全并聯(lián)AT供電方式下饋線保護(hù)的配置與整定

趙文飛

摘 要：高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運行是保證列車安全運行的前提，繼電保護(hù)裝置是保障牽引供電系統(tǒng)安全可靠運行的重要手段。針對我國高鐵廣泛采用的全并聯(lián)AT供電方式，從正常供電和越區(qū)供電兩個方面分析了饋線保護(hù)的要求，配置了相應(yīng)的保護(hù)方案并探討了整定計算的方法。

關(guān)鍵詞：AT供電；饋線保護(hù)；整定

1 全并聯(lián)AT供電方式

目前，我國高鐵通常采用全并聯(lián)AT供電方式，如圖1所示。其特點是在AT供電方式的基礎(chǔ)上，將上、下行接觸網(wǎng)在每個AT所都進(jìn)行一次橫向電連接。這種接線方式可減少接觸網(wǎng)單位長度阻抗，減少電壓損失，增強供電能力，改善供電質(zhì)量，但是這種供電方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較普通AT或其他供電方式要復(fù)雜，在故障情況下電氣參數(shù)變得更加復(fù)雜，使其對繼電保護(hù)提出了更高的要求。

2 全并聯(lián)AT供電方式饋線保護(hù)配置的總體思路

由于全并聯(lián)AT供電方式結(jié)構(gòu)的特殊性，保護(hù)配置方案與傳統(tǒng)的牽引網(wǎng)保護(hù)有所不同。在這里主要體現(xiàn)的一個設(shè)計思路就是：當(dāng)發(fā)生故障時，繼電保護(hù)應(yīng)首先將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)簡單化，將系統(tǒng)解裂，讓其變?yōu)椴徊⒙?lián)的單線供電臂，然后再利用各斷路器重合閘逐一排除故障，這樣就會大大簡化保護(hù)的配置，快速鎖定故障范圍。

例如圖1所示的全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)中，當(dāng)k1點發(fā)生暫時性短路故障時保護(hù)啟動，首先應(yīng)將斷路器QF1、QF2分?jǐn)啵缓驛T1所的斷路器QF3、QF4和分區(qū)所SP的斷路器QF5、QF6因失壓保護(hù)而分?jǐn)啵瑢⑾到y(tǒng)解裂讓其變?yōu)椴徊⒙?lián)的單線供電臂。QF5和QF6分?jǐn)嘁院螅?QF1和QF2自動重合閘，饋線恢復(fù)供電。之后通過AT1所和分區(qū)所SP設(shè)置的檢有壓自動重合閘裝置，將AT1所、分區(qū)所SP的QF3、QF4、QF5、QF6重合閘，系統(tǒng)恢復(fù)正常供電。當(dāng)k1點發(fā)生永久性短路故障時，應(yīng)首先跳開QF1和QF2，然后因失壓保護(hù)跳開QF3、QF4、QF5、QF6，重合閘整定時間到后QF1、QF2優(yōu)先重合閘，但由于是永久性短路故障，QF2重合后又跳閘而QF1重合閘成功，QF5因無壓不重合閘， QF6重合閘成功，QF3因無壓不重合閘，QF4重合閘成功，整個系統(tǒng)上行供電臂停止供電，下行供電臂恢復(fù)AT供電。

3 全并聯(lián)AT供電方式饋線保護(hù)的具體配置

3.1 牽引變電所饋線保護(hù)的配置及整定

3.1.1 正常供電時

根據(jù)以上分析及交流牽引負(fù)荷與全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)短路參數(shù)的特點可知，反應(yīng)電流值變化的電流保護(hù)靈敏度系數(shù)較低，一般不能作為饋線的主保護(hù)。方向阻抗繼電器構(gòu)成的距離保護(hù)靈敏系數(shù)較高，可用作牽引變電所饋線的主保護(hù)。牽引網(wǎng)發(fā)生短路時，短路電流往往比負(fù)荷電流大很多，尤其是在離牽引變電所很近的距離，短路電流成負(fù)荷電流的倍數(shù)增大，距離保護(hù)不能動作，因此饋線通常設(shè)置電流速斷保護(hù)以消除距離保護(hù)的死區(qū)。但是牽引網(wǎng)的電流速斷靈敏度非常低，保護(hù)范圍很小，有時甚至沒有保護(hù)范圍。在本方案中為提高電流保護(hù)的適應(yīng)性，增加靈敏度，設(shè)置了低電壓啟動的過電流保護(hù)與距離保護(hù)構(gòu)成了饋線保護(hù)的雙重主保護(hù)。低電壓啟動的過電流保護(hù)能針對近點短路時的短路電流大的特性，快速切除系統(tǒng)的嚴(yán)重故障，同時配置電流增量保護(hù)作為后備保護(hù)。此外，牽引系統(tǒng)故障中，大多數(shù)故障都是瞬時性故障。為提高供電的可靠性與連續(xù)性，快速恢復(fù)供電，應(yīng)裝設(shè)有自動重合閘裝置。

①距離保護(hù)。

距離保護(hù)作為主保護(hù)，必須快速切除全線的故障，國內(nèi)一般采用四邊形或多邊形阻抗特性的繼電器作為阻抗元件，其動作特性如圖2所示。牽引變電所應(yīng)配置一段自適應(yīng)距離保護(hù)，保護(hù)的范圍是從變電所SS到分區(qū)所SP之間的距離。根據(jù)四邊形或多邊形阻抗特性繼電器的要求，整定值計算從線路阻抗（ab邊）和負(fù)荷阻抗（be邊）兩個方面進(jìn)行。

式中，K一般取1.1，U為最大負(fù)荷時母線最低工作電壓，I為最大負(fù)荷電流，φ為功率因數(shù)最低時的負(fù)荷阻抗角，φ為線路阻抗角即bc邊的傾斜角。

動作時限考慮與機車斷路器配合一般取0.ls。

②低電壓啟動的過電流保護(hù)。

式中，K為可靠系數(shù)，一般取1.2，Iq為機車的啟動電流大小，與機車的類型有關(guān)。

作為后備保護(hù)，動作時限應(yīng)比主保護(hù)多一個時間級差Δt=0.3s，一般取0.4s。

④自動重合閘裝置。

自動重合閘裝置時限按照取2s整定。

3.1.2 越區(qū)供電時

在相鄰變電所或開閉所發(fā)生故障時，就需要通過分區(qū)所的接線來實現(xiàn)越區(qū)供電。此時牽引變電所應(yīng)裝設(shè)兩端距離保護(hù)。Ⅰ段作為本線路即SS1-SP區(qū)間的主保護(hù)。Ⅱ段作為本線路的近后備，也作為被越區(qū)間（一般為SP-SS2區(qū)間）的遠(yuǎn)后備，同時也應(yīng)裝設(shè)低電壓啟動的過電流保護(hù)、電流增量保護(hù)和自動重合閘裝置。

①距離保護(hù)。

距離Ⅰ段整定計算：整定值的計算與正常供電時一樣，用式（1）、式（2）分別計算線路阻抗（ab邊）和負(fù)荷阻抗（be邊），動作時限也取0.ls。

式中，Krel為可靠系數(shù)，可取1.5，X為單位測量阻抗，L1為本線路（SS1-SP）全長，L2為被越區(qū)間（一般為SP-SS2）長度，n為饋線流互變比，n為27.5kV側(cè)壓互變比。

負(fù)荷阻抗（be邊）動作值：與正常供電時一樣用式（2）計算。

作為整個線路的后備保護(hù)，動作時限應(yīng)與電流增量保護(hù)配合而多一個時間級差Δt=0.3s，一般取0.7s。

②低電壓啟動的過電流保護(hù)、電流增量保護(hù)和自動重合閘裝置的整定計算與正常供電時一樣。

3.2 AT所、分區(qū)所饋線保護(hù)的配置及整定

3.2.1 正常供電時

根據(jù)以上分析在牽引網(wǎng)上發(fā)生故障時，需要將AT所、分區(qū)所處與線路連接的斷路器斷開，將系統(tǒng)解列成為上下行相互獨立的直供系統(tǒng)后才能逐一排除故障。因此，根據(jù)在發(fā)生故障時，線路的電壓會降低的特點可在AT所、AT分區(qū)所饋線設(shè)置失壓保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生瞬時故障，饋線處斷路器再次合閘后，AT所、分區(qū)所處的斷路器應(yīng)裝設(shè)檢有壓自動重合閘裝置來保證供電的連續(xù)性和可靠性。

①失壓保護(hù)。

失壓保護(hù)按照發(fā)生故障后，并聯(lián)點的最大電壓進(jìn)行整定，并且考慮一定的裕度，一般取接觸額定網(wǎng)壓的40%。

按照解列的要求，失壓保護(hù)要保證在牽引網(wǎng)發(fā)生故障之后，重合閘重合之前動作。但由于AT所、分區(qū)所處要進(jìn)行故障測距，按照運行經(jīng)驗該保護(hù)動作時限可取0.1s或0.2s。

②檢有壓重合閘。

檢有壓重合閘裝置只有在進(jìn)線電壓高于整定值時才能進(jìn)行重合閘，因而稱為檢有壓重合閘，按照進(jìn)線電壓高于額定電壓的85%進(jìn)行整定。

為避免AT所、分區(qū)所同時重合閘AT變壓器同時產(chǎn)生勵磁涌流，動作時限應(yīng)在牽引變電所饋線重合閘時限上增加ls，而AT所與分區(qū)所重合閘時限應(yīng)相差1s，故AT所與分區(qū)所時限配合有兩種，即AT所取3s，分區(qū)所取4s，或AT所取4s，分區(qū)所取3s。考慮到如果分區(qū)所先檢有壓重合閘，那么線路可以形成上、下行迂回供電模式，因此本文采取AT所3s，分區(qū)所4s的整定方式。另外，采用這種方式在越區(qū)供電時分區(qū)所的檢有壓重合閘動作時限保持不變?yōu)?s，當(dāng)線路發(fā)生瞬時故障，饋線斷路器重合成功后，分區(qū)所處3s的檢有壓會比第一種方法提前1s恢復(fù)越區(qū)供電區(qū)間的供電。

3.2.2 越區(qū)供電時

越區(qū)供電時分區(qū)所應(yīng)裝設(shè)Ⅰ段距離保護(hù)，其保護(hù)范圍主要為被越區(qū)間（一般為SP-SS2）。同時也應(yīng)裝設(shè)低電壓啟動的過電流保護(hù)作為雙重主保護(hù)，裝設(shè)電流增量保護(hù)作為后備保護(hù)。

①距離保護(hù)。

負(fù)荷阻抗（be邊）整定值：與正常供電時牽引變電所Ⅰ段一樣用式（2）計算。

作為被越區(qū)間的主保護(hù)，時限也取0.1s。

②低電壓啟動的過電流保護(hù)和電流增量保護(hù)：整定計算與正常供電時牽引變電所Ⅰ段一樣。

③失壓保護(hù)與檢有壓重合閘：整定計算與正常供電時一樣。

4 結(jié)語

全并聯(lián)AT供電方式作為我國高鐵的主要供電方式在多年的運行中取得了良好的效果，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在配置保護(hù)時就應(yīng)從交流牽引負(fù)荷特點、牽引網(wǎng)本身短路特點、正常或越區(qū)供電方式以及運營經(jīng)驗多方面進(jìn)行考慮以達(dá)到最佳保護(hù)效果。

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