復線電氣化鐵路供電臂控制保護方案研究

摘 要：針對蘭新線某牽引變電所試運行期間的一起饋線保護跳閘事故，介紹了采用直接供電方式的復線電氣化鐵路的特點，在分析傳統的牽引變電所和分區所供電臂控制保護方案不足的基礎上，提出了一種新型的供電臂控制保護方案。通過在全線各所亭之間增設專用數字通信通道，實現牽引變電所與分區所之間信息共享，達到快速切除供電臂故障和防止供電臂上各開關誤操作的目的，提高了供電可靠性和調度自動化水平。

關鍵詞：電氣化鐵路；牽引供電系統；供電臂；控制；保護

引言

2011年7月19日，蘭新線某牽引變電所在試運行期間，變電所饋線斷路器213距離保護I段動作，900ms后饋線斷路器214電流增量保護動作，分區所上下行并聯斷路器272保護未動作。故障發生在213斷路器對應的供電臂下行，按理說該故障應由饋線斷路器213和分區所上下行并聯斷路器272之間的保護配合迅速切除，而不應影響上行供電臂的正常供電。變電所保護裝置的跳閘報告顯示，213饋線保護裝置測出的短路阻抗為：R=14.52Ω，X=0.98Ω，距離保護電阻邊界值整定為16.38Ω。供電臂全長18.41km，故障點距變電所2km左右，所以短路點的接地電阻值可近似為14.52Ω，接地故障性質為非金屬性接地。分區所距短路點的距離較遠，加之接地為非金屬性接地，其測量到的短路阻抗值在距離保護的動作區域外，距離保護無法啟動，導致事故范圍擴大。

在復線電氣化鐵路中，變電所與分區所之間的距離通常在20公里左右，兩所之間的開關無法采用電氣閉鎖防止誤操作。所以牽引變電所V停作業時，經常由于誤操作分區所的上下行并聯斷路器而將電送至停電區段，輕則燒毀接地封線，重則會危及人身安全，這種事故在很多鐵路局都曾發生過。

為避免接觸網故障時上下行相互影響和防止誤操作分區所斷路器，在復線電氣化鐵路開通初期，只要接觸網末端電壓能夠滿足規范要求，運營單位大多選擇將分區所上下行并聯斷路器退出運行。

針對上述問題，文章提出了一種新型的復線電氣化鐵路供電臂控制保護方案，通過實現變電所與分區所之間信息共享，達到快速切除供電臂故障的目的和防止供電臂上各開關誤操作。

1 復線電氣化鐵路的特點

在復線電氣化鐵路中，主要采用直接供電方式、BT（Booster Transformer）供電方式和AT（Autotransformer）供電方式。鐵路沿線一般每40至50公里設置一座牽引變電所，牽引變電所之間設置分區所，上下行供電臂在分區所通過斷路器實現并聯。當供電臂上發生故障時，通過牽引變電所饋線斷路器和分區所上下行并聯斷路器對應的保護裝置在保護定值和動作時限方面的配合實現故障的快速隔離和恢復供電[1-3]。

以蘭新線烏西至阿拉山口段電氣化改造工程所采用的直接供電方式為例，其供電臂示意圖如圖1所示。當斷路器211、212合閘向接觸網正常供電時，合分區所上下行并聯斷路器271；當相鄰兩牽引變電所的211、212、213、214饋線斷路器均處于分閘狀態時，分區所2001、2002越區隔離開關可進行分合閘操作。分區所的運行方式完全由相鄰的牽引變電所決定。

圖1 直接供電方式供電臂示意圖

2 傳統控制保護方案及其缺點

2.1 傳統控制保護方案

傳統的保護方案是在牽引變電所和分區所中分別設置饋線保護測控裝置，直接動作于對應的斷路器。牽引變電所和分區所的饋線保護測控裝置通過保護定值和動作時限的配合來滿足繼電保護的選擇性，同時，牽引變電所的饋線保護作為分區所饋線保護的遠后備保護。

目前電氣化鐵道牽引供電系統的控制方案一般都是通過繼電器邏輯回路實現對開關設備的控制、斷路器與隔離開關的聯動和聯鎖。

2.2 傳統控制保護方案的缺點

由于各牽引變電所、分區所等所亭的控制保護裝置各自構成一個獨立的系統，相互之間沒有信息交換，只與牽引調度中心進行信息交換[4-6]。因此，必然會存在以下幾個問題：（1）在某些故障情況下，分區所饋線保護易拒動，導致故障范圍擴大；（2）缺乏供電臂內牽引變電所饋線斷路器與分區所開關的聯鎖，易誤操作；（3）缺乏供電臂內牽引變電所饋線斷路器與分區所開關的條件控制能力，系統不具備自動工況控制功能，供電臂運行方式的改變只能通過人工完成。

3 新型控制保護方案

為了解決傳統控制保護方式存在問題，文章提出了一種新型的復線電氣化鐵路供電臂控制保護方案，基本思想是：利用遠動通道或專用數字通道實現牽引變電所和分區所之間的信息共享，使分區所上下行并聯斷路器與變電所的饋線斷路器實現聯跳，達到快速切除故障線路的目的，防止事故范圍擴大；增加軟件閉鎖功能實現牽引變電所饋線斷路器和分區所開關之間的聯動和聯鎖，防止誤操作。

變電所饋線斷路器通過遠動通道或專用通信通道與分區所上下行并聯斷路器實現聯跳，即變電所饋線保護或分區所保護裝置任何一方在接收到對方發出的動作信號后，即啟動跳閘回路。斷路器聯跳保護在地鐵饋線保護中已經得到了廣泛的應用[7-8]，只是實現的方式與文章所采用的不同。為保證控制保護的可靠性，筆者推薦采用2M專用通信通道將全線牽引變電所和分區所貫通，不必成環網。該控制保護方案的網絡結構如圖2所示。

圖2 網絡結構圖

3.1 保護方案

以圖1所示的供電臂為例，分正常供電變電所饋線斷路器先動作、正常供電分區所上下行并聯斷路器先動作和越區供電三種情況說明。

3.1.1 正常供電變電所饋線斷路器先動作

當下行方向供電臂上發生故障且變電所饋線保護測控裝置先檢測到故障，供電臂的保護方案如下：

（1）211饋線保護測控裝置檢測到故障信息，給211斷路器發出跳閘命令，同時通過專用通道給271斷路器保護測控裝置發跳閘信號；

（2）271斷路器保護測控裝置收到變電所饋線跳閘信號后，控制271斷路器跳閘；

（3）211饋線保護測控裝置啟動一次重合閘，如重合閘成功，則給271斷路器保護測控裝置發重合閘信號啟動271斷路器重合閘；反之，則不啟動。

如上行方向供電臂上發生故障時，212饋線保護測控裝置給212斷路器發出跳閘命令，同時通過專用通道給271斷路器保護測控裝置發跳閘信號，其保護方案與下行供電臂故障時相同。

3.1.2 正常供電分區所上下行并聯斷路器先動作

（1）271饋線保護測控裝置檢測到故障信息，給271斷路器發出跳閘命令，由故障電流的方向判斷故障發生在上行還是下行，通過專用通道給相應的變電所饋線保護測控裝置發跳閘信號；

（2）變電所饋線保護測控裝置收到分區所保護跳閘信號后，控制饋線斷路器跳閘；

（3）變電所饋線保護測控裝置啟動一次重合閘，如重合閘成功，則給271斷路器保護測控裝置發重合閘信號啟動271斷路器重合閘；反之，則不啟動。

3.1.2 越區供電

越區供電時分區所上下行并聯斷路器打開，變電所饋線保護采用越區供電的整定值，供電臂發生故障時變電所饋線斷路器保護跳閘切除故障的同時，不給分區所發聯跳命令。

3.2 控制方案

牽引變電所和分區所之間通過專用通道實時傳送各自的開關位置信息，在饋線保護測控裝置里增加各開關的軟件閉鎖。以211、271斷路器和2001越區隔離開關為例：

211斷路器原合閘條件為：2111隔離開關合閘；

271斷路器原合閘條件為：2711、2712隔離開關合閘；

2001越區隔離開關原來的合分閘條件為：兩側母線電壓互感器無壓；

在新的控制方案里將原來的電氣閉鎖改為軟件閉鎖，考慮分區所兩側兩個供電臂上所有斷路器、隔離開關的聯鎖，修改后的閉鎖條件如下：

211斷路器合閘條件為：2111隔離開關合閘、271斷路器分閘；

271斷路器合閘條件為：2711、2712隔離開關合閘，211、212斷路器合閘，當合閘條件滿足時271斷路器自動合閘，提高調度自動化水平；

2001越區隔離開關合分閘條件為：211、213、271、272斷路器分閘。

變電所和分區所之間的開關相互閉鎖，從技術上杜絕誤操作。同時，越區隔離開關的合、分閘操作不再與電壓互感器的電壓繼電器閉鎖，從而可以取消分區所內電壓互感器的設置，減少故障點，提高分區所的供電可靠性。為實時監測接觸網末端電壓，則可保留1臺電壓互感器。

4 結束語

直接供電方式具有結構簡單、投資低、運營維護工作量小的特點，是我國電氣化鐵路應用最為廣泛的供電方式。分區所作用的正常發揮對于降低接觸網壓損和減少接觸網電能損耗意義顯著。文章針對采用直接供電方式的復線電氣化鐵路提出的新型供電臂控制保護方案克服了分區所傳統控制保護存在的諸多缺點，在提高分區所的供電可靠性的同時提高了整個牽引供電系統的可靠性。該方案對于采用其他供電方式的復線電氣化鐵路同樣適用。

在具體實施方面仍有許多問題需要繼續研究，文章為復線電氣化鐵路供電臂控制保護方式的研究提供了一種新的思路，起拋磚引玉之作用。

參考文獻

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作者簡介：蔣功連（1981-），男，廣西桂林人，碩士，工程師，從事電氣化鐵道牽引變電設計的研究工作。