李鯤鵬，鐘 帆，趙云云，馮 超，易 東

(1.西南交通大學電氣工程學院,成都 611756; 2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣州 510010)

引言

為有效解決我國現行市域鐵路存在的過分相及以負序為主的電能質量等問題[1],借助現代電力電子技術,實現市域鐵路的貫通同相供電是必由之路[2]。

目前貫通同相供電方案有組合式同相供電、全交直交供電、虛擬同相柔性供電等,其中,組合式同相供電方案將牽引變電所的兩個主要供電設備——牽引變壓器和同相補償裝置分為相對獨立的兩個部分,而二者在功能上又能相互配合以牽引變壓器為主要供電設備,補償裝置輔助供電的同時補償負序電流[3];全交直交供電系統(tǒng)由牽引變電所和牽引網構成,牽引變電所由三相(降壓)變壓器和三相/單相交-直-交變流器(也稱“潮流控制器PFC”[4])串聯(lián)而成,牽引網仍用50Hz工頻供電;虛擬同相柔性供電系統(tǒng)在牽引變電所處采用基于三相-兩相牽引變壓器的同相供電方案,分區(qū)所采用柔性過分相方案[5-6]。

組合式同相供電+分區(qū)所雙邊供電的特點在于組合式同相供電技術可實現采用單相變壓器配合必要的、最小容量補償裝置的一種同相供電技術,能夠在對負序和無功進行治理的同時,連通牽引變電所左右兩側的牽引網;新型雙邊供電技術能夠連通分區(qū)所左右兩側的牽引網,使機車不斷電過分相,配合外部電源方案,使其對電力系統(tǒng)的影響降到最低[7],因此,對此方案進行分析。

市域鐵路采用貫通同相供電后,牽引供電系統(tǒng)結構改變,故障電流的大小、方向都較單邊供電時不同,因此,傳統(tǒng)保護方案不再適用于貫通同相供電系統(tǒng)[8]。文獻[9]針對單邊AT供電方式設計了牽引網的保護;文獻[10]探究了鐵路雙邊供電后對電力系統(tǒng)側保護的影響;文獻[11-12]探討了貫通同相供電系統(tǒng)中電力電子設備的保護配置;文獻[13]針對貫通同相供電系統(tǒng)設計了饋線保護。

但以上對牽引供電系統(tǒng)保護的探究均針對其中某一個環(huán)節(jié),未對整個系統(tǒng)的保護進行探討,因此,本文首先介紹了貫通同相供電方式中的組合式同相供電+分區(qū)所雙邊供電方案的拓撲結構,對組合式同相供電+分區(qū)所雙邊供電方案進行分析,通過建立該系統(tǒng)的數學模型,對牽引變電所高壓側及牽引網不同位置短路電流進行計算;以某市域鐵路為例,利用仿真對理論分析進行驗證;最后通過分析結果,在傳統(tǒng)繼電保護方案上進行改進,配置一套繼電保護新方案。

1 同相供電系統(tǒng)結構及數學模型

貫通同相供電系統(tǒng)的牽引變電器采用一次側中點抽出式單相變壓器,與同相補償裝置的高壓匹配變壓器HMT形成不等邊不等容斯科特接線,牽引變壓器低壓側與低壓匹配變壓器并聯(lián)接到27.5 kV母線上,連通牽引變電所左右兩側的牽引網和分區(qū)所左右兩側的牽引網形成全線貫通如圖1所示。

圖1 貫通同相供電系統(tǒng)結構

圖2 貫通同相供電系統(tǒng)數學模型

2 故障分析

市域鐵路發(fā)生的故障可分為系統(tǒng)側故障和牽引側故障。在電氣化鐵路同相供電的情況下,系統(tǒng)側故障時,牽引網也會有一部分故障電流經牽引變壓器流向故障點,可能會對繼電保護裝置產生影響;牽引側故障時,故障點左右兩牽引變電所都會向故障點注入短路電流。系統(tǒng)側故障和牽引測故障時短路電流都較單邊供電時不同,因此,分別對系統(tǒng)側和牽引側進行故障分析(系統(tǒng)側以牽引變電所高壓側進線故障為例,牽引側以牽引網故障為例)。

2.1 牽引變壓器進線單相接地短路

當采用貫通同相供電方案后,牽引變壓器高壓側進線發(fā)生故障時,變壓器低壓側也成為電源側,向短路點注入電流;牽引變電所27.5 kV饋線故障時,牽引變壓器低壓側、相鄰牽引變電所饋線均會向短路點注入電流。以高壓側進線故障為例進行短路分析,當發(fā)生單相接地短路時,短路點將進線阻抗分割為Zjk1和Zjk2,如圖3所示。

圖3 單相接地短路模型

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 牽引變壓器進線兩相接地短路

如圖4所示,牽引變壓器的進線發(fā)生兩相接地短路故障,同樣變壓器低壓側與高壓側均會向短路點注入電流。

圖4 兩相接地短路模型

(8)

在故障瞬間,C相為非故障相,依然在為系統(tǒng)提供補償電流。因此,當牽引網空載運行,求得牽引網電流折算到高壓側如式(9)所示,具體公式分析同單相接地短路。

(9)

(10)

(11)

2.3 牽引變壓器進線兩相相間短路

圖5 兩相相間短路模型

(12)

(13)

(14)

2.4 牽引網短路

當牽引網發(fā)生金屬性短路時,牽引網上無均衡電流通路,因此,同相供電系統(tǒng)的短路電流可看作單邊供電系統(tǒng)故障電流的疊加。如圖6所示,設牽引變電所SSk與故障點d點的距離為Lk,牽引變電所SSk+1與故障點d點的距離為Lk+1,兩牽引變電所之間的距離為L。接觸網和鋼軌等效阻抗的單位阻抗為Zq[16]。

圖6 牽引網短路模型

(15)

(16)

(17)

3 仿真分析

針對某市軌道交通設計一條3個牽引變電所實施貫通同相供電的線路如圖7所示。

圖7 貫通供電線路

圖中1、2、3號三個牽引變電所通過組合式同相供電+雙邊供電方案,在原分區(qū)所的位置通過合斷路器實施雙邊供電來達到3個牽引變電所兩兩貫通同相供電運行的目的,4號牽引變電所作為備用,以此結構為例進行具體的實例故障分析,根據上文貫通同相供電系統(tǒng)的理論分析以及線路的系統(tǒng)電網架構圖在軟件etap中建立相應的故障仿真模型[17],如圖8所示。

圖8 某軌道交通線路供電系統(tǒng)故障仿真模型

在牽引網空載的情況下,對系統(tǒng)中不同位置的母線發(fā)生三相接地短路、相間短路、兩相接地短路、單相接地短路進行了仿真分析,以表1所示的1號變電站線路仿真結果為例。

表1 某市域鐵路供電系統(tǒng)故障仿真結果

通過仿真結果可以發(fā)現,牽引變電所27.5 kV母線發(fā)生故障時,牽引網流過的故障電流占故障電流的百分比最大為55.50%;牽引變電所110 kV母線發(fā)生故障時,牽引網流過的故障電流占故障電流的百分比最大為10.53%;牽引變電所上級變電站110 kV母線發(fā)生故障時,牽引網流過的故障電流占故障電流的百分比最大為3.26%;牽引變電所上級變電站220 kV母線發(fā)生故障時,牽引網流過的故障電流占故障電流的百分比最大為0.44%;牽引變電所上級變電站110 kV側帶的其他電力負荷發(fā)生故障時,牽引網流過的故障電流占故障電流的百分比最大為3.26%。

根據故障分析和仿真結果,得出當牽引側發(fā)生故障時,牽引網流過的故障電流占故障電流的百分比相對較大,需配置牽引供電系統(tǒng)的保護方案;而系統(tǒng)側發(fā)生故障時,牽引網流過的故障電流占故障電流的百分比很小,系統(tǒng)側繼電保護裝置的動作不會受到影響,不需要調整電力系統(tǒng)的繼電保護裝置。因此,需針對線路中不同位置、不同電壓等級的母線、饋線確定相應的保護配置。

4 保護配置方案

在市域鐵路采用貫通同相供電的情況下,通過上文計算可以發(fā)現,發(fā)生故障時對牽引供電系統(tǒng)繼電保護裝置有一定影響,而電力系統(tǒng)基本不受影響,因此,牽引供電系統(tǒng)傳統(tǒng)的保護方案將不再適用,貫通同相供電方式下,牽引供電系統(tǒng)繼電保護配置如表2所示。

表2 貫通同相供電保護配置方案

實施貫通同相供電后,繼電保護配置的原則如下。

(1)牽引變電所進線保護配置

牽引變電所進線在貫通同相供電方式下較單邊供電增加了差動保護[18]、距離保護(備自投啟動邏輯改為故障啟動)。

牽引變電所在貫通同相供電方式下,牽引變電所高壓側進線發(fā)生短路時,變壓器低壓側也成為電源側,向短路點注入電流,需同時使相鄰牽引變電所饋線斷路器和牽引變電所內的進線斷路器跳閘,因此,可以在牽引變電所內為進線增設差動保護、距離保護。同時,由于單邊供電時牽引變電所進線故障為失壓啟動備自投,但在貫通同相供電方式下,牽引變電所進線故障時牽引變壓器高壓側依然有電壓,故需要將牽引變電所進線的備自投啟動邏輯改為故障啟動備自投,且投切后的進線所連接的電源也需滿足補償后相位一致的要求。如果無法滿足或備自投失敗,則建議將該牽引變電所退出貫通運行,由備用牽引變電所啟動,繼續(xù)進行貫通供電。

(2)牽引變電所27.5 kV母線保護配置

牽引變電所27.5 kV母線在貫通同相供電方式下較單邊供電增加了母線差動保護。

當牽引變電所27.5 kV母線發(fā)生短路時,由于與母線相連的進、饋線均會向母線注入短路電流,需跳開與母線相連的所有回路斷路器。而饋線注入的短路電流實際為相鄰牽引變電所越區(qū)時的末端短路電流,一般不會太大,系統(tǒng)短路容量較小時,短路電流甚至比機車電流還小,因此,饋線的過電流保護靈敏度很低,在母線發(fā)生短路時不能確保保護動作。需設置低電壓啟動的帶方向的過電流保護、母線差動保護[19-20]作為27.5 kV母線的保護。同時,當主變低壓側電流互感器與斷路器間發(fā)生短路時,同樣需利用母線差動保護將與母線連接的所有回路斷路器跳開,斷路器動作后,備用變壓器自動投入,若仍然發(fā)生故障,則退出當前牽引變電所,由備用牽引變電所代替進行貫通供電。

綜上,貫通同相供電時需在牽引變電所27.5 kV母線上設置低電壓啟動的帶方向的過電流保護、母線差動保護。

(3)牽引變壓器保護配置

既有牽引變壓器設有差動保護作為牽引變壓器主保護,正常運行時,變壓器高低壓側折算電流仍相等,差動保護范圍內發(fā)生故障時,兩側注入故障點的電流差值增大,變壓器差動保護仍能可靠動作,因此,維持既有變壓器保護不變。

(4)牽引變電所27.5 kV饋線保護配置

牽引變電所27.5 kV饋線在貫通同相供電方式下較單邊供電增加了距離I段聯(lián)跳保護。

距離I段聯(lián)跳保護整定可到2個牽引變電所距離的80%[21],當故障在兩個牽引變電所距離I段范圍內時,兩個牽引變電所都會立即跳閘,且不受通信限制;當故障在1個牽引變電所距離I段范圍內時,該所饋線保護動作的同時通過所間通信通道向相鄰分區(qū)所發(fā)送聯(lián)跳信號。檢查出故障位置后,由備用饋線投入運行,兩回饋線都檢修時,由備用牽引變電所投入繼續(xù)實施貫通供電。

(5)牽引網保護配置

貫通同相供電能夠連通分區(qū)所和牽引變電所左右兩側的牽引網,牽引網上只要有一個地方發(fā)生故障,整條線路都會受到影響,情況嚴重時,甚至還會使牽引網停止運行,這不利于列車安全可靠運行。因此,能夠快速且準確地判斷牽引網故障的類型,以及其發(fā)生故障的位置十分重要,這有利于故障的快速切除,使牽引網上非故障區(qū)段的供電盡快恢復,能夠提高牽引網的可靠性。將采用牽引網分段供電與測控技術,在(采用)貫通同相供電以后,將其作為牽引網的主要保護方案[8]。

牽引網分段示意如圖9所示,分段可根據具體情況進行劃分,常見方式如下。

圖9 牽引網分段示意

(1)自然分段處:分區(qū)所、復線鐵路上下行、AT供電方式的AT段。

(2)以10 km左右的區(qū)間為單元對牽引網進行分段。

(3)接觸網錨段可視為一個最小分段。

(4)貫通同相供電的兩個牽引變電所之間可視為一個最大分段。

分段的兩端設置分段所,分段所內設并聯(lián)電壓互感器,其測量電壓為Ui和Uo,分段器Si與So上并接斷路器Ki與Ko和對應的串聯(lián)電流互感器,其測量電流為Ii和Io,利用以上數據,就可以對牽引網分段進行測與控。

使用縱聯(lián)差動保護作為后備保護,當電壓互感器檢測到電壓降低時計算兩個相鄰牽引變電所的電流和,整定值按躲過供電臂最大負荷電流整定確保保護能夠可靠動作。

5 結論

實施貫通同相供電不僅可從根本上解決電分相和電能質量問題,還可帶來提高供電能力、保障運輸能力、提高系統(tǒng)可靠性等多方面效益。

本文主要對市域鐵路實施貫通同相供電方式中的組合式同相供電+雙邊供電方案進行保護配置分析,通過對系統(tǒng)不同位置發(fā)生故障進行理論與仿真分析,得出結論:當牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障時,牽引網流過的故障電流占故障電流的百分比相對較大,因此,需配置牽引供電系統(tǒng)的保護方案;而電力系統(tǒng)發(fā)生故障時,牽引網流過的故障電流占故障電流的百分比很小,電力系統(tǒng)繼電保護裝置的動作不會受到影響,不需要調整電力系統(tǒng)的繼電保護配置。

致謝：論文得到廣州地鐵設計研究院股份有限公司科技項目(R110421H01090)的大力支持,在此表示衷心感謝。