全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)廣域保護方案分析和改進

陶孟興，韓正慶，高仕斌

0 引言

截至2019年底，我國高速鐵路營業(yè)里程已達3.5萬公里，在“十三五”期間及以后的中長期內(nèi)，我國高速鐵路還將大規(guī)模發(fā)展。

牽引供電系統(tǒng)變電所綜合自動化系統(tǒng)作為鐵路安全運行的“保護神”，目前大多采用基于單點信息的保護方案。但以京張高鐵、京雄高鐵為典型代表的新一代智能高鐵，開創(chuàng)性地應用廣域保護測控系統(tǒng)建立了以供電臂為單元的牽引網(wǎng)廣域保護方案，實現(xiàn)了故障供電臂的快速隔離，標志著變電所綜合自動化系統(tǒng)逐漸向智能化方向發(fā)展[1]。這無疑也要求牽引網(wǎng)廣域保護系統(tǒng)需要具備極高的可靠性，各所間保護范圍的配合能夠準確無誤地識別故障行別。

1 全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)廣域保護方案

高速鐵路的供電方式多采用全并聯(lián)AT供電方式，如圖1所示，其中1QF～6QF分別為安裝在變電所、AT所和分區(qū)所的斷路器，并分別在變電所、AT所和分區(qū)所實現(xiàn)并聯(lián)連接。

圖1 全并聯(lián)AT供電方式簡圖

全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)廣域保護方案在變電所、AT所和分區(qū)所均投入距離保護和聯(lián)跳保護，其中保護1、3和5共同構成上行供電臂的整體保護，保護2、4和6共同構成下行供電臂的整體保護[2]。變電所距離保護和聯(lián)跳保護邏輯如圖2、圖3所示，AT所距離保護方案邏輯如圖4所示。

圖2 變電所距離保護邏輯

圖3 變電所聯(lián)跳保護邏輯

圖4 A T所距離保護邏輯

圖中T為保護延時，目前工程上一般整定為20 ms[3]。AT所和分區(qū)所聯(lián)跳保護邏輯與變電所聯(lián)跳保護類似，分區(qū)所距離保護邏輯與AT所距離保護類似。

廣域保護的過程：任一距離保護檢測出故障出口動作的同時，均向同行供電臂的其他保護發(fā)送斷路器聯(lián)跳命令，任一保護收到聯(lián)跳命令均立即發(fā)出相應斷路器跳閘命令；此外，AT所和分區(qū)所檢測出非本行別故障時需向本側(cè)變電所發(fā)送斷路器閉鎖命令，通過變電所、AT所和分區(qū)所距離保護整定值設定不同保護范圍Lss、LAT和Lsp（圖5），共同配合完成所在行別整個供電臂的保護，實現(xiàn)故障發(fā)生時的選擇性跳閘。

圖5 各所距離保護范圍示意圖

實際上，由于自耦變壓器漏抗的存在，AT所的距離保護范圍并不能包含變電所出口區(qū)域，原因?qū)⒃谙挛年U述。故當故障發(fā)生在上（下）行變電所出口處，變電所處非故障行別由于收不到閉鎖信號而跳閘，導致整個供電臂停止供電，保護失去了選擇性。

2 死區(qū)原因分析

2.1 計及自耦變壓器漏抗的AT等值電路

文獻[4]中推導的AT等值電路利用戴維南定理消去自耦變壓器，將全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)電路（圖6）等效為由等值接觸線（T）、等值鋼軌（R）、等值正饋線（F）和一連接在等值鋼軌（R）和等值正饋線（F）之間的漏抗Zg組成的電路（圖7）。當計及自耦變壓器漏抗時，該等值電路能直觀地展現(xiàn)：牽引負荷或故障在任一AT段取流時，除相鄰的2個AT間流經(jīng)電流外，同一供電區(qū)間內(nèi)其他AT段也會流經(jīng)電流[5，6]。

圖6 A T牽引網(wǎng)原始電路結構

圖7 A T牽引網(wǎng)等值電路結構

根據(jù)戴維南定理推導，得到AT牽引網(wǎng)原始電路和等值電路參數(shù)的對應關系：

式中：ZT、ZR和ZF分別為T線、R線和F線自阻抗；為各導線間互阻抗；ZA、ZB和.ZC分別為等值T線、等值R線和等值F線阻抗。

2.2 測量阻抗推導

當變電所和AT所間發(fā)生故障時（以TR故障為例），全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)的等值電路如圖8所示。

圖8中X1為故障點至變電所的距離，D1為1AT段長度，D2為2AT段長度，其他電路參數(shù)如下：

圖8 全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)的等值電路（1AT段內(nèi)故障）

變電所、AT所的測量電壓[7]（母線對地電壓）如式（4）所示。

由等值電路圖和電路的參數(shù)關系可知，等值T線 中 的電 流即 為各保 護的 測 量電流，且各保護的測量電流并不受自耦變壓器漏抗的影響，故各保護測量電流為

當故障發(fā)生在變電所出口（即X1→0+）時，由Z3和Z4的計算式可知，AT所上下行的測量阻抗均趨近于∞，測量阻抗不會落入距離保護的動作范圍內(nèi)，故AT所距離保護在變電所出口附近存在保護死區(qū)。此外也可以看出，當故障發(fā)生在變電所與AT所之間時，分區(qū)所距離保護測量阻抗總是為∞，落在其動作范圍外，即分區(qū)所距離保護不能保護變電所與AT所之間的線路。

同理，當AT所與分區(qū)所之間發(fā)生故障時，全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)的等值電路如圖9所示。

由式（4）和式（5）可得變電所、AT所和分區(qū)所的測量阻抗分別為

圖9 全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)的等值電路（2AT段內(nèi)故障）

由等值電路圖可知，各保護的測量電流并不受自耦變壓器漏抗的影響，故各保護測量電流為

圖9中X2為故障點至AT所的距離，電路參數(shù)如下：

變電所、AT所和分區(qū)所的測量電壓：

其中，ZJ=ZN3+Zg+ 0.5D2ZC+ZH2+ZN2+ZH1。

由式（7）和式（10）可得變電所、AT所和分區(qū)所的測量阻抗分別為

故障發(fā)生在AT所出口（即X2→0+）時，由Z5和Z6的計算式可知，分區(qū)所上下行的測量阻抗均趨近于∞，測量阻抗不會落入距離保護的動作范圍內(nèi)，故分區(qū)所距離保護在AT所出口附近存在保護死區(qū)。當故障發(fā)生在分區(qū)所出口（即X2→D-）時，由Z3和Z4的計算式可知，AT所上下行的測量阻抗均趨近于∞，測量阻抗不會落入距離保護的動作范圍內(nèi)，故AT所距離保護在分區(qū)所出口附近存在保護死區(qū)。

3 改進方法

通過AT等值電路分析了自耦變壓器漏抗造成AT所距離保護在變電所出口處存在死區(qū)的原因，同樣通過AT等值電路可以發(fā)現(xiàn)，等值T線的電流即各保護的測量電流并不受自耦變壓器漏抗的影響。由此特征可以對目前全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)廣域保護方案進行改進，即對變電所的距離保護增加上下行電流比判據(jù)。改進后的變電所距離保護邏輯如圖10所示，跳閘情況如表1所示。

圖10 改進后變電所距離保護邏輯

表1 改進后變電所距離保護跳閘情況

從圖10和表1可以看出，在變電所出口處發(fā)生故障時，該方案中非故障行別變電所距離保護因電流比遠小于設定值0.1而不會出口跳閘，保證了動作的選擇性。該判據(jù)簡單直接，只需要變電所的電氣量信息即可與現(xiàn)有邏輯并行判斷，不會影響保護的速動性。

4 結論

本文利用AT等值電路推導了變電所、AT所和分區(qū)所的測量阻抗，說明了自耦變壓器的漏抗導致目前全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)廣域保護存在死區(qū)的問題。本文提出在變電所距離保護邏輯里增加上下行電流比這一判據(jù)，該判據(jù)不受自耦變壓器漏抗的影響，只需要利用變電所的電氣量信息即可實現(xiàn)，簡單且易于實現(xiàn)，能夠更加可靠地保證全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)廣域保護的選擇性跳閘。