電氣化鐵路貫通同相供電AT牽引網故障辨識與自愈技術研究

李群湛，王 帥，易 東，陳民武

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

為綜合解決電氣化鐵路電能質量與電分相問題，文獻[1]率先提出同相供電概念。文獻[2]提出了一種基于三相交流-直流-單相交流全變換方式的牽引網貫通同相供電方案。文獻[3]提出了新一代牽引供電系統(tǒng)及其關鍵技術，采用組合式同相供電技術治理電能質量，同時取消變電所出口處電分相，采用雙邊供電技術取消分區(qū)所出口處電分相，同一電力系統(tǒng)供電的牽引變電所可以實現貫通同相供電。隨著電力電子器件的發(fā)展，同相供電技術先后在成昆線眉山牽引變電所和山西中南通道沙峪牽引變電所完成現場試驗，并在溫州市域鐵路S1線實現商業(yè)運營?；跇湫坞p邊供電技術的貫通同相供電系統(tǒng)即將在包神鐵路投入工程實踐，青藏、川藏高原電氣化鐵路相繼將貫通同相供電技術納入設計規(guī)劃。目前，貫通同相供電設備及關鍵技術已經進入成熟的工程推廣階段[4-6]。

AT牽引網供電距離長、電壓損失低且可以有效降低鋼軌電位和對沿線通信線路的干擾[7-9]，是大容量貫通供電的優(yōu)選方式[5]。然而，AT牽引網結構復雜且無備用，工作條件惡劣，牽引網故障成為了導致牽引供電系統(tǒng)供電中斷的主要原因[10]。

現行AT牽引網發(fā)生故障后，牽引變電所饋線保護動作，牽引變電所饋線斷路器統(tǒng)一跳閘，整個上下行供電系統(tǒng)中斷供電，同時AT所與分區(qū)所配置的失壓保護啟動，將AT供電方式解列為直供方式，再利用重合閘排除故障，期間需要復雜的倒閘作業(yè)[11]，極大延長了停電時間。若牽引網上行或下行發(fā)生永久性故障，將造上行或下行全線失電，擴大了牽引網的停電范圍[12]。目前我國將距離保護方案作為AT牽引網主保護，變電所測量阻抗與故障距離成非線性關系，僅依靠測量阻抗不能判斷故障AT分段[13-14]。AT牽引網故障包含多種短路類型，距離保護也缺乏故障類型辨識能力[13]。AT吸上電流比與橫聯線電流比等故障標定方法，主要應用于測距系統(tǒng)，并不作為保護動作依據[15]。

貫通同相供電技術通過延長供電區(qū)間長度，可以有效解決川藏、青藏等西部地區(qū)電氣化鐵路供電系統(tǒng)面臨的外部電源薄弱、長大坡道不宜設置電分相等難題[16-18]，但繼續(xù)延續(xù)傳統(tǒng)AT牽引網結構和保護方案[19-20]，將會進一步擴大牽引網故障狀態(tài)下的停電范圍，延長鐵路交通恢復時間，對經濟、社會造成嚴重的負面影響。

因此，提出一種適合貫通同相供電系統(tǒng)的AT牽引網結構，實現牽引網分段供電，構建牽引網分段內故障導線辨識方法與自愈流程，減少故障停電范圍，發(fā)揮AT牽引網分段供電結構優(yōu)勢，對于提高貫通同相供電系統(tǒng)可靠性具有工程意義。

1 貫通供電方式AT牽引網分段供電方案

同一電力系統(tǒng)供電的牽引變電所可以實現貫通同相供電，為盡可能將故障及其影響范圍限制到最小，根據線路實際條件，通過絕緣錨段關節(jié)或分段絕緣器對牽引網進行分段。

如圖1所示，通過設置分段FD+過渡區(qū)TA的單元結構，將AT牽引網分段為多個供電單元。我國AT段長度約10～15 km，日韓及法國的AT段長度較長，約10～20 km[15]，可利用線路的自然AT分段，在沿線牽引變電所，AT所出口設置分段結構S，實現牽引網供電單元適當劃小，分段可設置為10～20 km。為確保過渡區(qū)控制可靠性，過渡區(qū)設置長度大于100 m。

圖1 貫通供電方式AT牽引網分段供電方案

為滿足AT牽引網分段狀態(tài)測控需求，基于智能變電站“三層兩網”架構，在變電所與AT所內設置智能測控裝置，饋線電流互感器與母線電壓互感器的電氣采樣信息通過合并單元傳送至智能測控裝置，實現牽引網接觸線和負饋線線電壓、電流電氣量采集與存儲。此外，智能測控裝置能夠采集反映饋線斷路器的狀態(tài)開關量，可以在故障發(fā)生時向本地斷路器發(fā)送動作信號，并具備對遠方斷路器的聯跳功能，支持牽引網故障治愈控制。智能測控裝置通過IEC 61850通信協(xié)議實現SV/GOOSE的數據交互，均與衛(wèi)星時鐘同步，所間通信采用光纖冗余組網方式，為智能測控裝置提供可靠通信，保障所間電氣信息共享。測控終端完成故障信息匯總后，與遠方調度控制中心通信和實施調度控制中心下達的控制指令。

2 牽引網故障自愈流程

牽引網存在不同類型的短路故障，包括T-R、F-R、T-F三種故障類型[21-22]。本文以分段FD1和過渡區(qū)TA1組成的供電單元為例，描述貫通供電AT牽引網故障自愈流程。

2.1 分段FD1短路故障自愈流程

2.1.1 分段FD1發(fā)生T-R短路故障

當FD1發(fā)生T-R故障時，斷路器QF1與QF2同時跳閘，同時過渡區(qū)TA1進入跳閘等待狀態(tài)，根據過渡區(qū)的不同運行狀態(tài)，斷路器QF3有兩種不同的操作過程。在發(fā)生故障后的時間T內，測控系統(tǒng)持續(xù)檢測過渡區(qū)TA1是否存在負荷電流。當過渡區(qū)存在負荷電流，QF3跳閘；當過渡區(qū)沒有檢測到負荷電流，QF3繼續(xù)保持跳閘等待狀態(tài)。經重合閘時限，QF1與QF2啟動自動重合閘。若重合閘成功，過渡區(qū)TA1恢復正常運行，系統(tǒng)恢復正常供電。若QF1與QF2重合閘失敗，則QF1與QF2加速跳閘，并且閉鎖重合閘。測控系統(tǒng)將故障信息通知行車調度，行車調度調整列車行車計劃，并通知相關列車，列車做出相應的避險操作，接觸網工區(qū)組織搶修，搶修完成后，恢復系統(tǒng)正常供電。

以京滬高速鐵路為例，列車保持4 min追蹤間隔，當故障發(fā)生后，測控系統(tǒng)向行車調度發(fā)送牽引網故障信息，再由行車調度告知相關列車前方故障，最終列車完成避險，整個過程總時長小于4 min，可避免后方機車連續(xù)進入故障區(qū)段。因此，可將過渡區(qū)TA1跳閘等待時間T設置為4 min，若列車到達過渡區(qū)TA1的時間在T內，列車進入過渡區(qū)TA1后，過渡區(qū)失電，列車換流器閉鎖，避免了列車從正常區(qū)段駛入故障區(qū)段造成的二次短路與列車帶負荷進入無電區(qū)。若列車到達過渡TA1的時間大于T，列車可以完成避險操作，列車不會帶電進入故障分段，行車調度通知測控系統(tǒng)，取消跳閘等待狀態(tài)，牽引網T-R故障自愈流程見圖2。

圖2 分段FD1發(fā)生T-R短路故障自愈流程

2.1.2 分段FD1發(fā)生F-R短路故障

當分段FD1發(fā)生F-R短路故障，斷路器QF7與QF8跳閘，將FD1的負饋線切除。經重合閘時限，QF7與QF8自動重合，若重合閘成功則系統(tǒng)恢復供電。若重合閘失敗，QF7與QF8加速跳閘，并且閉鎖重合閘，故障分段牽引網以直供方式運行。測控終端將故障信息報告行車調度，行車調度視情況安排行車計劃與組織故障維修，排除故障后恢復正常供電，其自愈流程見圖3。

圖3 分段FD1發(fā)生F-R短路故障自愈流程

2.1.3 分段FD1發(fā)生T-F故障

當FD1發(fā)生T-F故障時，故障自愈流程與T-R故障自愈流程類似，斷路器QF1、QF2、QF7、QF8同時跳閘，同時過渡區(qū)TA1進入跳閘等待狀態(tài)。經重合閘時限，QF1、QF2、QF7、QF8啟動自動重合閘。若QF1、QF2重合閘成功，命令斷路器QF3合閘或取消等待狀態(tài)；若QF1、QF2、QF7、QF8同時重合閘成功，則系統(tǒng)恢復正常供電；若重合閘失敗，測控系統(tǒng)與行車調度配合，組織搶修，盡快恢復正常供電。

2.2 過渡區(qū)TA1短路故障自愈流程

2.2.1 過渡區(qū)TA1發(fā)生T-R短路故障

當過渡區(qū)TA1發(fā)生T-R故障，QF3跳閘，將過渡區(qū)TA1切除，聯跳分段FD2的接觸線兩側斷路器QF4和QF5，同時過渡區(qū)TA2進入跳閘等待狀態(tài)。經重合閘時限后，斷路器QF3重合閘，若重合閘成功，過渡區(qū)TA1恢復正常供電，分段FD2接觸線經重合閘后投入運行，過渡區(qū)TA2取消跳閘等待狀態(tài)。若QF3重合閘失敗，測控系統(tǒng)與行車調度配合，組織搶修，盡快恢復正常供電，其自愈流程見圖4。

圖4 過渡區(qū)TA發(fā)生T-R短路故障自愈流程

2.2.2 過渡區(qū)TA1發(fā)生T-F短路故障

過渡區(qū)接觸線故障自愈流程與過渡區(qū)T-R短路故障自愈流程相同，負饋線故障自愈流程與分段FD1的F-R短路故障自愈流程相同。

3 AT牽引網故障辨識方法

3.1 分段故障辨識方法

3.1.1 低過渡電阻故障辨識方法

牽引網分段i與過渡區(qū)n的電氣量分布見圖5，當牽引供電系統(tǒng)正常運行時，接觸線電壓Ui1與Ui2維持在19～29 kV[23-24]。若牽引網發(fā)生金屬性故障，接觸線電壓將會快速跌落至17 kV以下[25]，見圖6。當受電弓處網壓低至17.5 kV時，列車功率發(fā)揮百分比降為零，即車載變流器閉鎖，列車停止取流，此時牽引網僅存在故障電流。

圖5 牽引網分段與過渡區(qū)電氣量分布

圖6 機車網壓與功率限制曲線

依據牽引網故障后列車與牽引網電氣特性，結合多端電氣量，提出了基于低電壓啟動的故障辨識方法。牽引網故障啟動判據為

|Ui1|

(1)

式中：Ui1、Ui2為分段i接觸線首端、末端電壓；Uset為低電壓啟動整定值。

接觸線故障辨識判據為

(2)

負饋線故障辨識判據為

( 3 )

式中：Ii1、Ii2為分段i接觸線首端、末端電流；Ii3、Ii4為分段i負饋線首端、末端電流；Iset為電流整定值，k1為制動系數。

3.1.2 高過渡電阻故障辨識方法

當牽引網發(fā)生高阻故障時，接觸網電壓可能保持在17.5 kV以上，但短路電流急劇增大，故障電流增量超過列車電流增量，基于實測數據的機車電流與短路電流增量對比見圖7。當牽引網分段正常運行時，接觸線電流的增量不會超過1輛車啟動電流[22]。利用故障與列車電流增量特點，可增設故障辨識條件，提高牽引網高阻故障辨識能力。

圖7 機車電流與故障電流特性

接觸線故障啟動判據為

|ΔIi1+ΔIi2|>ΔIc

( 4 )

式中：ΔIi1、ΔIi2為分段i接觸線首端、末端電流增量；ΔIc為電流增量整定值，以列車啟動電流作為整定依據。

為避免動車組出現打滑,高頻開關器件短時關閉,列車由正常運行突然轉為緊急再生制動等非正常運行工況時[26-27]，接觸線電流必須保持一定時間內不跌落，接觸線故障辨識判據為

( 5 )

式中：t為故障短路時刻；T為時間整定值。

負饋線故障辨識判據與式( 3 )相同，負饋線故障啟動判據為

|ΔIi3+ΔIi4|>ΔIf

( 6 )

式中：ΔIi3、ΔIi4為分段i負饋線首端、末端電流增量；k2為可靠性系數；ΔIf為電流增量整定值，負饋線無受電弓滑動取流，可不考慮列車啟動電流，以躲過不平衡電流為整定依據。

當負饋線電流滿足辨識判據式( 3 )時，若接觸線與負饋線差動電流相等，則接觸線與負饋線間存在短路故障，接觸線故障辨識判據為

( 7 )

式中：Icf為電流整定值，以躲過不平衡電流為整定依據。

3.2 過渡區(qū)故障辨識方法

過渡區(qū)的接觸線設置較短且為單饋線供電，以低電壓或增量電流啟動的過流判據作為故障辨識方法，為

( 8 )

式中：In為過渡區(qū)n的饋線電流；Imax為機車最大負荷電流。

當牽引網發(fā)生故障后，僅接觸線辨識判據動作，則線路發(fā)生T-R故障；若負饋線與接觸線故障辨識判據動作，則判定線路發(fā)生T-F故障；僅負饋線故障辨識判據動作，則測控系統(tǒng)判定線路發(fā)生F-R故障。

3.3 過渡區(qū)列車辨識方法

當過渡區(qū)處于跳閘等待狀態(tài)時，若測控系統(tǒng)檢測到列車進入過渡區(qū)，過渡區(qū)將被切除，列車辨識判據為

|In|>Iε

( 9 )

式中：Iε為電流整定值，躲過無車運行時電流互感器測量誤差。

AT牽引網結構復雜，故障類型多樣，通過研究機車與牽引網的運行特性，提出多判據混合的故障辨識及列車辨識方法，其中增量電流被應用于高過渡電阻故障辨識，但其判別窗口只存在于故障發(fā)生的時刻，而低電壓啟動與電流差動可以持續(xù)對故障進行識別，直至故障完全消除，低/高過渡電阻故障辨識方法構成完備的貫通同相供電系統(tǒng)AT牽引網主保護方案。結合牽引網故障自愈流程，為AT分段和過渡區(qū)提供了可靠的整套重合閘方案，滿足了貫通同相供電方式下牽引網與機車的安全穩(wěn)定運行。

4 仿真驗證

為驗證AT牽引網辨識方法和自愈流程的正確性，在Matlab/Simulink軟件上搭建了AT牽引網分段保護與狀態(tài)測控系統(tǒng)，供電拓撲見圖1，具體AT牽引網參數見表1、表2，智能測控裝置由自行構建設計實現。本文在AT牽引網的不同位置仿真了各類短路故障，詳細故障工況見表3。

表1 AT牽引網導線參數

表2 AT牽引網分段參數

表3 牽引網故障工況

4.1 故障工況1

FD1分段T-F故障辨識與斷路器狀態(tài)見圖8。0.1 s時刻FD1發(fā)生故障，接觸線首末端電壓迅速跌落至17.5 kV以下，故障辨識啟動，FD1內接觸線、負饋線制動和差動電流滿足故障動作條件，測控系統(tǒng)判定線路發(fā)生T-F故障。測控系統(tǒng)下發(fā)斷路器動作命令，0.21 s時刻，分段FD1首末斷路器分閘，FD1成功被切除。經時延后FD1重合閘，分段兩端電氣量仍滿足動作條件，斷路器再次跳閘，故障分段被再次切除。在0.31 s時刻，檢測到過渡區(qū)存在列車取流，過渡區(qū)TA1跳閘，列車失電，保障列車不帶電進入故障分段。

圖8 FD1分段T-F故障辨識與斷路器狀態(tài)

4.2 故障工況2

FD1分段T-R故障辨識與斷路器狀態(tài)見圖9。如0.1 s時刻FD1發(fā)生故障，首末端電壓仍保持在正常范圍內，但分段內接觸線差動電流增量越過整定值，且接觸線差動電流0.5 s內未發(fā)生跌落，測控系統(tǒng)判定分段發(fā)生T-R故障，接觸線兩端斷路器動作，分段FD1接觸線被切除。經時延后斷路器重合閘，但接觸線差動電流增量再次超過閾值，斷路器再次跳閘，故障接觸線被成功切除。故障發(fā)生后，過渡區(qū)沒有檢測到列車取流，保持跳閘等待狀態(tài)。

圖9 FD1分段T-R故障辨識與斷路器狀態(tài)

4.3 故障工況3

FD2分段F-R故障辨識與斷路器狀態(tài)見圖10。FD2分段存在列車，0.1 s時刻FD2發(fā)生故障，分段首末端電壓仍保持在正常范圍內，僅負饋線故障辨識判據得到滿足，測控系統(tǒng)判定分段發(fā)生F-R故障，同時下發(fā)斷路器動作命令，在0.25 s時刻負饋線被切除。經時延后斷路器重合閘，由于故障為瞬時性故障，負饋線重合閘成功。

圖10 FD2分段F-R故障辨識與斷路器狀態(tài)

4.4 故障工況4

FD3分段T-F故障辨識與斷路器狀態(tài)見圖11。0.1 s時刻FD3發(fā)生故障，分段首末端電壓仍保持在正常范圍內，負饋線與接觸線故障辨識判據都得到滿足，測控系統(tǒng)判定分段發(fā)生T-F故障，同時下發(fā)斷路器動作命令，在0.25 s時刻故障分段FD3被切除。經時延后斷路器重合閘，由于故障為瞬時性故障，負饋線重合閘成功。

圖11 FD3分段T-F故障辨識與斷路器狀態(tài)

4.5 故障工況5

TA1過渡區(qū)T-R故障辨識與斷路器狀態(tài)見圖12。FD2分段存在列車，0.1 s時刻TA1發(fā)生故障，過渡區(qū)TA1電流越過辨識閾值，且相鄰分段FD1與FD2負饋線電流未達到動作條件，測控系統(tǒng)判定過渡區(qū)發(fā)生T-R故障。測控系統(tǒng)下發(fā)斷路器動作命令，過渡區(qū)TA1與分段FD2被切除。經延時后過渡區(qū)TA1斷路器重合閘，但過渡區(qū)電流再次超出閾值，過渡區(qū)重合閘失敗，故障過渡區(qū)被再次切除。

圖12 TA1過渡區(qū)T-R故障辨識與斷路器狀態(tài)

4.6 故障工況6

TA2過渡區(qū)T-F故障辨識與斷路器狀態(tài)見圖13。如圖13所示，0.1 s時刻TA2發(fā)生故障，過渡區(qū)TA2電壓電流越過辨識閾值，且分段FD3負饋線電流達到動作條件，測控系統(tǒng)判定分段發(fā)生T-F故障。測控系統(tǒng)下發(fā)斷路器動作命令，切除過渡區(qū)TA1與分段FD3負饋線，并聯跳分段FD3接觸線。經時延后斷路器重合閘，由于故障為瞬時性故障，負饋線重合閘成功。

圖13 TA2過渡區(qū)T-F故障辨識與斷路器狀態(tài)

5 結論

隨著貫通同相供電技術的穩(wěn)步推廣與工程應用，電氣化鐵路對牽引網故障正確辨識與可靠自愈提出了更高要求。

本文基于同相貫通供電系統(tǒng)結構特征，提出一種新型的AT牽引網分段供電方案，以AT分段和過渡區(qū)作為供電單元，實現了網格化供電結構；基于牽引網分段供電拓撲，分析了不同故障工況下各斷路器理想動作情況，構建了最小停電區(qū)間的故障自愈流程；針對貫通供電系統(tǒng)復雜故障工況，基于列車和牽引網電氣耦合特征，給出多判據混合的故障辨識方法，實現牽引網故障分段和故障類型的快速辨識，為故障自愈重組提供了可靠的理論依據。通過Matlab/Simulink仿真，驗證了該方法的準確性和對各種故障場景的可靠性。

本文提出的新型牽引網分段供電方案，最小停電區(qū)間的故障自愈流程與正確的故障區(qū)段與故障類型辨識方法，可以有效提高貫通供電系統(tǒng)的可靠性和靈活性，為青藏與川藏電氣化鐵路建設提供了參考。