鄭西高鐵全并聯AT越區供電阻抗保護配置的分析

劉曉路

(鄭州鐵路局 供電處，河南鄭州450052)

1 全并聯AT牽引網的特點和阻抗特性

(1)全并聯AT牽引網的結構

全并聯AT牽引網是在復線AT牽引網的基礎上，將上下行牽引網的接觸線T，鋼軌R和正饋線F在變電所出線處及AT所處、分區所處通過橫連線并聯起來。

(2)全并聯AT牽引網的特點

與不并聯的AT供電方式相比，全并聯AT供電方式可以減少牽引網的單位長度阻抗，降低牽引網電壓損失，增大牽引變電所的間距，減小對軍事、商業及民用的電磁和通信干擾，將AT變壓器連入接觸網時不需要設置絕緣錨段關節。

在全并聯AT供電方式下，由于在每一個AT分區所或AT所進行電氣的連接后，整個牽引網的電路拓撲結構變得極其復雜。變電所的保護配置也變得復雜。當牽引網線路發生短路或者斷路故障時，上下行線路同時跳閘，停電范圍較大，故障區段及故障地點的準確判別也較困難，不利于故障的排除和供電的及時恢復。

(3)全并聯AT供電牽引網的阻抗特性

AT供電的牽引網阻抗特性如圖1所示，呈馬鞍形，為非線性阻抗，和既有線的BT供電或直供等線性阻抗有很大區別。其中虛線部分為上下行不并聯的阻抗分布狀況，實線為上下行實現全并聯供電方式下的阻抗分布情況。

圖1 AT供電線路的阻抗特性

2 鄭西高鐵復線全并聯AT越區供電模型

以實際情況畫出變電所1向變電所2越區供電的實際模型圖，越區時變電所2的213T、214T、213F、214F是分開的，圖中其他所有開關均處于合位。

圖2 全并聯越區供電模型圖

3 鄭西高鐵復線全并聯AT越區供電時阻抗保護

3.1 越區供電時變電所阻抗保護的整定原則分析

牽引變電所在保護裝置的1區設阻抗Ⅰ段和阻抗Ⅱ段，忽略了越區時末端的直供段阻抗，其保護方案如下:

(1)阻抗Ⅰ段:線路阻抗:

負荷阻抗:

(2)阻抗Ⅱ段:線路阻抗:

負荷阻抗:

式中RX為負荷阻抗;θ為線路阻抗角;nL為電流互感器變比;ny為電壓互感器變比;XX1為變電所1至分區所之間AT段的線路阻抗;XX2為分區所至AT所2之間AT段線路阻抗;XX為線路阻抗整定值;φj為負荷角。

(3)Ⅰ段時限 t=0.1 s，Ⅱ段時限 t=0.4 s。

上述整定原則考慮了越區時全段的非線性阻抗，而忽略了AT所2到變電所2之間的線性直供阻抗xz，因此在變電所1向變電所2越區時，當末端出現接地故障時，將有可能保護不到線路末端，從而出現較大的事故。開通之初，就發生過一起這樣的典型案例:其中1所向2所越區(如圖2)，由于變電所增量保護因其他原因撤出，阻抗保護只有Ⅱ段阻抗在發揮著作用，該Ⅱ段阻抗保護因未考慮最后一段直供阻抗，所以在末端因施工原因導致了接地現象，而Ⅱ段又未能保護到末端，導致接觸網承力索和導線大面積燒毀的事故。

3.2 高次諧波抑制的誤區

原阻抗保護原理的高次諧波抑制和2次諧波閉鎖是這樣描述的:距離保護一、二段均采用高次諧波抑制、二次諧波閉鎖，可投退。當投入高次諧波抑制時，如果電流中存在3次和5次諧波，動作范圍并不是定值整定的范圍，而是裝置根據實時的3次和5次諧波與基波電流的大小關系計算出的另外一個范圍，計算公式見式(5)，此時的動作范圍并不是固定的，而是和實時的基波、3次諧波、5次諧波的大小關系有關。當投入2次諧波閉鎖時，如果2次諧波與基波電流的比值大于定值2次諧波閉鎖系數Kh1，則閉鎖距離保護見式(6)。

距離保護啟動后如果裝置檢測到PT斷線，則閉鎖距離保護。

圖3為距離I段保護的邏輯框圖，Ⅱ段距離保護的邏輯框圖與I段相同。圖中，ZZD1為I段整定電阻、電抗定值，ZZD1'為投入諧波抑制后，裝置本身根據公式(5)計算出的實時動作范圍。

定值調整原則:

式中Zzd為距離保護定值;Khr1為距離過流諧波加權系數，通過定值整定;I1、I3、I5為保護電流中的基波、3次諧波、5次諧波。

2次諧波閉鎖距離保護:

式中Kh為2次諧波閉鎖系數，通過定值整定;I1為保護電流中的基波;I2為保護電流中的2次諧波。

原阻抗保護邏輯框圖如圖3。

圖3 原阻抗保護邏輯圖

上述高次諧波抑制原理是采用既有線的原理，事實上我國高鐵線路，因高速動車技術中采用了先進的電子技術，已不再存在有3、5、7次諧波，所以，高次諧波抑制已不適應高鐵牽引供電的阻抗保護，有必要進行改進，可以撤出或剔除高次諧波抑制功能。

3.3 越區時分區所未設阻抗保護

鄭西高鐵在開通運營之際，越區時分區所的保護只配置了電流速斷和過電流保護、失壓保護以及AT變壓器的一些電量保護和非電量保護，Ⅰ區未設阻抗保護。這樣，在末端接地短路時，由于過電流和電流速斷的局限性，不一定能有效地保護到末端，而作為距離保護的主保護——阻抗保護是非常有必要的。

4 改進方案

4.1 全并聯越區供電時分區所和變電所阻抗保護邏輯原理的改進

鄭西高鐵的距離保護均采用平行四邊形特性，如圖4，線路阻抗角α可以通過定值整定。考慮分區所及區間開閉所保護要求，保護配置中每一段都可以設置為正向或反向，當正向不投時默認為反向。

如果裝置的額定電流為5 A，投入平行四邊形特性時，平行四邊形與R軸、X軸負軸相交點的坐標為1 Ω;如果裝置的額定電流為1 A，投入平行四邊形特性時，平行四邊形與R軸、X軸負軸相交點的坐標為5 Ω。這樣，可有效地消除距離保護的死區。

依據前述問題距離保護可剔除高次諧波抑制、保留2次諧波閉鎖及PT斷線閉鎖，可投退。改進后的阻抗保護邏輯圖如圖5，為距離I段保護的邏輯框圖，Ⅱ段距離保護的邏輯框圖與I段相同。圖5中，ZZD1為阻抗整定值。

當投入2次諧波閉鎖時，如果2次諧波與基波電流的比值大于定值2次諧波閉鎖系數Kh，則閉鎖距離保護，公式見式(7)。

距離保護啟動后如果裝置檢測到PT斷線，則閉鎖距離保護。

2次諧波閉鎖距離保護:

式中Kh為二次諧波閉鎖系數，通過定值整定;I1、I2為保護電流中的基波、2次諧波。

圖4 距離保護阻抗特性圖

圖5 改進后的距離I段保護邏輯框圖

4.2 全并聯越區供電時分區所和變電所阻抗保護的配置和整定原則

4.2.1 越區時變電所阻抗保護的整定原則

越區時阻抗定值的整定:因越區時，對變電所而言要整體考慮，變電所應配置兩段保護。

線路阻抗可分為AT段和直供段:具體為變電所1至分區所的越區段為AT段;分區所至AT所2的被越區段為AT段;AT所2到變電所2之間為直供段，見圖2。因此，整定原則應為:

(1)阻抗Ⅰ段:線路阻抗:

負荷阻抗:

(2)阻抗Ⅱ段:

線路阻抗:

負荷阻抗:

式中KK為可靠系數;ZJmin為最小負荷阻抗。

(3)Ⅰ段時限 t=0.1 s，Ⅱ段時限 t=0.4 s。

4.2.2 越區時分區所應設Ⅰ段阻抗保護

阻抗Ⅰ段保護定值分AT段阻抗和直供段阻抗，線路阻抗和負荷阻抗用公式表達為:

線路阻抗整定為:

負荷阻抗整定為:

整定時限 t=0.1 s。

5 結束語

在鄭西高鐵全并聯AT越區供電中，鑒于阻抗保護邏輯和配置方面的缺陷，曾幾度影響行車的實際情況，通過上述改進，Ⅰ、Ⅱ段阻抗保護的邏輯圖經過修改編譯重新下載到阻抗保護測控裝置中;對Ⅰ、Ⅱ段阻抗保護配置的補充，并在時限級差選擇方面做到有效配合，通過一段時間的實際運行檢驗，運行良好，有效地解決了鄭西高鐵阻抗保護以往存在的問題。

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