馬燕寧

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

全并聯(lián)AT雙邊供電方式的故障測(cè)距方法

馬燕寧

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

高速鐵路已經(jīng)成為我國(guó)鐵路的必然發(fā)展趨勢(shì)。介紹了適宜于高速鐵路發(fā)展的雙邊供電方式，對(duì)雙邊供電方式下全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的等值電路進(jìn)行了分析和仿真，在等值電路的基礎(chǔ)上研究了全并聯(lián)AT雙邊供電方式的故障測(cè)距方法，并提出了基本的測(cè)距流程。

雙邊供電；全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)；故障測(cè)距

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，鐵道的發(fā)展成為交通運(yùn)輸?shù)暮诵膯?wèn)題。為了解決客貨運(yùn)量嚴(yán)重的飽和與鐵路運(yùn)輸能力之間的矛盾，中國(guó)將提升鐵路運(yùn)行速度，增大鐵路運(yùn)營(yíng)密度作為鐵路發(fā)展的重點(diǎn)。電氣化鐵道一般采用單邊電源供電。在這種供電方式下，為了減小單相負(fù)荷引起的負(fù)序電流，牽引供電系統(tǒng)通常采用換相連接的方法，這就使得兩個(gè)牽引變電所之間的分區(qū)所處存在電分相，不利于高速行車，并可能引起異相短路故障等問(wèn)題。雙邊供電幾乎不需要增加相應(yīng)的專業(yè)設(shè)備，線路改造的成本低。與此同時(shí)，雙邊供電可以減少一半的電分相數(shù)量，有利于列車的高速運(yùn)行，增加了供電的可靠性[1-2]。因此，雙邊供電牽引供電系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)越性，值得進(jìn)一步研究。

1 雙邊供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

由于V/x接線牽引變壓器具有容量利用率高，供電臂電壓水平高，負(fù)序電流小等優(yōu)點(diǎn)[3]，且可以由既有單相變壓器改裝得到，因此我國(guó)全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)多數(shù)采用V/x接線牽引變壓器。結(jié)合高速鐵路普遍采用的全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)，并考慮到輪流換相接線方式，給出如圖1所示雙邊供電系統(tǒng)示意圖。

圖1 雙邊供電系統(tǒng)示意圖(加圖)

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，關(guān)合線路中間分區(qū)所開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)雙邊供電。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，先斷開(kāi)分區(qū)所處斷路器，使得雙邊的供電系統(tǒng)恢復(fù)單邊供電方式，這樣可以縮小故障范圍。然后對(duì)雙邊的供電系統(tǒng)分別進(jìn)行檢查，判斷發(fā)生故障的系統(tǒng)，并判斷故障是發(fā)生在上下行線路上還是發(fā)生在牽引變壓器處：若故障發(fā)生在上下行線路上，可以斷開(kāi)相應(yīng)的斷路器和隔離開(kāi)關(guān)，將故障區(qū)段隔離，并恢復(fù)非故障區(qū)段供電；若故障發(fā)生在牽引變壓器處，則要通過(guò)斷路器和自動(dòng)重合閘的配合，切除故障牽引變壓器，啟用備用變壓器；若雙邊的供電系統(tǒng)中有一個(gè)變電所無(wú)法實(shí)現(xiàn)供電，可由另一邊的變電所對(duì)其供電區(qū)段進(jìn)行供電，原理與越區(qū)供電相似[4]。

2 雙邊供電方式等值電路分析

全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網(wǎng)T-R短路電路圖如圖2所示[5]。為了簡(jiǎn)便分析與計(jì)算，不考慮牽引變壓器內(nèi)部阻抗的影響，即認(rèn)為雙邊供電時(shí)兩個(gè)相鄰變電所的電壓是相等的。假設(shè)AT變壓器為理想變壓器。圖2中，LA為變電所A方向第一個(gè)AT所到短路點(diǎn)的距離，單位km；D為短路點(diǎn)所在AT段的長(zhǎng)度，單位km；X為變電所A方向與短路點(diǎn)最近的AT所到短路點(diǎn)的距離，單位km；L為供電臂總長(zhǎng)度，單位km。

圖2 全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網(wǎng)短路電路圖

由文獻(xiàn)[6]中所闡述的單邊供電方式下的單線AT供電方式的等值電路推導(dǎo)方式，等效推導(dǎo)出全并聯(lián)AT雙邊供電方式的T-R短路等值電路，如圖3所示。由于兩側(cè)變電所的距離一般在50～70 km，其線路長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于電壓波長(zhǎng)，可以忽略空間對(duì)線路參數(shù)的影響，因此這里的等值電路采用集總參數(shù)模型，未考慮分布參數(shù)特性。圖3中,Z1=(ZT+ZRF-ZTR-ZTF)/2,Z2=ZR+(ZT+ZTF-ZRF-3ZTR)/2,Z3=(ZF-ZT)/4+(ZTR-ZRF)/2。

圖3 全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網(wǎng)T-R短路等值電路(1)

為了計(jì)算和分析更加直觀，對(duì)圖3中并聯(lián)區(qū)段進(jìn)行合并，并對(duì)短路處進(jìn)行△-Y轉(zhuǎn)換，可以得到圖4所示等值電路(2)。

圖4 全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網(wǎng)T-R短路等值電路(2)

圖5 供電牽引網(wǎng)T-R短路等值電路(3) 圖6 供電牽引網(wǎng)T-R短路等值電路(4)

前文已假設(shè)雙邊供電時(shí)兩個(gè)相鄰變電所的電壓是相等的，則對(duì)圖6中兩邊電流進(jìn)行分析可知LAZAAIa=(L-LA)ZAAIb,LA=LIb/(Ia+Ib)。因此，在測(cè)得兩邊變電所流出電流的基礎(chǔ)上，可求出LA的值，即T-R短路點(diǎn)距離變電所A方向第一個(gè)AT所的距離。

在單邊供電的全并聯(lián)AT供電方式下，一般采用“AT中性點(diǎn)吸上電流比”、“橫連線電流比”和“轉(zhuǎn)移阻抗法”等方法進(jìn)行故障測(cè)距[7-9]。但在全并聯(lián)AT雙邊供電方式下，根據(jù)上述故障測(cè)距的原理，通過(guò)在兩邊變電所安裝故障測(cè)距裝置，測(cè)得兩邊變電所流出電流的值，集中后進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，即可完成故障測(cè)距，相比較之前提到的幾種原理，本原理更加簡(jiǎn)單。

3 故障測(cè)距方案仿真分析

根據(jù)圖2，搭建Matlab/Simulink的全并聯(lián)AT雙邊供電方式仿真模型，其主要參數(shù)為：兩個(gè)牽引變電所間的牽引網(wǎng)供電臂長(zhǎng)度為60 km，其中各AT段長(zhǎng)度分別為15 km、16 km、14 km、15 km；AT變壓器容量32 MVA，漏抗0.15+j0.6；牽引網(wǎng)線路阻抗值如表1所示。根據(jù)LA=LIb/(Ia+Ib)計(jì)算出LA的仿真結(jié)果，如表2所示。

表1 牽引網(wǎng)線路阻抗線路阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/ΩzT0．2314+j0．6813zTR0．05+j0．4133zT1-T20．05+j0．3288zR1-T20．05+j0．2918zF0．14+j0．5826zTF0．05+j0．3137zT1-R20．05+j0．2918zR1-R20．05+j0．3140zR0．212+j0．7643zFR0．05+j0．3053zT1-F20．05+j0．3169zR1-F20．05+j0．2802

由表2仿真結(jié)果可以看出，故障測(cè)距方法與實(shí)際情況存在一定誤差，原因是故障原理未考慮變壓器漏抗，但總體來(lái)說(shuō)，故障測(cè)距方法誤差不超過(guò)0.05 km。

4 雙邊供電方式的故障測(cè)距方案

4.1 故障測(cè)距的啟動(dòng)

在接觸網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，兩邊變電所的數(shù)據(jù)采集裝置持續(xù)對(duì)變電站的交流電流量進(jìn)行采集。當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障測(cè)距單元在繼電保護(hù)動(dòng)作下啟動(dòng)。故障測(cè)距單元采用內(nèi)部啟動(dòng)和外部啟動(dòng)的雙啟動(dòng)方式，內(nèi)部啟動(dòng)是指根據(jù)繼電保護(hù)綜合裝置的內(nèi)部保護(hù)判斷程序(如：自適應(yīng)距離保護(hù)程序、低電壓?jiǎn)?dòng)的過(guò)電流保護(hù)程序等)，判定保護(hù)啟動(dòng)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)故障測(cè)距單元程序；外部啟動(dòng)是指根據(jù)饋線保護(hù)裝置(保護(hù)繼電器)的動(dòng)作信號(hào)來(lái)啟動(dòng)故障測(cè)距單元，兩者本質(zhì)上是一致的。在內(nèi)部啟動(dòng)失效的情況下，外部啟動(dòng)將強(qiáng)制啟動(dòng)故障測(cè)距單元，從而保證了故障測(cè)距的順利啟動(dòng)。由于兩邊變電站故障測(cè)距單元的啟動(dòng)采用同一信號(hào)來(lái)源，可以最大限度的實(shí)現(xiàn)兩邊故障電流量的同時(shí)性。

表2 故障測(cè)距仿真結(jié)果實(shí)際故障距離/kmIa/AIb/A仿真計(jì)算故障距離/km實(shí)際故障距離/kmIa/AIb/A仿真計(jì)算故障距離/km028437．513．260．02361649．292471．9435．9964882．81543．886．01421577．633669．8141．96124658．441167．8812．02481169．634656．2747．95183680．941581．5618．0354542．624869．3853．97242460．941640．63246012．3128375．6759．98303857．193848．2329．97

4.2 故障數(shù)據(jù)的傳送

故障測(cè)距單元啟動(dòng)以后，根據(jù)故障測(cè)距原理的要求，需要將其中一邊變電站的電流量傳送到另一變電站的故障測(cè)距單元處，進(jìn)行故障距離計(jì)算。根據(jù)我國(guó)目前鐵道通信發(fā)展的形勢(shì)，可以采用兩種形式傳送信息量，即利用遠(yuǎn)動(dòng)通道和鋪設(shè)故障測(cè)距的專用信息傳送通道。利用遠(yuǎn)動(dòng)通道傳送信息的優(yōu)點(diǎn)是不用增加投資，系統(tǒng)改造工程量小，缺點(diǎn)是信息傳輸?shù)臅r(shí)間延遲比較嚴(yán)重；鋪設(shè)故障測(cè)距的專用信息傳送通道的優(yōu)點(diǎn)是信息傳輸?shù)臅r(shí)間延遲很小，缺點(diǎn)是要額外鋪設(shè)專用通道，增加了系統(tǒng)改造的工程量和成本?？紤]全并聯(lián) AT雙邊供電方式的主要應(yīng)用范圍是高速鐵路客運(yùn)專線，其安全性和穩(wěn)定性的要求非常高，因此選用鋪設(shè)故障測(cè)距的專用信息傳送通道的方式更能滿足要求。

4.3 故障測(cè)距流程圖

根據(jù)上述分析，給出全并聯(lián)AT雙邊供電方式故障測(cè)距的流程如圖7。

5 結(jié)論

根據(jù)全并聯(lián)AT雙邊供電方式的結(jié)構(gòu)和等值電路，提出了新型的故障測(cè)距原理。該原理計(jì)算簡(jiǎn)單，經(jīng)仿真證明準(zhǔn)確有效，并同時(shí)適用于T-R短路和T-F短路，但并不能分辨出兩種短路的不同，不能作為故障類型判斷的依據(jù)。在原理的基礎(chǔ)上，分析了全并聯(lián)AT雙邊供電方式故障測(cè)距的流程圖，為后續(xù)故障測(cè)距裝置的研發(fā)提供了參考。

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(責(zé)任編輯 劉憲福)

Fault Location Method forBilateral All-parallel AT Traction Power Supply System

Ma Yanning

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

High speed railway has become the inevitable development trend of railway in our country. This paper introduces the bilateral power supply system that is suitable for high speed railway development, and analyzes and simulates the equivalent circuit of the bilateral all-parallel AT power supply system. On the basis of the equivalent circuit, fault location method for the bilateral all-parallel AT power supply system is studied, and the basic ranging process is put forward.

bilateral power supply; all-parallel AT traction system; fault location method

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.17

2013-12-06

馬燕寧 女 1989年出生 碩士研究生

U226.5

A

2095-0373(2014)03-0079-05