合系統(tǒng)電氣匹配問題日益凸顯，可能影響牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［2-4］，例如，引起牽引網(wǎng)壓波動(dòng)造成的低頻振蕩、牽引網(wǎng)高次諧波諧振引起避雷器損毀等問題［5-7］。

以某高鐵線路典型區(qū)段為例，基于車-網(wǎng)耦合系統(tǒng)同步測(cè)試，研究動(dòng)車組牽引負(fù)荷特性變化規(guī)律，分析其對(duì)牽引變電所饋線出口處等效測(cè)量阻抗的影響，探究牽引變電所饋線保護(hù)阻抗Ⅰ段誤動(dòng)的原因，以更好地提升車-網(wǎng)耦合系統(tǒng)的匹配性能，保證高速動(dòng)車組安全并高質(zhì)運(yùn)行。

1 高鐵牽引供電系統(tǒng)保護(hù)原理

高速鐵路AT供電方式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。當(dāng)供電臂上發(fā)生故障時(shí)，牽引供電系統(tǒng)中各位置的斷路器將會(huì)執(zhí)行以下動(dòng)作［8］：

（1）牽引變電所出口處的QF1、QF2斷路器迅速跳閘，此時(shí)上下行供電臂失壓；

（2）AT所與分區(qū)所內(nèi)的QF3、QF4、QF5、QF6斷路器全部跳閘，此時(shí)上下行供電臂解列為單線直供方式；

（3）牽引變電所出口處的QF1和QF2斷路器重合閘；

（4）AT所與分區(qū)所內(nèi)的QF3、QF4、QF5和QF6斷路器按一定次序進(jìn)行檢有壓合閘。

通過上述4個(gè)步驟，既有牽引網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路的隔離和對(duì)非故障線路的供電恢復(fù)。目前高速鐵路牽引變電所出口處斷路器主要配置阻抗Ⅰ段保護(hù)、電流速斷保護(hù)、電流增量保護(hù)和自動(dòng)重合閘裝置。阻抗Ⅰ段保護(hù)用于保護(hù)整個(gè)供電臂全長(zhǎng)，電流速斷保護(hù)和電流增量保護(hù)作為后備保護(hù)［9-10］。

圖1 高速鐵路AT供電方式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 車-網(wǎng)同步測(cè)試

車-網(wǎng)同步測(cè)試分為牽引變電所測(cè)試和動(dòng)車組跟車測(cè)試。牽引變電所牽引變壓器采用由2臺(tái)單相接線變壓器組成的V/x接線變壓器。在測(cè)試過程中，分別對(duì)高壓側(cè)三相電壓與電流、牽引側(cè)母線電壓、各條饋線電流等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（見圖2，▲為測(cè)點(diǎn)位置）。

動(dòng)車組對(duì)總輸入網(wǎng)流和網(wǎng)壓進(jìn)行檢測(cè)，以CRH某型動(dòng)車組為例的測(cè)試裝置安裝示意見圖3（▲為測(cè)點(diǎn)位置）。

圖2 牽引變電所測(cè)試示意圖

圖3 動(dòng)車組測(cè)試裝置安裝示意圖

3 案例分析

3.1 錄波數(shù)據(jù)分析

某新型動(dòng)車組進(jìn)入高速鐵路典型區(qū)段牽引變電所至分區(qū)所供電區(qū)間運(yùn)行時(shí)，變電所內(nèi)T母線電壓、上行T線與F線電流分布見圖4。T母線電壓跌落持續(xù)時(shí)長(zhǎng)22 s，此時(shí)上行T線電流有效值為1 500 A，上行F線電流有效值為563 A，牽引變電所T母線電壓有效值最低為20.03 kV，分區(qū)所T母線瞬時(shí)電壓最低僅為17.52 kV，引起牽引變電所阻抗保護(hù)動(dòng)作。

在發(fā)生跳閘故障時(shí)，該牽引變電所上行測(cè)量阻抗為Z=10.14Ω，上行測(cè)量阻抗變化曲線見圖5。根據(jù)獲得的牽引變電所阻抗保護(hù)整定值，阻抗模值Zset=12.95Ω，電阻Rset=8.76Ω，電抗Xset=9.55Ω。故障發(fā)生時(shí)阻抗小于阻抗整定值12.95Ω，導(dǎo)致阻抗Ⅰ段保護(hù)啟動(dòng)。

圖4 牽引負(fù)荷過程錄波數(shù)據(jù)

圖5 故障時(shí)刻牽引變電所上行測(cè)量阻抗變化曲線

當(dāng)動(dòng)車組處牽引網(wǎng)壓跌落至最低值時(shí)，也會(huì)引起車載變流器過流保護(hù)，此時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓和牽引電流瞬時(shí)波形見圖6，對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)功率因數(shù)分布見圖7。

圖6 動(dòng)車組牽引繞組過流保護(hù)前電壓和電流波形

圖7 動(dòng)車組牽引繞組過流保護(hù)前瞬時(shí)功率因數(shù)

經(jīng)查詢運(yùn)行圖，該供電區(qū)段短時(shí)出現(xiàn)了6列動(dòng)車組，各在線運(yùn)行列車信息見表1，多列車同時(shí)運(yùn)行造成牽引負(fù)荷顯著增大，導(dǎo)致牽引網(wǎng)首端和末端測(cè)試電壓均明顯跌落，造成跟蹤測(cè)試的動(dòng)車組牽引繞組過流故障。

表1 在線各次列車運(yùn)行工況信息

可見，由于牽引變電所輸出功率不斷增大，饋線保護(hù)裝置測(cè)量阻抗值不斷減小。當(dāng)滿足牽引變電所饋線阻抗Ⅰ段保護(hù)整定值對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)條件時(shí)，將引起饋線斷路器跳閘。

3.2 其他時(shí)間段牽引網(wǎng)阻抗變化分析

為了研究不同負(fù)荷分布下的牽引網(wǎng)測(cè)量阻抗，選擇其他時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試。該區(qū)段內(nèi)牽引網(wǎng)導(dǎo)線空間分布見圖8，接觸線CW為CTAH-150，承力索MW為JTMH-120，加強(qiáng)線AW為L(zhǎng)BGLJ-240，負(fù)饋線NF為L(zhǎng)BGLJ-185/25，鋼軌為P60。

選擇該天另一時(shí)間段，當(dāng)動(dòng)車組進(jìn)入牽引變電所至分區(qū)所區(qū)間上行供電臂時(shí)，牽引變電所上行測(cè)量阻抗變化趨勢(shì)見圖9。本段時(shí)間內(nèi)阻抗最小值為Z=13.35Ω，R=13.00Ω，X=3.07Ω，此時(shí)動(dòng)車組處于滿功率牽引工況。與保護(hù)整定值比較可知，測(cè)量阻抗Z>Zset，XRset，阻抗值未落在動(dòng)作區(qū)間，阻抗Ⅰ段保護(hù)未動(dòng)作，但此時(shí)牽引網(wǎng)阻抗值接近阻抗Ⅰ段保護(hù)整定值，有誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 牽引網(wǎng)導(dǎo)線空間分布

圖9 牽引變電所上行測(cè)量阻抗變化曲線

選擇其他日期開展測(cè)試，當(dāng)測(cè)試動(dòng)車組進(jìn)入牽引變電所至分區(qū)所區(qū)間下行供電臂時(shí)，牽引變電所下行測(cè)量阻抗變化趨勢(shì)見圖10。在本段時(shí)間內(nèi)阻抗最小值為Z=14.04Ω，R=13.79Ω，X=2.66Ω，此時(shí)動(dòng)車組處于滿功率牽引工況。與保護(hù)整定值比較可知，測(cè)量阻抗Z>Zset，XRset，阻抗值未落在動(dòng)作區(qū)間，阻抗Ⅰ段保護(hù)未動(dòng)作，但此時(shí)牽引網(wǎng)阻抗值接近阻抗Ⅰ段保護(hù)整定值，也存在保護(hù)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

與此相對(duì)比，對(duì)該變電所進(jìn)行24 h錄波。當(dāng)牽引負(fù)荷接近空載時(shí)，由牽引變電所饋線處測(cè)得的阻抗特性曲線見圖11，此時(shí)Z=3 174.0Ω，R=2 060.3Ω，X=2 413.9Ω，牽引網(wǎng)電壓為28.73 kV。

當(dāng)牽引負(fù)荷較大時(shí)，由牽引變電所饋線處測(cè)得的阻抗特性曲線見圖12。此時(shí)Z=56.210Ω，R=55.930Ω，X=5.623Ω，牽引網(wǎng)電壓為28.12 kV，牽引負(fù)荷電流為400.91 A。

圖10 牽引變電所下行測(cè)量阻抗變化曲線

圖11 牽引變電所小負(fù)荷時(shí)上行測(cè)量阻抗變化曲線

圖12 牽引變電所大負(fù)荷時(shí)上行測(cè)量阻抗變化曲線

可見，動(dòng)車組在線運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致牽引負(fù)荷的波動(dòng)性，直接影響牽引變電所饋線處牽引網(wǎng)測(cè)量阻抗的大小。若存在與阻抗保護(hù)Ⅰ段整定值的重疊，容易引起饋線保護(hù)誤動(dòng)。

4 結(jié)論

通過對(duì)車-網(wǎng)同步測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，揭示了某高速鐵路牽引變電所饋線保護(hù)誤動(dòng)的原因。由于牽引變電所輸出功率不斷增大過程中，牽引母線電壓同時(shí)下降，饋線保護(hù)裝置測(cè)量阻抗值會(huì)不斷減小。當(dāng)滿足牽引變電所饋線阻抗保護(hù)Ⅰ段整定值對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)條件時(shí)，將引起饋線斷路器誤動(dòng)跳閘。特別是當(dāng)高速動(dòng)車組通過分區(qū)所電分相后重新取流時(shí)，應(yīng)避免最大功率牽引，以減少對(duì)牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷沖擊，避免造成車-網(wǎng)系統(tǒng)匹配問題。