基于上下行差流比原理的故障方向識別及廣域保護方案

葛海波

0 引言

隨著高速鐵路智能化技術不斷發展，智能牽引變電所作為我國新一代智能高鐵的重要組成，得到了越來越廣泛的應用。廣域保護測控系統作為智能牽引變電所的重要組成部分，借助全所數字化共享平臺實現了廣域保護、智能告警、遠端維護等多個智能化應用，提高了牽引供電的安全性和可靠性。我國高鐵線路的牽引網供電多采用全并聯AT方式，牽引網故障時廣域保護可以僅切除故障側，非故障側牽引網不斷電，相比目前常規的牽引網保護方案具有更好的選擇性，能有效縮小停電范圍。文獻[1-3]提出了基于阻抗特征和電流特征的廣域保護方案，基于阻抗特征方案中，故障方向是根據AT 所或分區所保護裝置計算的故障阻抗角度進行識別，基于電流特征方案中，故障方向是根據保護裝置采集故障電流和電壓的角度進行識別。兩種方法均需引入電壓作為識別條件，但若牽引所亭發生PT 斷線，該所亭的廣域保護將無法識別故障方向。文獻[4]提出在變電所出口處發生短路時供電臂保護中的方向阻抗元件存在死區，并給出方向阻抗+上下行電流比識別故障方向的解決方法。

本文提出一種基于上下行差流比特征的故障方向識別判據，僅通過電流信息即可實現全并聯AT 供電牽引網故障方向的識別，能有效避免在PT斷線時廣域保護的方向識別元件失效、無法正確動作的情況。

1 既有廣域保護方案分析

1.1 既有廣域保護構成及保護動作

廣域保護主要應用于全并聯AT 供電方式牽引網，由安裝在變電所、AT 所、分區所的廣域保護裝置及廣域保護通道組成[5]，如圖1 所示。既有廣域保護采用方向阻抗或方向過流元件識別牽引網故障方向，兩種元件識別牽引網故障方向原理類似，本文以基于方向阻抗特征的廣域保護為例進行分析。為保證所亭間廣域保護交互信息一致須定義電流方向，通常定義由所亭流向線路為正向，由線路流向所亭為反向。變電所1QF 和2QF 處的方向阻抗保護范圍為供電臂全長，AT 所3QF 和4QF 處的方向阻抗保護范圍取AT 所左右相鄰AT 段的較長AT 段，分區所5QF 和6QF 處方向阻抗保護范圍為AT 所到分區所供電臂。

圖1 廣域保護構成示意圖

當圖1 中牽引網d1點發生故障時，變電所1QF、2QF 廣域保護正向阻抗Z1、Z2啟動；AT 所3QF 廣域保護正向阻抗Z3啟動，4QF 廣域保護反向阻抗啟動；由于故障在變電所—AT 所區間，故障電流基本由變電所和AT 所提供，流經分區所故障電流較小，分區所5QF和6QF廣域保護無法感知故障，方向阻抗不啟動。4QF 廣域保護反向阻抗啟動后，給牽引網同方向的2QF、6QF 廣域保護發送閉鎖正向阻抗啟動信號，避免2QF 廣域保護誤動。當1QF或3QF 跳閘時，經廣域保護通道給5QF 廣域保護發聯跳信號，聯跳保護跳開5QF。當d1故障點越靠近變電所，流經AT 所電流越小，AT 所方向阻抗保護拒動概率越大。

當牽引網故障發生在AT 所—分區所區間d2點時，1QF、2QF、3QF、5QF 廣域保護正向阻抗均啟動。4QF、6QF 廣域保護反向阻抗啟動，閉鎖2QF 廣域保護的正向阻抗啟動。需要注意的是，d2點越靠近分區所，流經AT 所的故障電流越小，AT所方向阻抗保護拒動概率越大。文獻[4]對故障發生在變電所出口處AT 所方向阻抗存在死區，以及故障發生在AT 所出口處分區所方向阻抗存在死區的原因進行了詳細理論分析，本文不再贅述。

當牽引網故障發生在AT 所母線d3點時，AT所上、下行的反向阻抗均啟動，供電臂其他所亭的廣域保護均閉鎖。可以利用AT 所上、下行的反向阻抗均啟動的特征識別所內母線故障，3QF、4QF廣域保護的反向阻抗保護加速跳開3QF、4QF，切除AT 所母線故障。

1.2 既有廣域保護缺陷分析

通過分析既有廣域保護故障方向識別邏輯和動作過程，可以得出既有廣域保護存在以下缺陷：

（1）牽引網發生故障時，變電所故障電流為所亭流向線路，方向為正向，變電所廣域保護方向阻抗元件可正確識別故障，但無法識別故障方向。

（2）當故障發生在AT 所出口處時，由于流經分區所故障電流幾乎為0，分區所方向阻抗保護無法啟動，只有AT 所廣域保護能識別故障方向。如果AT 所發生PT 斷線，整個供電臂保護將無法識別故障方向，廣域保護功能失效。

（3）當故障發生在分區所出口處時，由于流經AT 所故障電流幾乎為0，AT 所方向阻抗保護無法啟動，只有分區所廣域保護能識別故障方向。如果分區所發生PT 斷線，整個供電臂保護將無法識別故障方向，廣域保護功能失效。

2 基于上下行差流比原理的廣域保護方案

通過以上分析可以看出，當牽引網故障靠近AT 所處且AT 所發生PT 斷線，或故障靠近分區所處且分區所發生PT 斷線時，既有廣域保護無法識別故障方向，失去選擇性，因此PT 斷線時需要閉鎖廣域保護，防止誤動。下文通過對全并聯AT 供電方式下短路電流特征進行分析，提出一種僅基于電流特征識別牽引網故障方向的方法，當AT 所或分區所內發生PT 斷線時，廣域保護仍能正確識別故障方向。

2.1 全并聯AT 供電牽引網短路電流特征分析

2.1.1 變電所短路電流特征

當故障發生在變電所至AT 所區間時，變電所經AT 所至故障點的阻抗遠小于變電所經分區所至故障點的阻抗，因此故障電流流經分區所較少，在分析過程中可以忽略，全并聯AT 供電第一區段故障電流分配關系如圖2 所示。

圖2 第一區段故障變電所電流分配示意圖

首先，分析變電所饋線短路電流與故障點的關系。文獻[6]對全并聯AT 供電方式下變電所電流與故障距離的關系進行了理論推導，推導結果如式（1）所示。

式中：I1為變電所下行饋線電流；I2為變電所上行饋線電流；L為變電所至AT 所的距離；x為變電所至故障點的距離。

從式（1）可以看出，當故障發生在下行d1點時，故障點距離變電所越近，變電所故障方向電流I1越大，變電所非故障方向電流I2越小。因此可以根據變電所上、下行饋線電流大小關系判斷故障牽引網故障方向，變電所至AT 所區間的故障方向識別可根據式（2）中上下行電流比值大小確定。

式中：k為故障方向識別可靠系數。

2.1.2 AT 所、分區所短路電流特征

當故障發生在變電所至AT 所區間且故障類型為下行T-R 時，AT 所故障電流分配關系如圖3 所示?？梢钥闯鯝T 所的故障電流滿足式（3）。

圖3 第一區段T-R 故障AT 所電流分配示意圖

AT 所上、下行饋線差電流ICD計算式為

故障在下行T 線時，根據全并聯AT 供電牽引網故障時的電流分配特點，由式（3）和式（4）可得T-R 故障時AT 所差流為

同理，可以推導出變電所至AT所區間下行F-R、上行T-R、上行F-R 也滿足式（5）。

故障類型為下行或上行T-F 故障時，AT 所故障電流分配關系如圖4 所示，AT 所的故障電流滿足式（6）。

圖4 第一區段T-F 故障AT 所電流分配示意圖

同理可以推導出當故障發生在AT 所至分區所區間時，AT 所和分區所上、下行差流關系，即故障發生在AT 所至分區所區間且故障類型為T-R、F-R 時，AT 所或分區所差電流分別為各自所亭吸上電流的50%；故障類型為T-F 時，AT 所或分區所差電流為0。

2.2 基于上下行差流比原理的廣域保護方案

上一節分析了全并聯AT 供電方式下短路電流特征，牽引網故障類型不同，變電所和子所（AT所和分區所）上、下行短路電流特征不同，故障側電流和非故障側電流特征均差異明顯。

在牽引網保護中，常用的保護元件包括距離保護、電流速斷、低壓啟動過電流和電流增量保護。根據中國鐵路多年的運行經驗，這些保護元件可以準確識別牽引網的各種類型故障，因此提出一種“保護元件識別故障，上、下行故障電流特征識別故障方向”的廣域保護方案。

2.2.1 保護元件配置方案

牽引變電所配置距離保護、電流速斷、低壓啟動過電流和電流增量保護，定值計算可參考QC/R 687—2018《牽引供電系統繼電保護配置及整定計算導則》中整定原則進行整定。

AT 所和分區所配置距離保護、低壓啟動過電流和電流增量保護。AT 所距離保護范圍按照取AT所左右兩相鄰AT 段中最大長度，分區所距離保護范圍取AT 所到分區所AT 段長度整定。低壓啟動過電流保護按躲過流經AT 所（分區所）斷路器的最大負荷電流整定。電流增量保護是牽引網高阻故障時的主要保護元件，定值可參考變電所電流增量保護整定計算原則并考慮一定的可靠系數確定。

2.2.2 故障方向識別方案

牽引變電所上、下行故障電流關系滿足式（2），故障點越靠近AT 所，變電所上、下行電流越接近，k越趨近于1。為防止故障在AT 所附近時變電所故障方向識別錯誤，故障方向識別可靠系數k按照故障點在0.8 倍變電所至AT 所區段長度時變電所故障側電流與非故障側電流比值設置，取1.5。牽引變電所故障方向識別邏輯如圖5 所示。

圖5 牽引變電所故障方向識別邏輯

變電所至AT 所區段發生T-R 或F-R 故障時，AT 所的上、下行故障電流滿足式（5），AT 所上、下行饋線故障電流差為AT 所自耦變吸上電流的50%。全并聯AT 供電方式下，故障點越靠近AT所，AT 所自耦變吸上電流越大，AT 所上、下行饋線差電流越大；故障點越靠近變電所，AT 所自耦變吸上電流越小，AT 所上、下行饋線差電流也越小。為防止故障在變電所附近時AT 所故障方向識別錯誤，僅在AT 所吸上電流大于一定的門檻值才進行故障方向識別。AT 所T-R 或F-R 故障方向識別邏輯如圖6 所示。

圖6 AT 所故障方向識別邏輯

圖6 中Iset為AT 所故障方向識別吸上電流門檻定值，Ig為AT 所吸上電流。

對于AT 所至分區所區間的T-R 或F-R 故障，AT 所或分區所仍可采用圖6 中的故障方向識別邏輯實現故障方向判斷。當供電臂發生T-F 故障時，AT 所或分區所的上、下行故障電流差值接近0，圖6 的故障方向識別邏輯失效。

2.2.3 廣域保護方案

由以上分析可以看出，僅采用上、下行故障電流特征識別故障方向時，如發生T-F 故障，供電臂部分區段故障方向識別邏輯會失效，因此需要加入既有的電壓電流特征的故障方向識別邏輯。廣域保護動作邏輯如圖7 所示。當廣域保護元件啟動且故障方向判斷為下行時，下行廣域保護動作跳開斷路器，同時閉鎖上行廣域保護，聯跳同一供電臂下行斷路器；當廣域保護元件啟動且故障方向判斷為上行時，上行廣域保護動作跳開斷路器，同時閉鎖下行廣域保護，聯跳同一供電臂上行斷路器。

圖7 廣域保護動作邏輯

圖7 中供電臂下行、上行故障方向識別邏輯如圖8 所示。

圖8 供電臂下行、上行故障方向識別邏輯

3 仿真驗證

通過RTDS 仿真系統搭建全并聯AT 供電方式下的牽引網仿真模型，模型相關參數如表1 所示。分別模擬變電所—AT 所、AT 所—分區所區間牽引網發生下行T-R、F-R、T-F 故障時，圖8（a）中故障方向識別邏輯輸出結果。

表1 仿真模型主要參數

3.1 變電所—AT 所區段仿真

模擬AT 所PT 斷線時變電所—AT 所區段多個短路故障點的下行故障方向識別邏輯輸出結果，仿真結果如圖9 所示。輸出結果為1 表示故障方向識別結果為下行，結果為0 表示故障方向無法識別，下同?？梢钥闯?，變電所故障方向識別在0～9 km范圍內正確，AT 所故障在1～12 km 范圍內T-R 和F-R 故障方向識別正確，在10～12 km 范圍內的T-F故障變電所和AT 所故障方向均無法識別。

圖9 變電所—AT 所區間下行故障識別結果

3.2 AT 所—分區所區段仿真

模擬AT 所、分區所PT 斷線后AT 所—分區所區段多個短路故障點的下行故障方向識別邏輯輸出結果。

AT 所PT 斷線故障識別仿真結果如圖10 所示。T-R 故障和F-R 故障時，故障發生在0～14 km 范圍內，最少有一個所亭可以正確識別故障方向，僅在T-F 故障時AT 所0.5 km 范圍內故障方向無法識別。由于篇幅有限，直接給出分區所PT 斷線時結論，僅在T-F 故障時分區所0.5 km 范圍內故障方向無法識別。

圖10 AT 所PT 斷線下行故障識別結果

當AT 所和分區所同時發生PT 斷線時，仿真結果如圖11 所示。

圖11 AT 所、分區所同時發生PT 斷線下行故障識別結果

由圖11 可以看出，當AT 所和分區所同時發生PT斷線時發生T-R故障和F-R故障，在0～14 km范圍內最少有一個所亭可以正確識別故障方向，在T-F 故障時全區段故障方向無法識別。

4 結論

通過分析全并聯AT 供電方式下牽引網不同故障類型和方向時變電所、AT 所和分區所的上、下行電流特征，提出基于上下行差流比原理的供電臂故障方向識別判據，并結合既有電壓電流特征的故障方向識別邏輯給出廣域保護方案，最后利用RTDS 系統建立仿真模型并驗證了故障方向判據的有效性。仿真結果表明，基于上下行差流比和電壓電流特征相結合的廣域保護故障方向識別方案，在牽引所亭發生PT 斷線時可大幅縮小無法識別故障方向的范圍，提高了廣域保護的選擇性。