高速鐵路牽引網(wǎng)雙邊供電方式下的故障測(cè)距策略研究

陳紀(jì)綱 許曉蓉 林國(guó)松 林宗良 李 原

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031； 2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

相對(duì)于單邊供電而言，雙邊供電是指在牽引供電系統(tǒng)中相鄰兩個(gè)牽引變電所同時(shí)向機(jī)車(chē)供電的方式。電氣化鐵路采用雙邊供電方式，可減少電分相的數(shù)量、平衡供電臂的負(fù)荷分配，進(jìn)而縮短列車(chē)運(yùn)行時(shí)分、提高牽引網(wǎng)電壓水平，對(duì)提高牽引供電系統(tǒng)技術(shù)的水平具有重大意義。隨著我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，更高速度高速鐵路的建設(shè)成為可能，行車(chē)速度的進(jìn)一步提升對(duì)牽引功率的需求大大增加，為更好地提升更高速度高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的供電能力，應(yīng)優(yōu)先考慮采用雙邊全并聯(lián)AT供電方式。

牽引網(wǎng)的精確故障測(cè)距是高速鐵路牽引供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要保障。我國(guó)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)十多年的技術(shù)積累，在單邊供電方式下，基于測(cè)量電抗、吸上電流比、橫聯(lián)線電流比和上下行電流比等方法綜合應(yīng)用的故障測(cè)距系統(tǒng)使?fàn)恳W(wǎng)故障定位功能得到完美體現(xiàn)[1-3]。當(dāng)供電系統(tǒng)采用雙邊供電方式時(shí)，牽引網(wǎng)故障電流的分布會(huì)隨電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生變化。本文分析了雙邊供電方式下的牽引網(wǎng)電路特征，仿真分析了單邊供電方式故障測(cè)距原理在雙邊供電方式下的適應(yīng)性，提出了一種采用雙端牽引變電所測(cè)距裝置協(xié)同的新型故障測(cè)距策略。

1 單邊全并聯(lián)AT供電方式故障測(cè)距原理

單邊全并聯(lián)AT供電方式電氣量采集如圖1所示[4]，圖中標(biāo)示的模擬量為牽引變電所、AT所和分區(qū)所需要采集的模擬量。

l-故障距離( km)；L-供電臂全長(zhǎng)( km)； D1、D2-第1、2個(gè)AT段區(qū)間長(zhǎng)度下行T線電流下行F線電流; 上行T線電流; 上行F線電流；所、分區(qū)所的下行AT中性點(diǎn)吸上電流；所、分區(qū)所上行AT中性點(diǎn)吸上電流圖1 全并聯(lián)AT供電方式電氣量采集圖

當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，各所故障測(cè)距裝置記錄故障數(shù)據(jù)(包括電壓、電流和當(dāng)時(shí)的開(kāi)關(guān)狀態(tài))，故障后牽引變電所測(cè)距裝置接收AT所、分區(qū)所故障數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析，測(cè)距方法有AT中性點(diǎn)吸上電流比法、橫聯(lián)線電流比法和上、下行電流比法。

1.1 AT中性點(diǎn)吸上電流比法

AT中性點(diǎn)吸上電流比法是在AT供電方式下，利用同一供電臂上各所亭吸上電流的比值來(lái)確定故障距離的方法。計(jì)算公式為：

(1)

式中：Q1、Q2——吸上電流比修正參數(shù)；

qAT——故障區(qū)間吸上電流比值。

AT吸上電流比法可用于全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)發(fā)生TR型、FR型故障的測(cè)距，測(cè)距應(yīng)用通過(guò)修正電流比參數(shù)減小AT漏抗和鋼軌對(duì)地泄露的影響。

1.2 橫聯(lián)線電流比法

橫聯(lián)線電流比法是在全并聯(lián)AT供電方式下，利用同一供電臂各所亭橫聯(lián)線電流比值來(lái)確定故障距離的方法，計(jì)算公式為：

l=Ln-1+qHL×Dn

(2)

式中：qHL——故障區(qū)間橫聯(lián)線電流比值。

橫聯(lián)線電流比法適用于全并聯(lián)AT供電方式下各種類(lèi)型的故障測(cè)距，不受AT漏抗和鋼軌對(duì)地泄露的影響。

1.3 上、下行電流比法

上、下行電流比法是在供電臂上、下行末端并聯(lián)供電方式下，利用上、下行電流的比值來(lái)確定故障距離的方法，計(jì)算公式為：

l=2qSXDn

(3)

式中：qSX——故障區(qū)間橫聯(lián)線電流比值。

上、下行電流比法適用于末端并聯(lián)的復(fù)線牽引網(wǎng)各種類(lèi)型的故障測(cè)距，不受AT漏抗和鋼軌對(duì)地泄露的影響。

2 單邊供電故障測(cè)距原理在雙邊全并聯(lián)AT供電方式的適應(yīng)性

2.1 雙邊全并聯(lián)AT供電方式供電臂結(jié)構(gòu)

雙邊供電的基本要求是相鄰兩個(gè)牽引變電所的牽引網(wǎng)具備相同的電壓幅值和相位，供電電源來(lái)自同一個(gè)電網(wǎng)的同一個(gè)或不同的變電所。在常規(guī)單邊全并聯(lián)AT牽引供電臂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，若通過(guò)分區(qū)所將相鄰牽引變電所兩個(gè)供電臂串接起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)包含4個(gè)AT段的雙邊供電牽引網(wǎng)，簡(jiǎn)化示意如圖2所示。兩個(gè)牽引變電所進(jìn)線來(lái)自同一個(gè)變電所的同一條母線，因而暫不考慮外部電流在雙邊并聯(lián)供電牽引網(wǎng)的穿越性電流及其影響[5]。

圖2 雙邊全并聯(lián)AT供電示意圖

2.2 單邊供電故障測(cè)距原理在雙邊全并聯(lián)AT供電方式下的適應(yīng)性

由兩個(gè)牽引變電所構(gòu)成的雙邊供電臂電源來(lái)自于電網(wǎng)變電所，當(dāng)動(dòng)車(chē)組經(jīng)過(guò)分區(qū)所處已經(jīng)閉合的電分相時(shí)，不再需要斷主斷路器。當(dāng)雙邊供電牽引網(wǎng)有負(fù)荷存在時(shí)，兩側(cè)牽引變電所均向負(fù)荷提供電能，負(fù)荷電流在牽引網(wǎng)的分布較單邊供電方式更為復(fù)雜。當(dāng)雙邊供電牽引網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，故障AT段的短路電流將來(lái)自兩側(cè)的牽引變電所。由于雙邊供電能力的增強(qiáng)，牽引變電所牽引網(wǎng)故障導(dǎo)致的壓降將大幅減小(特別是遠(yuǎn)離故障點(diǎn)一側(cè)的牽引變電所)，從而對(duì)繼電保護(hù)各類(lèi)元件的靈敏性和可靠性產(chǎn)生一定的影響。而故障測(cè)距裝置需通過(guò)保護(hù)起動(dòng)元件判別故障發(fā)生才能采集故障數(shù)據(jù)，進(jìn)而正確完成故障測(cè)距功能。同時(shí)，雙邊供電牽引網(wǎng)故障電流的分布特征也會(huì)影響常規(guī)的故障測(cè)距原理，故需進(jìn)一步分析和驗(yàn)證原有的測(cè)距原理。

根據(jù)單邊AT供電方式的特性，無(wú)論是在單線AT供電方式還是在全并聯(lián)AT供電方式下，當(dāng)發(fā)生TR型或FR型故障時(shí)，距離故障點(diǎn)最近的兩個(gè)自耦變壓器均承擔(dān)了絕大部分的吸上電流，AT牽引網(wǎng)的電路特性決定了AT中性點(diǎn)吸上電流比法的可用性。在雙邊全并聯(lián)AT供電方式下，雖然故障AT段的兩端電源均提供短路電流，但兩端自耦變壓器對(duì)吸上電流的分配依然滿足上述特性。橫聯(lián)線電流比法和上下行電流比法適用于單端電源供電、上下行分段(末端)并聯(lián)的牽引網(wǎng)測(cè)距，當(dāng)雙端供電時(shí)，另一側(cè)電源供電將打破原有單端電源供電的電流分布特性，從而需重新評(píng)估基于上下行對(duì)稱性的兩種電流比法的有效性。

3 單邊供電故障測(cè)距原理在雙邊全并聯(lián)AT供電方式仿真分析

3.1 雙邊全并聯(lián)AT供電方式建模

基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，構(gòu)建的常規(guī)運(yùn)行方式下的雙邊全并聯(lián)AT供電方式牽引網(wǎng)仿真模型，如圖2所示。假設(shè)2個(gè)供電臂總長(zhǎng)50 km，4個(gè)AT段的長(zhǎng)度分別為11 km、13 km、12 km和14 km，電網(wǎng)變電所饋線距離左、右兩個(gè)牽引變電所的距離分別為30 km和40 km。牽引網(wǎng)阻抗如式(4)所示，仿真模型其他參數(shù)如表1所示。

(4)

3.2 雙邊供電時(shí)對(duì)傳統(tǒng)測(cè)距原理的評(píng)價(jià)分析

對(duì)牽引變電所1分區(qū)所區(qū)段下行接觸網(wǎng)與鋼軌之間發(fā)生TR、FR、TF短路故障進(jìn)行仿真，3種測(cè)距方法的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 雙邊全并聯(lián)AT供電方式下3種測(cè)距方法仿真結(jié)果圖

從圖3可以看出:

(1)雙邊全并聯(lián)AT供電模式發(fā)生TR、FR故障時(shí)，吸上電流比-距離關(guān)系在兩個(gè)AT段都呈現(xiàn)單調(diào)增長(zhǎng)的特性，表明吸上電流比法可用于雙邊供電時(shí)TR、FR故障的測(cè)距。

(2)雙邊全并聯(lián)AT供電模式發(fā)生TR、FR、TF故障時(shí)，橫聯(lián)線電流比-距離關(guān)系在兩個(gè)AT段都呈現(xiàn)單調(diào)增長(zhǎng)的特性，表明橫聯(lián)電流比法可用于雙邊供電時(shí)TR、FR、TF故障的測(cè)距。

(3)雙邊全并聯(lián)AT供電模式發(fā)生TR、FR、TF故障時(shí)，上下行電流比-距離關(guān)系在兩個(gè)AT段都呈現(xiàn)先降后升的特性，表明此時(shí)不能應(yīng)用上下行電流比法測(cè)距。

4 雙邊全并聯(lián)AT供電方式故障測(cè)距策略

4.1 測(cè)距裝置和網(wǎng)絡(luò)配置

根據(jù)雙邊供電牽引網(wǎng)的特征，故障測(cè)距系統(tǒng)配置需整體考慮兩個(gè)牽引變電所間供電臂的綜合測(cè)距，故障測(cè)距裝置和通信通道配置如圖4所示。

圖4 雙邊供電故障測(cè)距系統(tǒng)示意圖

各所故障測(cè)距裝置采集電量、開(kāi)關(guān)量與常規(guī)單邊全并聯(lián)AT供電方式一致。同時(shí)，考慮在非正常單邊供電情況下，為便于測(cè)距系統(tǒng)識(shí)別單邊或雙邊供電模式，分區(qū)所分屬兩個(gè)供電臂的故障測(cè)距裝置還需采集聯(lián)絡(luò)兩個(gè)供電臂的開(kāi)關(guān)位置信號(hào)。整個(gè)雙邊供電牽引網(wǎng)配置的故障測(cè)距裝置通過(guò)1個(gè)專用測(cè)距通道相連。

4.2 故障測(cè)距策略

4.2.1 故障啟動(dòng)元件

與單邊全并聯(lián)AT供電方式相同，在雙邊全并聯(lián)AT供電方式下，牽引變電所、AT所和分區(qū)所的測(cè)距裝置故障啟動(dòng)元件如表2所示。

表2 故障啟動(dòng)元件表

需要說(shuō)明的是，當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，若AT所/分區(qū)所的故障測(cè)距裝置僅依賴于低電壓?jiǎn)?dòng)元件，離故障點(diǎn)近的測(cè)距裝置可檢測(cè)到故障信號(hào)，離故障點(diǎn)遠(yuǎn)的測(cè)距裝置則可能無(wú)法檢測(cè)到故障信號(hào)。

4.2.2 故障測(cè)距策略

故障測(cè)距系統(tǒng)既要考慮在雙邊供電方式下不同運(yùn)行方式的測(cè)距功能，又要考慮牽引網(wǎng)解列為單邊供電方式后故障測(cè)距的需要。在單邊供電方式下，測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)滿足文獻(xiàn)[4]規(guī)定的5種運(yùn)行方式，當(dāng)某個(gè)牽引變電所解列時(shí)，同一供電區(qū)段的變電所測(cè)距裝置應(yīng)具有越區(qū)供電功能。限于篇幅，本文僅考慮正常運(yùn)行狀態(tài)的雙邊全并聯(lián)AT供電方式。雙邊全并聯(lián)AT供電方式下故障測(cè)距的策略步驟如下：

(1)各所測(cè)距裝置檢測(cè)故障并記錄故障數(shù)據(jù)。

(2)兩個(gè)牽引變電所測(cè)距裝置接收兩個(gè)供電臂所有AT所、分區(qū)所和對(duì)側(cè)牽引變電所故障測(cè)距裝置的故障數(shù)據(jù)。

(3)兩個(gè)牽引變電所測(cè)距裝置根據(jù)各自供電臂上牽引變電所、AT所、分區(qū)所的饋線電壓、T線電流、F線電流等電氣參數(shù)判斷故障是否發(fā)生在本供電臂，然后由判斷在本供電臂的牽引變電所故障測(cè)距裝置判別故障類(lèi)型和故障行別。

(4)故障供電臂的牽引變電所故障測(cè)距裝置對(duì)TR、FR型故障采用故障區(qū)段的AT中性點(diǎn)吸上電流比法或橫聯(lián)線電流比法進(jìn)行故障測(cè)距，對(duì)TF型故障，采用橫聯(lián)線電流比法進(jìn)行故障測(cè)距。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于分區(qū)所實(shí)現(xiàn)雙邊供電的3種電流比測(cè)距方法，并基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，建立了雙邊全并聯(lián)AT供電方式牽引網(wǎng)模型。仿真分析結(jié)果表明，吸上電流比法依然適用于TR型和FR型故障測(cè)距，橫聯(lián)線電流比依然適用于TR型、FR型和TF型故障測(cè)距，上下行電流法已不再具備適用性。最后提出了相鄰牽引變電所測(cè)距裝置協(xié)同的雙邊全并聯(lián)AT供電方式下的故障測(cè)距策略。本文的研究成果對(duì)豐富我國(guó)牽引供電系統(tǒng)故障測(cè)距理論具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。