縱向分段式全并聯AT牽引網保護配置

陳海濤，熊列彬，王昌

（西南交通大學電氣工程學院，成都610031）

縱向分段式全并聯AT牽引網保護配置

陳海濤，熊列彬，王昌

（西南交通大學電氣工程學院，成都610031）

縱向分段式全并聯AT（auto transformer）牽引供電系統能很好克服傳統全并聯AT牽引供電系統存在的缺點，其牽引網保護配置得到設計部門的關注。在分析縱向分段式全并聯AT牽引供電系統結構基礎上，針對縱向分段式全并聯AT牽引網的結構特點，討論了牽引網發生常見短路故障時各斷路器的動作配合，給出了該牽引網的保護配置和距離保護的整定原則。基于Matlab/Simulink的仿真分析表明，所配置的距離保護合理、有效。

縱向分段；牽引網；保護配置；仿真

全并聯AT供電方式供電功率大、供電區段長、單位阻抗小、電壓損失低、可靠性高，能滿足高速鐵路列車運行速度高、行車密度大、列車牽引功率大等要求，能有效降低鋼軌電位和對沿線通訊線路的干擾，同時能改善旅客乘坐舒適度等特點[1]，已成為我國高速鐵路優先選擇的供電方式[2]。目前我國投入運營的全并聯AT供電系統主要存在牽引網故障時，切除故障的方式都是統一跳開牽引變電所處斷路器，然后解列全并聯系統，再逐一重合閘各斷路器排除故障[3-5]。這樣當牽引網上行或下行發生永久性故障時，將造成上行或下行全線停電，擴大停電范圍；故障時供電方式由全并聯AT供電變為單線直接供電，降低供電可靠性，增大對沿線通信線路的干擾。隨著技術的不斷進步和成熟，一種全新的縱向分段式全并聯AT牽引供電系統被提出[6-7]，分析它的結構特點，完成牽引網保護配置，以發揮此種牽引供電結構的最大優點，對于此種供電結構的供電可靠性有著現實意義。

1 縱向分段式全并聯AT牽引供電系統

縱向分段式全并聯AT牽引供電系統和普通全并聯AT牽引供電系統最大的區別在于AT所主接線方案的不同，主接線方案如圖1所示[8]。

由圖1可見，縱向分段式全并聯AT所由4臺雙極斷路器分別接入AT供電方式復線電氣化鐵路上下行供電臂，與牽引變電所饋線雙極斷路器和末端分區所雙極斷路器一起，將供電臂分為4個供電分區，AT所通過上網隔離開關和牽引網連接，AT變壓器通過雙極斷路器接入上、下行牽引網并聯母線，上、下行牽引網并聯母線間設置母線分段隔離開關。縱向分段式全并聯AT牽引供電系統示意如圖2所示。

圖1 縱向分段式全并聯AT所主接線Fig.1Main wiring of longitudinal segmented all parallel AT post

圖2 縱向分段式全并聯AT牽引供電系統Fig.2Longitudinal segmented all parallel AT traction power supply system

圖2 中，變電所SS（sub-station）、自耦變壓器所ATP（auto-transformer post）、分區所SP（section post），從圖2中可看出，在上、下行牽引網AT所處各增設1組錨段關節，采用電動隔離開關操作方式，通過復線上、下行供電臂縱向連接，由AT所處牽引網上絕緣錨段關節、相鄰牽引變電所和分區所相配合，對供電臂進行供電分區，有效控制故障范圍，平衡供電臂上、下行的牽引負荷，保證繼電保護的選擇性和速動性，避免牽引網上故障時AT變壓器退出運行，并保證故障情況下供電能力。

2 牽引網短路故障分析

綜合牽引網線路故障的幾種可能形式，主要有牽引網各導線之間的短路故障，牽引網各導線的斷線接地故障以及電力機車不降弓通過電分相時受電弓飛弧引起的異相短路故障。根據相關運營統計，牽引網各導線間發生短路故障的概率占整個故障數量的大多數，非常少的情況下才會發生斷線接地故障和異相短路故障[8]。

本文主要分析牽引網不同供電分區發生的常見3種（T-R、T-F、F-R）短路故障情況下各斷路器流過短路電流情況，此時，統一將流出牽引變電所電流方向設為正向，反之為負方向。縱向分段式全并聯AT牽引供電系統牽引網短路故障示意如圖3所示。

圖3 縱向分段式全并聯AT牽引網短路故障示意Fig.3Schematic diagram of longitudinal segmented all parallel AT traction network short-circuit fault

圖3 中的k1點發生短路故障，此時QF1流過正向短路電流Ik1，QF3流過反向短路電流Ik2，當此種故障發生時，理想情況是QF1和QF3瞬時動作，切除故障，將故障隔離在供電分區1內，其他斷路器不動作，供電分區2、3、4正常供電；k3點發生短路故障，此時短路電流流過所有供電分區，斷路器QF5流過正向電流Ik3，斷路器QF7流過反向電流Ik4。因此，當此種故障發生時，理想的情況是QF5和QF7瞬時動作，切除故障，將故障隔離在供電分區3內，其他斷路器不動作，供電分區1、2、4正常供電；k5點發生短路故障，斷路器QF3、QF4、QF5、QF6均流過短路電流，當此種故障發生時，理想狀態是QF3、QF4、QF5、QF6均動作，將AT所故障母線切除，其他斷路器不動作；k6點發生短路故障，斷路器QF7和QF8流過短路電流，當此種故障時，理想狀態是QF7和QF8動作，將分區所母線故障切除，其他斷路器不動作。

供電分區2和供電分區4短路故障發生時，各斷路器動作情況與供電分區1和供電分區3短路故障發生時斷路器動作情況類似，這里不再贅述。

3 牽引網保護配置

在多端電源供電網絡或同一母線的環形供電網絡中，使用無方向的保護不能保證保護的選擇性。因為當流過同一位置保護的正反方向的故障電流具有相同的幅值時，那么正方向與反方向保護之間的動作邏輯配合關系無法得到滿足[9]。縱向分段式全并聯AT所的各個方向均設置斷路器，與牽引變電所和分區所斷路器配合，使供電臂按供電分區形成了有效的雙端供電網絡分割，為保證繼電保護的選擇性，保護應具有方向選擇性[10]。

3.1 牽引網距離保護配置

當故障發生在供電分區1時，如圖2所示，此時只要求斷路器QF1和QF3動作，其他斷路器不動作，滿足繼電保護選擇性要求，此時QF2作為QF3的后備保護。當故障發生在供電分區3時，此時只要求斷路器QF5和QF7動作，其他斷路器不動作，同樣滿足繼電保護選擇性要求，此時QF1和QF2作為QF5的后備保護，QF6作為QF7的近后備保護，QF1和QF2作為QF7的遠后備保護。

供電分區2、4故障與供電分區1、3類似。當故障發生在AT所母線上時，此時要求斷路器QF3、QF4、QF5、QF6動作，切除故障；當故障發生在分區所母線上時，此時要求斷路器QF7、QF8動作，切除故障，以滿足繼電保護選擇性的要求。

各供電分區短路故障時，各斷路器保護動作情況如表1所示。

表1 不同供電分區故障時的斷路器保護動作Tab.1Breaker protection action of short-circuit fault in different supply partitions

表1中，AT所和分區所的6個斷路器動作具有方向性，其中QF3、QF4正向不動作，反向作為供電分區1和供電分區2的近端保護；QF5、QF6反向不動作，正向作為供電分區3和供電分區4的近端保護；QF7和QF8正向不動作，反向作為供電分區3和供電分區4的近端保護。首先提出一套距離保護方案，如表2所示。

表2 牽引網距離保護配置Tab.2Distance protection configuration of traction network

3.2 牽引網距離保護整定

牽引變電所QF1和QF2配置的Ⅱ段距離保護，保護Ⅰ段按躲過供電分區1（2）發生短路故障時最大阻抗整定，保護范圍為供電分區1（2）的全長，采用超范圍定值，0.1 s動作；Ⅱ段按整個供電臂長度整定，保護供電臂全長，比距離Ⅰ段延時0.3 s。

AT所斷路器QF3（QF4）方向距離Ⅰ段保護，正向不動作，反向Ⅰ段按供電分區1（2）發生短路時最大短路阻抗整定，采用超范圍定值，保護供電分區1（2）全長，0.1 s動作。

AT所斷路器QF5和QF6，在正常供電情況下配正向Ⅱ段距離保護，Ⅰ段按躲過供電分區3（4）發生短路故障最大短路阻抗整定，采用超范圍定值，保護供電分區3（4）全長，0.1 s動作，Ⅱ段按躲過分區所并聯，供電分區3+供電分區4全長整定，作為后備保護，延時0.3 s動作。

分區所斷路器QF7和QF8配置的方向Ⅰ段距離保護，正向不動作，反向距離Ⅰ段按供電分區3（4）全長整定，采用超范圍定值，0.1 s動作。

此時各斷路器的保護范圍如表3所示。

表3 牽引網各距離保護整定原則Tab.3Setting principle of distance protection

根據上述距離保護配置及保護范圍整定，下面分析此種距離保護配置方式下故障發生在不同供電分區，以及不同供電分區的不同地段時各保護的動作配合。

如圖4所示，當供電分區1發生故障，無論k1點位于什么位置，由于斷路器QF1、QF3的Ⅰ段距離保護范圍為整個供電分區全長，因此斷路器QF1和QF3瞬時動作，切除故障。

圖4 供電分區1短路故障示意Fig.4Schematic diagram of short-circuit fault in supply partition 1

如圖5所示，當供電分區3發生故障，無論k3點位于什么位置，由于斷路器QF5、QF7的Ⅰ段距離保護范圍為整個供電分區全長，斷路器QF5和QF7瞬時動作，切除故障。

當故障發生在供電分區2、4時，各保護動作配合與故障在供電分區1、3類似，不再贅述。

此時，各斷路器距離保護Ⅰ段，保護就近供電分區的全長，并留有一定裕度，而后按重合閘控制整個牽引網將故障隔離。此時能很好滿足繼電保護速動性的要求，為整個供電系統安全可靠供電提供保障。

圖5 供電分區3故障時示意Fig.5Schematic diagram of short-circuit fault in supply partition 3

3.3 牽引網成套保護方案

縱向分段式全并聯AT供電牽引網是一個復雜的系統，故障類型多種多樣，為了滿足牽引網安全可靠地為機車供電的要求，一整套可靠地保護方案尤為關鍵，下面給出整個牽引網保護配置方案，如表4所示。

表4 縱向分段式全并聯AT牽引網保護配置Tab.4Protection configuration of longitudinal segmented all parallel AT traction network

牽引網各斷路器除了配置的距離保護以外，配置電流增量保護、低壓啟動過電流保護、電流速斷保護等作為輔助保護[11]，配置一次自動重合閘主要為了消除瞬時故障，母線設置縱向電流差動保護就是為了當母線發生短路故障時，可瞬時切除故障母線而不影響各供電分區正常供電。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink仿真軟件，依據圖2建立縱向分段式全并聯AT牽引供電系統仿真模型，建立的仿真模型如圖6所示。

圖6 縱向分段式全并聯AT牽引供電系統仿真模型Fig.6Simulation model of longitudinal segmented all parallel AT traction power supply system

根據建立的仿真模型，部分仿真參數參考文獻[12]，仿真常見短路（T-R、T-F、F-R）故障分別發生在供電分區1、2、3、4時各斷路器的動作情況。仿真中，牽引變電所距分區所距離設置為30 km，AT所位于兩者正中間，在每個供電分區每隔1km設置一次短路故障，觀察各斷路器的動作情況，仿真結果如表5所示。

從表5中可以看出，當故障位于供電分區1且故障點距SS的距離大于13 km時，斷路器QF7同時動作，這是因為QF7配置的Ⅰ段距離保護范圍為供電分區3的全長并留有裕度，延伸至供電分區1的一部分，重合閘后不影響供電分區3的供電。故障發生在供電分區3且故障點距ATP的距離小于2 km時，斷路器QF1同時動作，這是因為QF1配置的距離保護Ⅰ段保護范圍為供電分區1的全長并留有一定裕度，延伸至了供電分區3的一部分，重合閘后不影響供電分區1的供電。

供電分區2和供電分區4的故障仿真結果與供電分區1和供電分區3類似，不再贅述。

表5 距離保護仿真結果Tab.5Simulation results of distance protection

5 結語

本文針對縱向分段式全并聯AT牽引供電系統牽引網的結構特點，分析了短路故障發生在不同位置時，包括不同供電分區和母線，各斷路器的理想動作情況，并在此基礎上給出了牽引網距離保護方案和整定原則，保證了繼電保護選擇性和速動性的要求，同時給出了牽引網的整套保護方案，為下一步此種供電方案的投入運行提供安全保障，最后借助Matlab/Simulink仿真軟件建立了縱向分段式全并聯AT牽引供電系統仿真模型，仿真驗證了所配置保護在故障發生時能正確可靠動作并能達到隔離故障的目的，證明了配置的距離保護合理、有效。

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Protection Configuration of Longitudinal Segmented All Parallel AT Traction Network

CHEN Haitao，XIONG Liebin，WANG Chang
（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Longitudinal segmented all parallel auto transformer（AT）traction power supply system can be well overcome the shortcomings in traditional all parallel AT traction power supply system.The protection configuration of its traction network receives considerable study in designing department.On basis of analyzing the structure of longitudinal segmented all parallel AT traction power supply system，aiming at the structure features of longitudinal segmented all parallel AT traction network，the action sequence of all breakers when common shortcircuit fault occurs is discussed，and the protection configuration of traction network and the setting principle of distance impendence protection are proposed. Simulation analysis on Matlab/Simulink indicates the distance protection is reasonable and effective.

longitudinal segmented；traction network；protection configuration；simulation

TM773

A

1003-8930（2015）12-0047-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.09

陳海濤（1986—），男，碩士研究生，主要從事變電站綜合自動化及微機保護方面的研究。Email：cht1816@163.com

2013-11-21；

2015-01-23

鐵道部重點課題項目（2012J011-A）

熊列彬（1972—），男，碩士，副教授，主要從事變電站綜合自動化及微機保護方面的研究。Email：xlbbear@163.com

王昌（1989—），男，碩士研究生，主要從事變電站綜合自動化及微機保護方面的研究。Email：wangcahnglg@163.com