應急狀態(tài)下多種牽引供電系統(tǒng)運行方式適應性試驗研究*

楊斯泐，李 強

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

為了掌握在應急狀態(tài)下牽引供電系統(tǒng)運行方式和供電能力，對接觸網(wǎng)或變電設備出現(xiàn)故障時的應急狀態(tài)下運輸方式提供試驗數(shù)據(jù)支持，有必要對應急狀態(tài)下牽引供電系統(tǒng)運行方式和供電能力開展研究驗證。

國內(nèi)牽引供電系統(tǒng)運行方式分為正常運行方式和故障運行方式，正常運行方式下一般牽引變電設備均有備用，接觸網(wǎng)無備用。當牽引變電所內(nèi)設備發(fā)生故障時，可以投入備用設備，仍維持正常供電。當牽引變電所全所退出時，就需要通過越區(qū)供電，延長供電范圍，但區(qū)間供電能力將有所降低。而當接觸網(wǎng)設備故障時，則是完全退出整個供電臂，導致行車中斷。這種運行方式的運用靈活性差，在故障情況下恢復送電時間長，影響行車秩序，這與高速鐵路要求的快速、便捷相矛盾［1］。

當牽引供電系統(tǒng)運行異常情況下，由正常的AT供電方式變化為直接供電、越區(qū)供電等應急狀態(tài)下的牽引供電系統(tǒng)不同運行方式，驗證應急狀態(tài)下供電方式對應的供電能力、保護設置等，為接觸網(wǎng)或變電設備出現(xiàn)故障時的應急狀態(tài)下運輸方式提供試驗數(shù)據(jù)支撐，并為其他客運專線的運輸提供技術支撐。

1 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)運行方式

1.1 正常運行方式運行現(xiàn)狀分析

我國高速鐵路主要采用全并聯(lián)AT供電方式作為正常運行方式。并聯(lián)自耦變壓器形成的AT供電方式，能夠有效降低電氣化鐵路對通信線路的干擾，因為電壓等級的提高，相同牽引功率下回路內(nèi)電流減小，電壓及功率損失都有所降低，從而全并聯(lián)AT供電方式具有良好的運營適應性。AT供電方式供電質(zhì)量高，牽引網(wǎng)阻抗小，電壓損失低，可以延長供電臂長度，增加牽引變電所間距。［2］

全并聯(lián)AT供電方式在供電臂末端投入AT分區(qū)所、供電臂中部投入AT所，保證供電系統(tǒng)以AT方式正常運行。AT供電系統(tǒng)全并聯(lián)的實現(xiàn)方式由上下行鋼軌、保護線每隔一定距離進行一次橫向連接。上下行的接觸懸掛于AT所進行連接。AT全并聯(lián)運行方式網(wǎng)絡如圖1所示。

圖1 AT全并聯(lián)運行方式網(wǎng)絡圖

1.2 牽引供電系統(tǒng)故障狀態(tài)分析

（1）牽引變電所一次設備故障

牽引變電所、AT所和分區(qū)所一次設備，包括220 kV側(cè)高壓設備、主變壓器、自耦變壓器、進線斷路器等，均為一主一備方式，當其中一組設備有故障后，故障組設備退出運行，倒閘操作，備用組設備投入運行，牽引變電所能夠繼續(xù)恢復正常工作。

變電所饋線斷路器一般采用上下行互為備用方式，當一臺斷路器故障后，另一臺斷路器向上下行所有負荷供電。

AT所和分區(qū)所設置上下行并聯(lián)隔離開關柜，開關柜故障后，上下行解列運行，備用自耦變壓器投入，運行方式改變?yōu)樯舷滦蟹珠_運行方式。

（2）供電區(qū)間接觸網(wǎng)短路故障

第1AT供電區(qū)間，上下行線路T-R短路、F-R短路或T-F短路。

第2AT供電區(qū)間，上下行線路T-R短路、F-R短路或T-F短路。接觸網(wǎng)分區(qū)間短路示意如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)分區(qū)間短路示意圖

2 應急狀態(tài)下的多種故障運行方式

2.1 AT供電方式下的應急運行方式

2.1.1 AT供電上下行分開供電方式

供電區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)方案：AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關打開；AT分區(qū)所一方向上下行分別投入1AT、2AT自耦變壓器，AT分區(qū)所另一方向上下行分別投入3AT、4AT自耦變壓器；AT所下行線投入1AT自耦變壓器，上行線投入2AT自耦變壓器，實現(xiàn)上下行線路分開運行的AT供電方式。AT供電上下行分開供電方式網(wǎng)絡如圖3所示。

圖3 AT供電上下行分開供電方式網(wǎng)絡圖

2.1.2 半AT半直供供電方式

（1）下行直供、上行AT方式

供電區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)方案：變電所下行F線隔離開關斷開，AT所和分區(qū)所下行F線隔離開關斷開，AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關閉合。下行直供、上行AT供電方式網(wǎng)絡如圖4所示。

圖4 下行直供、上行AT供電方式網(wǎng)絡圖

（2）第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT

供電區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)方案：變電所上下行F線隔離開關斷開，AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關閉合。第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式網(wǎng)絡如圖5所示。

圖5 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式網(wǎng)絡圖

2.2 直接供電方式下的應急運行方式

2.2.1 直接供電全并聯(lián)供電方式

供電區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)方案：變電所上下行F線隔離開關斷開；AT所及分區(qū)所全部自耦變壓器與母線間斷路器斷開；AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關閉合。直接供電全并聯(lián)供電方式網(wǎng)絡如圖6所示。

圖6 直接供電全并聯(lián)供電方式網(wǎng)絡圖

2.2.2 直接供電分開供電方式

供電區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)方案：變電所上下行F線隔離開關斷開；AT所及分區(qū)所全部自耦變壓器與母線間斷路器斷開；AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關斷開。直接供電分開供電方式網(wǎng)絡如圖7所示。

圖7 直接供電分開供電方式網(wǎng)絡圖

2.3 越區(qū)供電方式

2.3.1 AT越區(qū)供電方式

首端牽引變電所越過中端AT分區(qū)所供電至末端牽引變電所，末端變電所饋線斷路器斷開，首末端牽引變電所間AT所及AT分區(qū)所自耦變壓器與母線間斷路器閉合，上下行斷路器間的隔離開關閉合。AT越區(qū)供電方式網(wǎng)絡如圖8所示。

圖8 AT越區(qū)供電方式網(wǎng)絡圖

2.3.2 直供越區(qū)供電方式（上下行不并聯(lián)）

首端牽引變電所越過中端AT分區(qū)所供電至末端牽引變電所，末端變電所饋線斷路器斷開，首末端牽引變電所間AT所及AT分區(qū)所自耦變壓器與母線間斷路器斷開，上下行斷路器間的隔離開關斷開。直供越區(qū)供電方式網(wǎng)絡如圖9所示。

圖9 直供越區(qū)供電方式網(wǎng)絡圖

3 適應性能力試驗驗證分析

3.1 AT應急供電方式運行參數(shù)測試

3.1.1 AT上下行分開供電方式

AT上下行分開供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 AT上下行分開供電方式電壓數(shù)據(jù)（全天）

表2 AT上下行分開供電方式電流數(shù)據(jù)（全天）

注：THD為電壓綜合畸變率參數(shù)。

AT上下行分開供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間變化如圖10所示。在此種工況下動車組能夠正常運行和取流，電流的分配情況與動車組運行在上行線、還是下行線相關。如果動車組運行在下行線，動車組取流流經(jīng)下行T線和F線（上行線同理）。此種供電方式供電能力相較于AT全并聯(lián)供電，會造成饋線負荷電流的成倍增加。

圖10 AT上下行分開供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間變化圖

3.1.2 下行直供、上行AT供電方式

下行直供、上行AT供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3 下行直供、上行AT供電方式電壓數(shù)據(jù)

表4 下行直供、上行AT供電方式電流數(shù)據(jù)（全天）

下行直供、上行AT供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間的變化如圖11所示。在此種工況下動車組能夠正常運行和取流，直供區(qū)段變電所電流主要分布于T線，相同負荷下載流量成倍增加，AT區(qū)段電流分布于T線和F線，載流能力較強，能夠臨時采用此種方式進行供電。

圖11 下行直供、上行AT供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間變化圖

3.1.3 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式

第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表5、表6。

表5 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式電壓數(shù)據(jù)

表6 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式電流數(shù)據(jù)（全天）

第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間的變化如圖12所示。在此種工況下動車組能夠正常運行和取流，直供區(qū)段變電所電流主要分布于T線，造成變電所出口T線載流明顯增大，會增加變壓器繞組容量要求。AT區(qū)段電流分布于T線和F線，載流能力較強。

圖12 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間變化圖

3.2 直接應急供電方式運行參數(shù)測試

3.2.1 直接供電上下行分開供電方式

牽引變電所直接供電上下行分開供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表7、表8。

表7 牽引電所直接供電上下行分開供電方式電壓數(shù)據(jù)

表8 牽引變電所直接供電上下行分開供電方式電流數(shù)據(jù)

直接供電上下行分開供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間的變化如圖13所示。此種工況下動車組能夠正常運行和取流，電流的分配在T線上，由于上下行分開供電，導致饋線電流較大。

圖13 直接供電上下行分開供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間變化圖

3.2.2 直接供電全并聯(lián)供電方式

直接供電全并聯(lián)供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表9、表10。

表9 直接供電全并聯(lián)供電方式電壓數(shù)據(jù)

表10 直接供電全并聯(lián)供電方式電流數(shù)據(jù)

直接供電全并聯(lián)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間的變化如圖14所示。此種工況下動車組能夠正常運行和取流，電流的分配在T線上，由于采用全并聯(lián)方式，電流分配在上下行2條T線上。增加了整個牽引供電系統(tǒng)的承載能力。

圖14 直接供電全并聯(lián)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間變化圖

3.3 越區(qū)應急供電方式運行參數(shù)測試

3.3.1 直接供電越區(qū)供電方式

直接供電越區(qū)供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表11、表12。

表11 直接供電越區(qū)供電方式電壓數(shù)據(jù)

表12 直接供電越區(qū)供電方式電流數(shù)據(jù)

直接供電越區(qū)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間的變化如圖15所示。對直供越區(qū)供電方式應急工況下測試結(jié)果的分析可知，末端電壓對比首端電壓在未取流時略有升高，動車組牽引取流時電壓變化很大，電壓波動可能會造成動車組在越區(qū)供電運行時意外跳主斷，當天由于取流造成電壓波動導致動車組降速運行停止其他試驗。

圖15 直接供電越區(qū)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間變化圖

3.3.2 AT供電越區(qū)供電方式

AT供電越區(qū)供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表13、表14。

表13 AT供電越區(qū)供電方式電壓數(shù)據(jù)

表14 AT供電越區(qū)供電方式電流數(shù)據(jù)

AT供電越區(qū)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間的變化如圖16所示。對測試結(jié)果的分析可知，末端電壓對比首端電壓在未取流時略有升高，動車組牽引取流時電壓變化較大，電壓波動可能會造成動車組在越區(qū)供電運行時出現(xiàn)跳主斷故障。

圖16 AT供電越區(qū)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時間變化圖

4 牽引供電系統(tǒng)應急狀態(tài)運行分析

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)主要采用單相牽引變壓器的方式進行電能變換，當線路中發(fā)生正饋線（F線）短路故障，自耦變壓器所內(nèi)部故障等特殊工況時，全并聯(lián)AT供電方式下的牽引供電系統(tǒng)會降級或局部降級為直接供電方式。整個供電臂內(nèi)供電能力將會下降，同一列車負荷下的饋線電流會成倍地增加。在正常的供電負荷下，供電方式的降級使用會降低接觸網(wǎng)電壓水平，造成供電能力不足的情況發(fā)生。

在應急供電方式下，全并聯(lián)AT供電方式變換為全部的帶回流線的直接供電方式時，直接供電方式的牽引網(wǎng)單位阻抗明顯大于全并聯(lián)方式，在相同負荷條件下，動車組取流造成的牽引網(wǎng)壓波動更為顯著，最低工作電壓下降明顯，但此種方式作為臨時應急供電方式能夠滿足需求，但在滿圖運行或載流量較大情況下，應考慮保護定值的適應性配置，防止誤動發(fā)生［3］。

部分區(qū)段采用直供，其他區(qū)段采用AT供電方式的應急供電方式，故障區(qū)段無法利用正饋線進行載流，從而造成接觸網(wǎng)載流量明顯增加，對直供區(qū)段接觸網(wǎng)載流能力也提出了更高的要求，這種方式能夠在盡可能縮小故障范圍和區(qū)段的條件下完成供電。

不同故障狀態(tài)造成了應急狀態(tài)供電方式的特殊情況，不同應急供電方式的供電能力也有較大區(qū)別。根據(jù)對多種應急供電方式實測數(shù)據(jù)分析，供電能力大小排序一般為AT全并聯(lián)供電方式，半直供電半AT供電方式，全并聯(lián)直接供電方式，上下行分開直接供電方式，AT越區(qū)供電方式，直接供電越區(qū)供電方式等［4-5］。為了提高高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的適應性，采用應急工況方式供電時，應當遵循盡可能減少接觸網(wǎng)停電范圍和盡可能提供較大供電能力的原則；盡量將供電能力大的供電方式和運行方式應用到供電臂首端。

目前智能牽引供電系統(tǒng)廣域保護的運用，層次化保護功能和自愈重構(gòu)功能，能夠在故障發(fā)生時盡可能地減小停電范圍，并通過自愈方式實現(xiàn)最佳應急供電方式的匹配功能。在應急工況下，要根據(jù)供電能力的實際情況，調(diào)整運行列車的行車計劃和取流負荷情況，配合牽引供電系統(tǒng)應急工況的調(diào)整，避免超過設計能力限值的情況發(fā)生。

5 結(jié)論及建議

當牽引供電系統(tǒng)運行異常情況下，由正常運行時的全并聯(lián)AT供電方式變化為直接供電、越區(qū)供電等應急狀態(tài)下的牽引供電系統(tǒng)不同運行方式，基本能夠滿足運行，驗證了不同應急狀態(tài)下供電方式對應的供電能力、保護設置能夠滿足各類應急工況的需求。直接供電越區(qū)和AT供電越區(qū)動車組牽引取流時末端電壓波動較大，可能會對動車組整車運行產(chǎn)生影響。為適應應急工況要求，應當遵循盡可能減少接觸網(wǎng)停電范圍和盡可能提供較大供電能力的原則；對牽引供電系統(tǒng)加強技術升級力度，采用廣域保護系統(tǒng)等新技術，保障高速鐵路牽引供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。