同相供電系統(tǒng)的牽引供電分區(qū)保護(hù)方案*

趙云云 解紹鋒 張 凱

(1. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司， 510010， 廣州；2. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 610031， 成都∥第一作者， 高級工程師)

貫通式同相供電系統(tǒng)包括3大關(guān)鍵技術(shù)[1-5]，其主要特點(diǎn)分別為：組合式同相供電能夠在對負(fù)序和無功進(jìn)行治理的同時(shí)取消牽引變電所出口處的電分相；新型雙邊供電技術(shù)能夠取消分區(qū)所處的電分相，配合外部電源方案，使其對電力系統(tǒng)的影響降到最低；牽引網(wǎng)分段供電與測控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對牽引網(wǎng)的分段，同步測控技術(shù)能更及時(shí)、更準(zhǔn)確地判斷出牽引網(wǎng)的故障類型及其發(fā)生位置，以減小故障影響范圍，使?fàn)恳W(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提高其可靠性。

本文對牽引網(wǎng)分區(qū)段供電測控技術(shù)進(jìn)行研究，對測控方案各部分建模，模擬牽引網(wǎng)短路故障時(shí)保護(hù)動作的情況，并以某市的地鐵18號線和22號線為案例，驗(yàn)證該測控方案的可行性與準(zhǔn)確性。

1 牽引網(wǎng)分段供電與測控方案原理

牽引網(wǎng)分區(qū)段供電與測控方案的原理為：基于故障潮流符號法判斷法則，在每個分段處增設(shè)分段所(QD)和電分段(FD)；在每個分段所內(nèi)分別安裝斷路器(DL)、電壓互感器(YH)、電流互感器(LH);采集該分段所內(nèi)的電壓幅值Urms及其相位φu、電流幅值Irms及其相位φi，以及該區(qū)段內(nèi)的潮流符號值(f)，再將Urms和f傳送到該分段所的控制室。雙線直供末端并聯(lián)牽引網(wǎng)的供電分段如圖1所示。

2 牽引網(wǎng)故障識別

牽引網(wǎng)分段供電技術(shù)能夠?qū)恳W(wǎng)進(jìn)行區(qū)段劃分，使?fàn)恳W(wǎng)故障能夠被限定在較小范圍內(nèi)。通過采用相應(yīng)保護(hù)措施可以防止故障擴(kuò)大，最大限度地保證牽引網(wǎng)非故障區(qū)段的正常運(yùn)作。牽引網(wǎng)分段供電技術(shù)采用故障潮流符號值法對牽引網(wǎng)發(fā)生的各種故障進(jìn)行定位，并判斷其故障類型[6-7]。

注：區(qū)間xy中,x指線路的方向，1為上行，2為下行；y指具體編號。如區(qū)間23表示下行的第3個區(qū)間。QD、DL、LH、FD、YH的標(biāo)號規(guī)則類同。

2.1 潮流符號值的標(biāo)定

如圖2所示，在牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障的情況下，根據(jù)不同的牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)，標(biāo)定接觸網(wǎng)支路的空載潮流符號值為0，流入支路的故障潮流符號值為1，流出支路的故障潮流符號值為-1[8]。

圖2 故障潮流標(biāo)定示意圖

2.2 短路故障辨識方法

由直供牽引網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生T-R(接觸網(wǎng)-鋼軌)短路故障時(shí)，若為一端接地、一端斷路，則故障潮流符號值和的絕對值為1；若為兩端接地故障，則故障潮流符號值和的絕對值為2。由此可知，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，通過計(jì)算線路故障潮流符號值和絕對值，就可以判斷出該分段所內(nèi)的斷路器是否需要斷開。同時(shí)，分段所上傳的數(shù)據(jù)還可由控制室內(nèi)的基于故障潮流符號值的集中式測控系統(tǒng)進(jìn)行再次判斷，以作為分段所內(nèi)分布式保護(hù)的后備保護(hù)，提高該測控方案的可靠性[9-11]。

3 案例線路的供電分段方案

考慮到某市地鐵18號線、22號線的實(shí)際工程情況，將分段所設(shè)置在車站，以降低工程的實(shí)施難度，減少電力電子設(shè)備的占地面積，減少成本開支。18號線、22號線的供電分段分別如表1和表2所示。其中：18號線將萬頃沙站、橫瀝站、番禺廣場站、沙溪站、琵琶西站、石榴崗站、冼村站設(shè)置為分段所;22號線將白鵝潭站、東沙工業(yè)園站、陳頭崗站、廣州南站、番禺廣場站設(shè)置為分段所。

表1 18號線的分區(qū)段供電方案

表2 22號線的分區(qū)段供電方案

4 牽引網(wǎng)分段測控系統(tǒng)故障仿真

4.1 短路故障仿真

通過仿真可以得到18號線萬頃沙站—橫瀝站、番禺廣場站—沙溪站區(qū)段的兩端電壓分別如圖3～4所示。橫瀝站—番禺廣場站區(qū)間兩端的斷路器控制信號如圖5所示。

圖3 萬頃沙站—橫瀝站供電區(qū)段末端電壓波形

圖4 番禺廣場站—沙溪站供電區(qū)段首端電壓波形

圖5 橫瀝站—番禺廣場站區(qū)間斷路器控制信號

由圖3～4可以看出，牽引網(wǎng)在0.20 s時(shí)發(fā)生短路故障，牽引網(wǎng)電壓跌落。若此時(shí)的故障潮流符號值和的絕對值大于等于1，則應(yīng)立即斷開斷路器。由圖5可以看出，在0.24 s時(shí)斷路器斷開，將故障支路暫時(shí)隔離。

4.2 后備動作保護(hù)仿真

仿真模擬在短路故障情況下牽引網(wǎng)部分主保護(hù)失效、后備保護(hù)動作的情況。在番禺廣場站—沙溪站上行牽引網(wǎng)區(qū)段加入1個斷路器，令其在0.10 s時(shí)閉合，同時(shí)將番禺廣場站分段所內(nèi)的保護(hù)不投入來模擬主保護(hù)部分失效。由于番禺廣場站分段所內(nèi)QD13的保護(hù)未投入，則短路故障發(fā)生后分段所內(nèi)的斷路器不動作，而沙溪站分段所內(nèi)的斷路器QD14正常工作。具體仿真結(jié)果如圖6～7所示。

由圖6～7分析可知，在0.14～0.28 s期間，沙溪站分段所內(nèi)的斷路器QD14斷開，但石榴崗站—琵琶西站供電區(qū)段未恢復(fù)正常供電。這是由于番禺廣場站分段所內(nèi)的斷路器QD13還未斷開，故上行牽引網(wǎng)萬頃沙站—橫瀝站供電區(qū)段和橫瀝站—番禺廣場站供電區(qū)段仍然處在短路狀態(tài)，從而導(dǎo)致牽引變電所出口處電壓降低。該情況直至沙溪站分段所的斷路器QD14在0.35 s斷開后才解除，此時(shí)故障區(qū)段牽引網(wǎng)也被完全切除。

a) 左側(cè)

b) 右側(cè)

a) 番禺廣場站QD13斷路器控制信號

b) 沙溪站QD14斷路器控制信號

5 結(jié)語

本文系統(tǒng)地闡述了貫通式同相供電系統(tǒng)的3個關(guān)鍵技術(shù)?；跔恳W(wǎng)分段供電方案，以及故障潮流符號值法的測控系統(tǒng)原理，以某市地鐵18號線和22號線工程為案例，利用MATLAB和Simulink軟件搭建了雙線直供末端并聯(lián)的測控方案仿真模型。通過在牽引網(wǎng)中加入斷路器來模擬牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障，同時(shí)將測控系統(tǒng)的主保護(hù)部分不投入，仿真了牽引網(wǎng)部分主保護(hù)失效、后備保護(hù)動作的情況，驗(yàn)證了該測控技術(shù)對故障區(qū)段的識別及自動隔離的正確性。