葉春暉 中國鐵路上海局集團有限公司杭黃鐵路有限公司

電氣化鐵路電力牽引供電系統(tǒng)因設(shè)備和變壓器接線方式的不同，主要包括直接供電方式、BT供電方式、AT供電方式及CC供電方式。自上世紀60年代日本新干線AT供電方式投入運營以來，AT供電方式因其良好的供電性能和防干擾效果，逐漸替代了BT供電方式，并伴隨世界電氣化鐵路的高速發(fā)展而迅速傳播。本文主要對變壓器VX接線下的AT牽引供電方式原理及接觸網(wǎng)上下行電流比短路故障測距方法進行探析。

1 VX接線牽引變壓器

電氣化鐵路三相-兩相制式VX接線牽引變壓器是VV接線和AT方式純單相接線的技術(shù)整合，由兩臺AT供電的單相三繞組變壓器組合而成，AT供電方式單相牽引變壓器二次側(cè)雙繞組。AT供電方式單相牽引變壓器繞組聯(lián)結(jié)如圖1，VX變壓器接線如圖2。

圖1 AT單相變壓器繞組聯(lián)結(jié)示意圖

從圖1AT單相變壓器繞組聯(lián)結(jié)示意圖可以看出，變壓器次邊為雙繞組（每組繞數(shù)相同），其中*表示同名端（也叫同極性端），低壓側(cè)出線端子標志為a1、x1、a2、x2，將x1、a2連接后接鋼軌和接地網(wǎng)，其他兩端分別接入接觸導線和正饋線；或?qū)1、x2連接后接鋼軌和接地網(wǎng)，其他兩端分別接入接觸導線和正饋線。通過AT供電單相三繞組變壓器原、次邊繞組線圈同名端及不同組合聯(lián)結(jié)方式設(shè)計，x1、a2或a1、x2饋出電壓差可達設(shè)計的2×27.5 kV。

圖2 VX變壓器接線原理圖

圖2 VX接線變壓器由兩臺AT供電方式單相牽引變壓器組成，有T1、F1、T2、F2接觸網(wǎng)上下行4路饋出端，通過平行布線，分相兩側(cè)上下行電壓大小相等方向相反，產(chǎn)生的電磁感應(yīng)相互抵銷，降低了對沿線通信設(shè)備的干擾。

2 牽引所亭系統(tǒng)布置

圖3 VX接線變壓器AT牽引供電系統(tǒng)布置

在牽引網(wǎng)中，并聯(lián)自耦變壓器形成的AT供電系統(tǒng)主要包括3種模式，第一種為55 kV模式，在牽引變電所內(nèi)以及接觸網(wǎng)上均設(shè)置AT設(shè)備，牽引變壓器中間不設(shè)置抽頭；第二種為2×27.5 kV模式，牽引變電所二次側(cè)中間設(shè)置抽頭，并與鋼軌連接，節(jié)約了一臺AT設(shè)備；第三種為新型AT供電方式，該方式下牽引變電所內(nèi)不設(shè)置AT設(shè)備，同時牽引變壓器不需要設(shè)置中間抽頭，牽引變電所內(nèi)無軌道-回流線的布置。本文介紹第二種2×27.5kV模式。VX接線變壓器AT牽引供電系統(tǒng)布置如圖3。

為整體減少進入電力系統(tǒng)的負序分量，牽引變電所實行換相連接，即輪換接入電力系統(tǒng)的不同相，使得兩相鄰牽引變電所間的供電分區(qū)同相，以保證變電所兩邊供電分區(qū)的分相絕緣器所承受電壓值等于牽引網(wǎng)電壓。若變電所接入電力系統(tǒng)的CA、AB、CB相，接觸網(wǎng)對地電壓分別表示為Uca、Uab、Ubc，圖3所示牽引所1和牽引所2相鄰側(cè)分相絕緣器所承受電壓值均為Uca。若牽引所2在與牽引所1相鄰側(cè)接入電力系統(tǒng)AB相，則牽引所1和牽引所2相鄰側(cè)分相絕緣器所承受電壓將是Uca與Uab的相量差，絕對值為

3 接觸網(wǎng)上下行電流比故障測距

高速鐵路AT供電方式根據(jù)線路及通信條件可采用不同測距原理，主要包括AT中性點吸上電流比、橫連線電流比和上下行電流比測距原理。AT中性點吸上電流比故障測距原理主要通過故障點兩邊自耦變壓器中性點的吸上電流之比,計算故障點的位置。橫連線電流比原理主要根據(jù)故障電流分配比例來比較變電所、AT所及分區(qū)所3處的橫聯(lián)線電流，計算故障點距離。上下行電流比故障測距原理主要是上行或下行饋線電流與上下行饋線電流之和的比值，其中饋線電流是指上行或下行饋線出口處接觸線和正饋線電流之差，以此來計算故障點的位置。

圖4 AT所不并聯(lián)、分區(qū)所并聯(lián)運行

如圖4，AT所不并聯(lián)、分區(qū)所并聯(lián)方式運行下，當接觸網(wǎng)ITF1側(cè)某處發(fā)生短路故障時，變電所的上下行饋線會同時向故障點提供短路電流。根據(jù)電路基本原理，當電壓相同時，流經(jīng)阻抗元件的電流與阻抗大小成反比，根據(jù)圖4分析則有：

同理，當接觸網(wǎng)ITF2側(cè)某處發(fā)生短路故障時，可得：

又故障距離大于零，故上下行電流比公式可整理為：

公式中ITF1=IT1-IF1為變電所下行饋出電流，ITF2=IT2-IF2為變電所上行饋出電流；D1為第一AT段距離，D2為第二AT段距離，單位km；L為故障測距距離。上述公式是AT所不并聯(lián)、分區(qū)所并聯(lián)情況下推導的。在實際運行中，AT所、分區(qū)所上下行末端通常均為并聯(lián)，如圖5。

圖5 AT所、分區(qū)所均并聯(lián)運行

第一種情況，接觸網(wǎng)跳閘故障在變電所和AT所之間，根據(jù)電路基本原理，可得上下行電流比公式：

第二種情況，接觸網(wǎng)故障跳閘在AT所和分區(qū)所之間，根據(jù)AT供電方式電流分布特點及電路基本原理，得：

整理得，上下行電流比公式：

公式中ITF3=IT3-IF3為分區(qū)所下行饋出電流，ITF4=IT4-IF4為分區(qū)所上行饋出電流。根據(jù)上下行電流比故障測距方法對1#牽引所和2#牽引所不同AT區(qū)段實際接觸網(wǎng)跳閘故障案例進行分析。

1#牽引所接觸網(wǎng)跳閘故障類型，根據(jù)系統(tǒng)故障報文可知為下行T-R故障，故障距離4.66 km，故障測距相關(guān)設(shè)計定值見表1，故障測距系統(tǒng)報文見表2。

表1 1#牽引所故障測距相關(guān)設(shè)計定值

表2 1#牽引所故障測距系統(tǒng)報文

依據(jù)表2牽引所故障報文數(shù)據(jù)建立網(wǎng)孔電流分析見圖6。

圖6 1#牽引所AT供電方式電流分布圖

通過分析網(wǎng)孔電流分布可得下行T線節(jié)點電流不平衡，總吸上電流和與故障電流基本平衡，接觸網(wǎng)短路故障為下行T-R故障，故障點為牽引所與AT所之間，與系統(tǒng)故障類型判斷一致。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）得故障距離:

故障公里標=牽引所公里標+故障距離-修正距離，將數(shù)據(jù)代入得：

故障公里標=132.104 km。

故障距離和公里標的計算結(jié)果與系統(tǒng)判斷的故障距離4.660 km和公里標132.100 km基本一致。

2#牽引所接觸網(wǎng)跳閘故障類型，根據(jù)系統(tǒng)故障報文可知為下行T-R故障，故障距離22.870 km，故障測距相關(guān)設(shè)計定值見表3，故障測距系統(tǒng)報文見表4。依據(jù)表4牽引所故障報文數(shù)據(jù)建立網(wǎng)孔電流分析見圖7。

表3 2#牽引所故障測距相關(guān)設(shè)計定值

表4 2#牽引所故障測距系統(tǒng)報文

圖7 2#牽引所AT供電方式電流分布圖

通過分析網(wǎng)孔電流分布可得下行T線節(jié)點電流不平衡，總吸上電流和與故障電流基本平衡，接觸網(wǎng)短路故障為下行T-R故障，故障點為AT所與分區(qū)所之間，與系統(tǒng)故障類型判斷一致。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6）得:

故障公里標=牽引所公里標-故障距離-修正距離，將數(shù)據(jù)代入得：

故障公里標=45.99 km。

故障距離和公里標的計算結(jié)果與系統(tǒng)判斷的故障距離22.870 km和故障公里標46.100 km基本一致。

需要特別說明的是，在利用接觸網(wǎng)上下行電流比法計算故障距離時，因同一牽引所不同供電臂整定值不同，故當先通過網(wǎng)孔電流分析判斷故障點在第一AT段還是第二AT段，即故障點是在牽引所至AT所之間還是AT所至分區(qū)所之間，其次根據(jù)系統(tǒng)顯示的故障公里標判斷故障點所在供電臂。在實際故障點公里標查找時，利用修正距離進行調(diào)整，使其更加符合實際距離。在日常運用中，還需根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備實際情況進行綜合分析，如在多股道站場或同一供電單元有不同分支供電臂時，系統(tǒng)判斷的故障測距和故障公里標不能同時反映多個分支供電臂的情況，現(xiàn)場人員應(yīng)多方向同步查找故障點避免留下設(shè)備安全隱患。

4 結(jié)束語

高速鐵路AT供電方式作為目前主要的牽引供電方式，了解其基本原理，并掌握常見的接觸網(wǎng)故障測距方法，對鐵路建設(shè)和接觸網(wǎng)設(shè)備日常運行管理都很有幫助。在故障測距系統(tǒng)應(yīng)用時，故障跳閘后，對每次故障跳閘報文進行認真分析，核實相關(guān)參數(shù)及定值是否正確，發(fā)現(xiàn)問題并及時調(diào)整，確保系統(tǒng)正常運行，為故障查找提供指導。