組合式同相供電繼電保護方案研究

黃華學

0 引言

組合式同相供電技術是在有源濾波器同相供電技術基礎上提出來的，該供電技術導致了變電所主接線和牽引電流分布的變化，原有的繼電保護配置不能完全滿足“四性”要求，而合理的繼電保護配置是鐵路安全、高速運行的關鍵。本文在研究組合式同相供電的基礎上，提出了一套適用于該供電方式的繼電保護方案。

1 組合式同相供電

組合式同相供電技術放棄了原同相供電技術中結構復雜、造價昂貴的平衡變壓器，以單相牽引變壓器為基礎，配以適量的同相對稱補償裝置。該技術不僅繼承了基于有源濾波器同相供電技術的優(yōu)點，取消了牽引變電所出口電分相，從根本上解決了諧波、無功和負序對電力系統(tǒng)產生的不良影響，除此之外，它還可以最大程度地減少價格昂貴的同相補償裝置中交直交變流器的容量及其所占比重，有效減少同相供變電裝置的一次性投資，提高牽引變壓器利用率及牽引變電所運行的靈活性。 主變壓器和高壓匹配變壓器通過電氣連接，等 效于一臺次邊電壓相互垂直的平衡變壓器。根據高壓匹配變壓器接線方式的不同，其可以分為單三相 組合式同相供電和單相組合式同相供電2 種方式；根據供電方式的不同，其可分為直供和AT 供電方式，綜合考慮實際鐵路運行情況，本文研究組合式同相AT 供電，如圖1所示。

圖1 單相組合式AT 同相供電系統(tǒng)示意圖

圖1中，TT 為單相牽引變壓器，TB 為備用牽引變壓器，HMT 為高壓匹配變壓器，ADA 為交直交變流裝置，TMT 為牽引匹配變壓器，其中HMT、ADA 和TMT 構成平衡變換裝置。單相牽引變壓器繞組中點和高壓匹配變壓器原邊一端連接，形成不等邊的Scott 變壓器，牽引變壓器次邊采用中點接地方式。

2 組合式同相供電保護配置方案

組合式同相AT 供電配置保護主要分為3 部分：牽引變壓器、平衡變換裝置、牽引網。由于補償母線的存在，導致保護配置必須做出調整。

2.1 牽引變壓器保護配置

2.1.1 牽引變壓器保護

牽引變壓器TT 承擔著大部分的牽引供電任務，為了保障其能正常運行，快速準確地切除變壓器內外部故障，使損失降到最低，對組合式同相供電主變壓器設置了比率差動保護、復合電壓過電流保護、過負荷保護、接地保護、非電量保護等。差動保護裝置作為牽引變壓器的主保護裝置，能夠準確地區(qū)分變壓器內外部故障，整定值按躲過最大不平衡電流整定，保護配置見表1。

表1 牽引變壓器保護配置一覽表

值得注意的是，上述保護裝置母線M1提供保護，因此為M1設置母線低壓過電流保護和母線失壓保護，當母線M1出現(xiàn)短路故障時，斷路器動作流程：斷路器K1和K4可靠動作，由于采用聯(lián)動方式，所以斷路器K2同時斷開，切除故障母線；此時，平衡變換裝置檢測到斷開故障母線，故斷路器K3和K7聯(lián)動斷開，平衡變換裝置退出運行；經過延時，自動合上斷路器K5和K6，備用變壓器投入運行，然后合上斷路器K3和K7，平衡變換裝置投入運行，實現(xiàn)同相供電。為了保證母線故障后實現(xiàn)同相供電，以投入備用牽引變壓器為代價，斷路器K4安裝于靠近平衡變換裝置側。兩側母線同時故障概率很小，故K5斷路器安裝位置無特別要求。

2.1.2 組合式同相供電備投方案

一個平衡裝置出現(xiàn)故障退出系統(tǒng)運行時，牽引變壓器二次側的電流就為負荷電流，此時，通過平衡變換裝置的電流為0，電流失去平衡，同時產生負序電流，考慮嚴重情況，即多個變電所同時故障，各個牽引變電所產生的負序電流就會疊加；另一方面，當同相變換裝置故障時，只能運行在牽引變壓器單相供電狀態(tài)，失去了同相供電的優(yōu)勢。綜上考慮，對補償母線和平衡變換裝置增加“冗余”配置，如圖2所示。

斷路器高低壓側采用聯(lián)動，所以本文考慮斷路器開斷時只闡述高壓側斷路器開斷情況，如K1和K2聯(lián)動，只闡述K1斷路器開斷情況。正常情況下，斷路器K1、K4、K6處于閉合狀態(tài)，K3、K5、K8、K10、K11、K12、K13處于斷開狀態(tài)，由圖2可知，100%備用組合式同相供電備投情況如下：

（1）母線M1故障，母線失壓保護動作，K4、K6斷開，隔離故障母線，經過一定時間延遲，K3、K5閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復同相供電。

（2）牽引變壓器故障，差動保護動作，K1、K4、K6依次斷開，切除故障變壓器，經過延時，備用牽引變壓器投入運行，K13、K12、K8依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復同相供電。

（3）平衡變換裝置故障，有功功率差動保護動作，K6斷開，經過一定延時，K8閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復同相供電。

（4）牽引變壓器和母線M1同時故障，失壓保護和差動保護動作，K1、K4、K6依次斷開，經過延時，K13、K11、K5依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復同相供電。

圖2 100%備用組合式同相供電示意圖

（5）牽引變壓器和平衡變換裝置同時故障，差動保護和有功功率差動保護動作，K1、K6、K4依次斷開，切除故障牽引變壓器和平衡變換裝置。經過延時，K13、K12、K8依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復同相供電。

（6）母線M1和平衡變換裝置同時故障，失壓保護和有功功率差動保護動作，K4，K6依次斷開，切除故障母線和平衡變換裝置。經過延時，K3、K10依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復同相供電。

（7）3 個裝置同時故障，差動保護裝置、失壓保護及有功功率差動保護動作，K1、K6、K4依次動作，切除故障牽引變壓器、母線M1和平衡變換裝置。經過延時，K13、K11、K10依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復同相供電。

2.2 平衡變換裝置保護配置

2.2.1 平衡變換裝置

平衡變換裝置作為同相供電技術的核心部件，可以實現(xiàn)平衡變換，補償諧波、負序和無功。在組合式同相供電系統(tǒng)中，平衡變換裝置主要由高壓匹配變壓器、交直交變流器和牽引匹配變壓器構成。高壓匹配變壓器把母線220 kV（或110 kV）等級的電壓降壓10 kV，供給交直交變流器ADA，把交流變成直流，再經過逆變器把直流變成單相交流，電壓經牽引匹配變壓器升壓到55 kV 給機車供電，如圖3所示。

圖3 單相背靠背平衡變換裝置示意圖

實際工程中的平衡變換裝置單個模塊受容量的限制（一般一個模塊為1.25 M），交直交變流器由圖3所示的多個相同模塊構成，多個模塊變流器的一側與高壓變壓器的次級相連，構成多重并聯(lián)變流器；各模塊次邊串聯(lián)后通過連接電感與牽引匹配變壓器繞組并聯(lián)，構成多個級聯(lián)逆變器。

2.2.2 平衡變換裝置保護方案

由2.2.1 節(jié)可知，平衡變換裝置主要由隔離變壓器（包括高壓匹配變壓器和牽引匹配變壓器）和變流器兩部分組成，分別給高壓匹配變壓器設置與主變壓器相同的本體保護方案，如電流差動保護，過流保護，過熱保護等，由于牽引匹配變壓器靠近ADA 側為多繞組（工程運用中有15 繞組的情況），電流電壓信息量采集過多，電流互感器造價過高，差動保護難以實現(xiàn)，所以采用非電量保護瓦斯保護作為其主保護，配以其他后備保護；交直交變流器保護類似于有源濾波器保護，設置電力電子脈沖封鎖保護，過流保護，過壓保護，直流側過壓/欠壓保護、IGBT 智能旁路等。保護配置參見表2。

表2 平衡變換裝置保護配置一覽表

把設備分開考慮設置的保護存在動作死區(qū)，如高壓匹配變壓器和交直交變流器之間連接電纜出現(xiàn)接地故障都會判定為是設備外部故障而拒動，所以，以平衡變換裝置整體考慮，為其設置有功功率差動保護和反時限過電流保護。有功功率差動保護可以很好地區(qū)分內外部故障，原理與電流差動保護類似，整定值主要受2 方面的影響：高壓匹配變壓器、牽引變壓器及交直交變流器的有功損耗；電壓互感器和電流互感器正常工作時存在的誤差。有功功率差動保護設置如圖4。反時限過電流保護主要是作為有功功率差動保護的后備保護，在平衡變換裝置外部故障和過負荷時啟動，使系統(tǒng)安全退出運行。無論是有功功率差動保護，還是反時限過電流保護，在直流側充電過程中都有可能引起保護誤動，所以應該增加充電閉鎖功能。

圖4 有功功率差動保護原理圖

2.3 饋線保護

在組合式同相供電中，雖然取消了牽引變電所出口處電分相，但基于牽引網的阻抗特性不變，所以組合式同相供電饋線保護和原來的同相供電饋線保護原理相同，故障時基于縮小停電范圍的原則，需給牽引變電所出口處設置分相斷路器。本文以AT 供電方式為例，饋線保護配置見表3。

表3 饋線保護配置一覽表

3 結論與展望

以單相變壓器構成的組合式同相供電系統(tǒng)，不僅繼承了原有同相供電裝置的優(yōu)點，與之相比，它還解除了牽引變壓器和平衡變換裝置之間的捆綁，提高了牽引變壓器的利用率，是未來同相供電技術實際工程運用的方向。

本文僅從理論上設計了一套組合式同相供電系統(tǒng)繼電保護方案，為了進一步完善組合式同相供電繼電保護配置，還需要進行大量仿真驗證和保護整定計算，使其更適用于工程實踐。

[1]丁麗娜.高速鐵路供電系統(tǒng)配置[D].西南交通大學碩士論文，2005.

[2]周娟.高速鐵路同相供電保護方案研究[D].西南交通大學碩士論文，2008.

[3]張睿.貫通式同相供電系統(tǒng)電能變換設備保護方案研究[D].西南交通大學碩士論文，2012.

[4]韓正慶，劉淑萍，等.同相供電設備有功功率差動保護[J].電力系統(tǒng)及其自動化，2011，（16）：82-85.

[5]劉大崗.同相供電繼電保護方案研究[D].西南交通大學碩士論文，2012.

[6]周娟，陳小川，等.同相AT 牽引網供電方式及保護方案研究[J].電氣化鐵道，2007，（5）.

[7]袁明旭.同相AT 供電平衡變換裝置保護研究[D].西南交通大學碩士論文，2008.