永久性故障對全并聯AT供電距離保護的影響

李 強，宋琳琳，李 波，尤 志

0 引言

目前電氣化鐵道存在多種供電方式，主要有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、BT供電方式、AT供電方式等[1]。由于AT供電方式具有供電距離長、牽引網電壓損失小、電能損失小和對通信線路影響小等優點，受到了國內外高速鐵路的青睞。國內的客運專線和城際鐵路幾乎都采用全并聯AT供電方式[2]。

全并聯AT供電系統是將上下行供電臂在變電所、AT所和分區所通過斷路器和隔離開關實現并聯的系統，該系統能減小接觸網單位阻抗、降低電壓損失、增加供電能力和改善供電質量。全并聯AT供電方式較其他供電方式復雜，發生故障的概率大，停電影響范圍廣，因此，研究一套適應該供電方式的饋線保護策略是很重要的，同時由于有效的整定值是保護可靠動作的關鍵，所以，只有同時具備兩者才能保障牽引供電系統的安全性，并提高牽引供電系統的可靠性。

1 全并聯AT供電方式饋線保護策略

全并聯AT供電系統（如圖1）發生故障時，上下行需要同時跳閘，才能切除故障，但是這樣會擴大停電范圍，使故障線路和非故障線路同時停電。饋線保護策略應該盡量縮小發生故障時的停電范圍，并要求故障線路及時退出運行，非故障線路快速恢復供電。

圖1 全并聯AT供電系統供電臂示意圖

由圖 1可見，由于牽引變電所主變壓器采用V/X接線，所以在出口處不需要單獨設AT變壓器。在正常運行時 AT所和分區所自耦變壓器 1臺運行，1臺備用，所有饋線斷路器和隔離開關都閉合。當發生故障時（如K1處短路），斷路器動作順序如下：①1QF和2QF同時跳閘，使上下行全部停電。②AT所和分區所檢測到線路失壓，使其斷路器（3QF、4QF、5QF和6QF）跳閘。經過上面的操作，全并聯AT供電系統變成上下行相互獨立的直接供電系統，同時使故障線路和非故障線路分隔開。③饋線斷路器（1QF和2QF）重合閘，若K1處故障是永久性故障，則上行重合閘失敗，下行重合閘成功，否則上下行重合閘都成功。④當AT所和分區所檢測到線路有壓后，相應斷路器進行重合閘。由于所有AT變壓器同時投入，會使線路產生較大的勵磁涌流，為了避免較大的勵磁涌流對斷路器等設備產生影響和引起保護誤動，AT變壓器按距離牽引變電所的近遠，通過一定時限配合依次重合閘，同時系統由直接供電方式逐漸變成AT供電方式（如3QF和4QF檢測到線路有壓后，通過一定時間延遲進行重合閘，而5QF和6QF重合閘的時間延遲較3QF和4QF長）。

通過上面的保護策略，若線路為永久性故障，可以使非故障線路快速恢復正常供電，故障線路退出運行；若為瞬時性故障，上下行可以快速恢復成全并聯AT供電方式。

2 全并聯AT供電方式保護配置

由文獻[2]可知，變電所、AT所和分區所的饋線保護配置如表1所示。

表1 饋線保護方案表

表 1中的饋線保護配置能夠滿足上面所提到的保護策略要求，只是需要各種保護之間有一定的時限配合。距離保護是變電所饋線的主保護，全并聯AT供電方式采用自適應四邊形動作特性，設置一段距離保護即阻抗1段，保護范圍按供電臂全長整定，電抗整定值按供電臂范圍內發生不同類型短路故障時保護安裝處測得的最大電抗乘以可靠系數整定，電阻整定值根據最大負荷阻抗值整定。

電流速斷保護和電流增量保護是饋線的后備保護，主要用于消除距離保護死區和高阻抗斷線故障。AT所和分區所除了失壓保護和檢有壓重合閘外，針對AT變壓器還設置了差動保護、碰殼保護、過電流保護、過負荷保護以及非電量保護。

3 永久性故障對距離保護的影響

如上行K1處發生永久性故障，則饋線保護應先將所有斷路器斷開，然后進行重合閘操作恢復下行供電，上行退出運行。由文獻[2]分析可知，重合閘前后距離保護如果按一個固定值進行整定，距離保護可能會出現拒動或誤動現象，從而提出了采用重合閘前和重合閘后2個不同的整定值，并且給出了具體的邏輯關系來啟動重合閘后阻抗值，通過該方法保障距離保護的可靠性。

由于非故障線路是一個逐漸恢復供電的過程，在恢復供電過程中是否出現距離保護的拒動或者誤動，文獻[2]中沒有進行具體分析。下面通過對線路仿真來研究該過程對距離保護的影響。

3.1 全并聯AT供電方式短路仿真分析

圖 2為通過仿真得出的牽引網發生金屬性短路故障時的阻抗曲線。

圖2 全并聯AT供電方式短路阻抗曲線圖

仿真參數為[3]L1= 15 km，L2= 15 km，

ZT= 0.231 4 + j0.683 1，ZR= 0.140 0 + j0.582 6，

ZF= 0.212 0 + j0.746 3，ZTR= 0.050 0 + j0.313 7，

ZTF= 0.050 0 + j0.413 3，ZFR= 0.050 0 + j0.305 3，單位均為Ω/km。

由圖2分析可知，線路短路阻抗為一系列馬鞍形曲線，由于AT變壓器存在漏抗，使得TR短路、FR短路與TF短路在牽引變電所出口處、AT所處和分區所處有一固定差。

3.2 直接供電方式下短路仿真分析

重合閘后，所有的AT變壓器都沒有投入運行，此時的線路為直接供電方式，仿真圖形如圖 3所示。可以看出除了TF短路外，TR短路和FR短路與全并聯AT供電方式短路阻抗存在較大差異，且供電臂越長，該差異越大，若此時全并聯AT供電的阻抗整定值不變，會引起距離保護拒動現象。

圖3 直接供電方式短路阻抗曲線圖

3.3 AT變壓器投入過程短路仿真分析

由前面的分析可知，AT變壓器是逐個投入運行的，按距離牽引變電所的近遠，通過一定時限配合依次投入，先投入AT1或者AT2，隨后投入AT3或者AT4，仿真圖形如圖4、圖5所示。可以看出,只有AT所投入時，線路阻抗在AT所到分區所之間呈線性分布，而分區所投入運行后線路短路阻抗為馬鞍形曲線，但是數值上與全并聯AT供電的短路阻抗值有一定差異。

圖4 AT所投入到線路時短路阻抗曲線圖

圖5 AT所和分區所投入到線路時短路阻抗曲線圖

3.4 AT所變壓器退出運行短路仿真分析

通過AT變壓器的逐漸投入，使全并聯AT供電方式變成了單線AT供電方式。AT所采用變壓器固定備用方式，當1臺變壓器故障退出運行時，另外1臺變壓器通過備用自投裝置使其投入運行，這樣就可以保障系統的穩定運行，但是也會因母線故障等原因使2臺AT變壓器同時退出運行，圖6為AT所退出運行時線路的短路阻抗曲線圖。

圖6 AT所退出線路時短路阻抗曲線圖

為了更好地比較線路短路阻抗變化，將各種情況下的F-R短路阻抗繪于圖7。

圖7 系統恢復供電過程的阻抗變化曲線圖

由圖7可知，當系統解裂為直接供電方式時，線路測得的短路阻抗最大，為了避免系統重合閘后距離保護拒動，可以按文獻[2]提到的方法整定新的阻抗值。當AT變壓器投入時，線路阻抗若繼續按直接供電方式整定，會因整定值過大而引起誤動；若按全并聯方式整定，在只有AT所投入情況下，第二段 AT線路的后半部分會出現拒動現象；在AT所和分區所都投入的情況下，2種整定值都因較大而引起誤動；在AT所退出運行情況下，也會由于2種整定值都較大而引起誤動。所以，為了保證全并聯AT供電的可靠性和安全性，應當設定多個阻抗整定值，根據AT變壓器的投入情況，在不同整定值之間進行切換，該方式在微機保護裝置中是可以實現的。

4 結論

根據全并聯AT正常供電時，分區所和AT所只有1臺AT變壓器投入的特點，提出的饋線保護策略能夠消除線路瞬時故障，縮小停電范圍，滿足高速鐵路的要求。分析了上行發生永久性故障后下行恢復供電的變化過程，并且對各種變化過程的線路進行了短路阻抗仿真。最后通過比較分析，提出根據AT變壓器的投入情況切換不同的整定值，從而保障供電的可靠性。仿真模型沒有考慮接地網和保護線等影響，所以和實際線路存在一定的誤差。

[1]熊列彬.全并聯AT供電方式下供電臂保護控制方案[J].電力系統自動化，2006，（22）：73-76.

[2]鮑英豪.全并聯AT供電方式保護和測距方案研究[J].電氣化鐵道，2010，（2）：15-19.

[3]朱正芳.AT牽引網故障測距原理研究與改進[J].電氣化鐵道，2003，（6）：27-31.

[4]王繼芳，高仕斌.全并聯AT供電牽引網短路故障分析[J].電氣化鐵道，2005，（4）：20-23.

[5]李群湛，賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.