同相貫通牽引供電系統保護方案研究

劉大崗，譚紅巖，肖楚鵬

0 引言

傳統的牽引供電方式需要在牽引變電所出口及分區所處設置多個電分相，并且存在諧波、無功、負序等電能質量問題。過分相與電能質量問題都嚴重制約著電氣化鐵道向高速、重載方向發展。本文研究的同相貫通供電方式可以有效地改善電氣化鐵道諧波、無功及負序問題，并且能從根本上取消過電分相環節。

當然，如果電氣化鐵道采取同相貫通供電方式，無論是牽引變電所還是牽引網結構及阻抗特性都發生了變化，因此，同相貫通供電保護配置不能照搬原有牽引供電系統的保護方案。牽引供電系統中，合理的保護是系統安全、可靠運行的前提。研究一種新的供電方式，必須同時研究與之相適應的保護方案。本文通過對同相貫通供電系統的研究，提出了一種適用于該供電方式下的繼電保護方案。

1 同相貫通供電系統特點

與電力系統相連的同相貫通供電系統是一個交直交系統，主要由三相整流、直流儲能、單相逆變以及所間協調并聯環節組成。貫通式同相牽引供電系統能夠很好地解決電分相、負序、無功、諧波等問題，利用多個外部電源同時向牽引負荷供電，具有送電能力強、綜合技術經濟指標高等優點。但是，貫通式供電方式及電力電子器件的采用使外部電源的系統阻抗、短路容量和傳統的牽引供電系統相比有很大變化，同時也改變了牽引負荷和故障電氣量的特征，現有的牽引供電系統保護配置與測距原理已經不能滿足需要，必須全面研究適合貫通式同相牽引供電系統的保護、控制與故障測距技術。

同相供電變電所出口處左右兩供電臂電壓相位相同，所以變電所出口取消電分相環節。另外，由于采用全線貫通的方式，理論上2個相鄰牽引變電所之間不用設置分區所，但是考慮到故障時保護裝置可以縮小故障范圍，便于各個區段檢修維護時安全可靠分離。在兩相鄰變電所中間保留分區所，并在分區所設置相應的保護裝置。

同相貫通供電系統結構如圖1所示。

2 同相貫通供電保護配置方案

2.1 交直交變電所的保護方案

交直交變電所主接線圖如圖2所示。高壓側雙回路電源進線，電力系統高壓經高壓側隔離變壓器變為整流裝置可以承受的4 kV交流電，再經過整流逆變環節最終變換為AT牽引網需要的55 kV交流電。

該變電所分為以下3個部分：

（1）高壓側雙回路電源進線和2臺互為備用的三相降壓變壓器，高壓側采用內橋接線方式。當2路進線中的一路發生故障時，僅故障線路的斷路器跳閘，另一條線路和2臺變壓器仍可正常運行。當任一變壓器故障時，與其直接相連的2臺斷路器都必須斷開，從而使系統短時間內按1路電源1臺變壓器方式運行。因此，采用內橋接線時當任一電源進線發生故障或者檢修時，2臺變壓器仍然能夠照常并列運行。

圖1 同相貫通供電系統結構示意圖

圖2 交直交變電所主接線圖

（2）交直交變流系統。貫通供電方式下該系統主要由三相整流、直流儲能和單相逆變3個單元組成。

三相整流單元是將降壓變壓器輸出的三相交流變換為直流，為負荷提供能量；直流儲能單元是實現能量的緩存，不消耗有功功率；單相逆變單元是將直流側電能轉換成單相的交流電為機車傳遞有功功率，同時補償機車產生的諧波和無功。

（3）單相升壓變壓器。由逆變環節得到的單相交流電經過單相升壓變壓器得到牽引負荷需要的55 kV電壓。由于變壓器容易出現故障，因此該升壓變壓器采用固定備用。當3號變壓器出現故障或者檢修時，投入4號變壓器，整個系統仍能正常工作。

交直交牽引變電所具體保護配置見表1。

表1 交直交牽引變電所保護配置一覽表

2.2 牽引網保護方案

貫通供電由于正常情況下全線貫通，當牽引網發生故障時，勢必會對相鄰變電所乃至整條線路和負荷產生影響。因此，當發生故障時，首先需要考慮盡可能縮小故障范圍，盡量隔離故障，其中包括相鄰區段之間、上下行之間的隔離。

基于將故障最簡化的原則，在變電所出口處和分區所處仍需設置103#、203#和273#、274#分相斷路器。牽引供電系統正常工作情況下，變電所出口斷路器和分區所斷路器均閉合，實現貫通供電。另外，變電所出口處 103#斷路器的動作時限小于101#、102#出口饋線斷路器的動作時限，當牽引網發生短路故障時，分區所和變電所出口處的斷路器先動作；為了保證選擇性，101#、102#斷路器需要加裝方向元件，判斷故障方向，以免2路饋線斷路器同時動作將故障范圍擴散到相鄰區段。

目前，國內高速鐵路牽引網均采用距離保護作為主保護，本文根據同相貫通供電故障特性，牽引網主保護采用自適應二段距離保護。距離一段保護范圍從變電所到分區所，距離二段保護范圍為變電所到最后一個AT區段（不包括最后一個AT段）。

當距離保護采用四邊形特性時，如果故障發生在變電所出口處，對應的是動作特性圖的原點，也是距離保護的死區，為了消除距離保護死區，增加電流速斷保護與距離保護配合。電流速斷保護一般整定值較大，保護范圍很小。

距離保護一般是按躲過線路最大負荷整定，所以整定值較小。當牽引網發生高阻接地故障時，距離保護不能正確動作。因此，配置電流增量ΔI保護作為后備保護。分區所斷路器與變電所出口斷路器設置同樣的保護，只是整定值有所區別。

同相貫通供電牽引網、變電所出口、分區所斷路器設置如圖3所示。

圖3 同相貫通供電牽引網結構圖

牽引網具體保護配置如表2所示。

表2 牽引網保護配置一覽表

3 結論與展望

以電力電子器件和控制理論為基礎的貫通供電系統可以實現電氣化鐵路內部的同相聯網，消除或大大減輕對電力系統電能質量影響，徹底解決高速電氣化鐵路電能質量問題，是理想可行的新型牽引供電方案。該系統具有以下優勢：

（1）在正常工作甚至更寬的范圍內，電力系統的電壓偏差與波動、電源頻率偏差等與牽引供電系統自身電壓調整互不影響，可各自獨立進行，諧波問題極大改善，理論上為零。實現電力系統與牽引供電系統零干擾或低干擾隔離。

（2）不存在負序問題。負序在運行中經電力電子器件的正弦調制而消除。

（3）理想情況下牽引供電系統只從公用電網取得三相正序有功電流。

（4）減少電分相環節，并為電氣化鐵路高速、重載提供保證。

本文僅從理論上設計了適用于同相貫通供電的繼電保護方案，為進一步完善貫通供電保護配置，還需進行大量保護整定仿真實驗和工程實踐。

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