鄭西高鐵全并聯AT越區供電時失壓保護配置的改進

張桂林，劉曉路

（1 鄭州鐵路職業技術學院，河南鄭州450052； 2 鄭州鐵路局 供電處，河南鄭州450052）

我國高鐵基本全部采用全并聯AT供電方式，但在全并聯AT正常供電方式及全并聯AT越區供電方式下，與之相配套的各種保護尚處于探索階段，大部分保護沿用了既有線的保護原理，運行起來存在問題，需要在運行實踐中不斷有效地改進，提高供電的質量和可靠性。

1 全并聯AT供電的基本概念和特點

1.1 全并聯AT牽引網的結構

全并聯AT牽引網是在復線AT牽引網的基礎上，將上下行牽引網的接觸線（T），鋼軌（R）和正饋線（F）在變電所出線處及AT所、分區所處通過連接線并聯起來，同一方向的上下行牽引網由一臺變壓器供電。圖1所示為鄭西高鐵全并聯AT牽引網。

圖1 鄭西高鐵全并聯AT牽引網

1.2 全并聯AT牽引網的特點

與其他幾種供電方式（如直接供電、BT及直接供電＋回流線等）相比，全并聯AT供電方式可以減少牽引網的單位長度阻抗，這樣使得它具有一系列優點：（1）對相同的牽引負荷，使牽引網電壓損失減小到1／3，從而提高牽引網的效率；（2）對相同的牽引負荷和相同的受電弓上的電壓降情況下，可以將牽引變電所的數量減少一半，并因此減少分區和分相點；（3）對相同的牽引變電所數量，使運能增大一倍；（4）考慮到現有高壓線路，可以更好布置牽引變電所的地址；（5）減小對臨近住宅和鐵道場所的電磁和通信干擾；（6）不用將AT變壓器側的接觸線斷開，而BT供電方式中每一個吸流變壓器的分段對接觸線和受電弓都是一系列的電氣和機械缺點。與不并聯的AT供電方式相比，在相同的負載條件下，全并聯的AT供電方式可以減少牽引網電力損失大約10%。同時，由于在每一AT站都進行了并聯，負荷電流在上下行牽引網進行了均分，使得線路運行更加均衡，大大提高了供電的可靠性和帶負載能力及減少對周圍通訊的干擾。

在全并聯AT供電方式帶來諸多優點的同時，由于在每一個AT所及分區所進行電氣的連接后，整個牽引網的電路拓撲結構變得極其復雜。變電所的保護配置也變得相當復雜。當牽引網線路發生短路或者斷路故障時，上下行線路同時跳閘，造成全線停電，故障區段及故障地點的準確判別也變得非常困難，不利于故障的排除和供電的及時恢復。

目前，在我國高速鐵路全并聯AT供電的管理同高速鐵路的其他專業一樣，尚處于探索階段。與之相配套的各種保護大部分沿用了既有線的保護原理，運用中不可避免存在問題。

2 全并聯AT越區供電

2.1 全并聯AT越區供電

高鐵全并聯AT供電時，當某一牽引變電所因故障不能正常供電時，故障變電所擔負供電任務的供電臂經有關分區所開關設備與相鄰供電臂接通，同時有關AT所開關設備也要做相對應的調整，由相鄰牽引變電所進行臨時供電。這種供電方式稱越區供電。

2.2 鄭西高鐵全并聯AT越區供電保護存在的問題

如圖2所示，當變電所2全所停電，變電所1向變電所2越區，這時變電所1的斷路器211和212饋線保護整定值要由正常的供電方式定值調整為越區方式的定值，具體為由0區切換到1區；同時，在分區所的斷路器273和274保護定值也要由0區切換到1區，即投入電流增量保護、過電流保護、阻抗Ⅰ段保護等。

正常AT供電方式下的跳閘程序為：當線路發生故障時，變電所斷路器211，212跳閘，AT所和AT分區所失壓，其斷路器271，272因失壓保護相繼跳閘；若線路故障為瞬時性，2 s后斷路器211和212重合閘。此時，在AT所、分區所因為檢有壓，AT所3 s重合閘、分區所4 s重合閘。鄭西高鐵在AT所和分區所饋線設置的失壓保護是在后備自投微機保護測控裝置內（主要是為兩臺自耦變壓器設置的），當線路無壓時，從線路外側電壓互感器采集到無壓，失壓保護出口作用于饋線保護裝置內的操作回路然后使斷路器271，272，或273，274跳閘；當線路有壓時，從線路外側電壓互感器采集到電壓，檢有壓出口作用于饋線保護測控裝置的操作回路使斷路器271，272或273，274合閘。

越區供電時，在被越區段發生故障，如果保護的選擇性恰當，無論是瞬時性或永久性故障，均應該按照正常的邏輯選擇性動作。可是在越區段，當發生瞬時性故障，越區段斷路器211和212重合成功后，分區所斷路器271，272保護測控裝置檢到有壓后斷路器271，272合閘，當電壓通過越區隔離開關2001，2002時，電壓互感器3YH，4YH，7 YH，8YH采不到電壓，因電壓互感器在斷路器外側，被越區段的斷路器273，274測控裝置不能檢到有壓而合閘，從而導致被越區段停電。線路本來是瞬時性故障，卻導致有一半線路處于無電狀態，這時，需要人工對分區所斷路器273，274進行合閘。大大降低了高鐵供電的可靠性。

圖2 全并聯AT越區供電模型圖

2.3 全并聯越區時對失壓保護的解決方案

（1）方案1：增加PT柜

方案1（如圖3所示）是在分區所斷路器271，272和273，274內側母線上增加4臺電壓互感器（圖中的9YH，10YH，11YH，12 YH）。平時不越區時，此4臺電壓互感器置于撤出位，當越區時，只將被越區段的電壓互感器投入。例如變電所1向變電所2越區時，靠近斷路器273，274側的電壓互感器（11 YH，12 YH）投入使用；變電所2向變電所1越區時，靠近斷路器271，272側的電壓互感器（9 YH，10 YH）投入使用。

一旦越區段或被越區段出現短路故障時，將按照以下順序動作：被越區段出現瞬時性故障時，首先，斷路器273，274保護的電流速斷或阻抗Ⅰ段動作，重合閘動作成功；一旦斷路器273，274保護無選擇性，變電所1跳閘時，AT所1的斷路器271，272失壓跳閘，分區所的斷路器272，271失壓保護跳閘，2 s后，變電所1的斷路器211，212重合成功，3 s后AT所1的斷路器271，272檢有壓重合成功，4 s后分區所斷路器271，272檢有壓合閘成功，同時越區電壓互感器11 YH，12 YH檢到有壓，斷路器273，274檢有壓合閘成功。

圖3 全并聯越區供電失壓保護改造示意圖

越區段出現瞬時性故障時，變電所1的斷路器211，212同時跳閘，AT所、分區所的失壓保護動作，AT所的斷路器271，272、分區所的斷路器271，272，273，274相繼跳閘，當變電所的斷路器211，212重合成功后，AT所和分區所檢到有壓，AT所的斷路器271，272，分區所的斷路器273，274相繼在3 s和4 s后檢有壓合閘。此時，供電處于正常狀態。

上述方案增加一套4 YH的PT柜，需要費用40多萬元，加上其他輔助材料，工程總預算需60萬元左右。而且施工難度大，既需要拆柜子，還要抽真空等，所以采用此方案將增加投資成本。

（2）方案2：改變保護狀態

在原保護設計中出現失壓保護時只跳閘而不告警（或只告警而不跳閘），為此在原失壓保護邏輯中增加自動重合閘功能，刪去告警與邏輯的輸入非門，改變原失壓保護時要么告警，要么跳閘的邏輯。

將備自投裝置的失壓保護程序下到斷路器271，272，273，274的保護測控裝置內，將備自投裝置內的失壓保護出口至斷路器271，272，273，274的跳閘回路切斷。即在正常運行方式下，斷路器271，272，273，274的保護測控裝置內的0區設失壓保護，在越區供電時的1區也設置失壓保護。

正常運行方式下，分區所斷路器271，272和斷路器273，274的保護測控裝置內的0區裝上失壓保護程序，其動作時間和檢有壓時間與設在備自投裝置的時間一樣。

當越區時（如變電所1向變電所2越區時），分區所斷路器273，274的定值要切換到1區，1區設置的失壓保護如下：

將失壓保護程序移植到饋線保護裝置的1區內，摒棄檢有壓重合閘，增加失壓保護啟動重合閘功能。

原失壓保護是設在備自投裝置內，當變電所跳閘后，備自投裝置檢無壓而出口作用于饋線斷路器跳閘，當檢到有壓時，分區所的饋線斷路器271，272，273，274才能重合閘。如果變電所1向變電所2越區，271，272的保護裝置保護定值區不變（0區），273，274的饋線保護裝置要從0區切換到1區，當變電所跳閘失壓時，仍然是備自投裝置1失壓出口作用于271，272跳閘，備自投裝置2失壓出口作用于273，274跳閘。現在要采取的改造方案是將備自投保護裝置內的失壓保護功能剔除，分別在饋線斷路器271，272，273，274的保護裝置內的0區和1區設失壓保護，在0區設失壓保護和檢有壓重合閘，在1區設失壓保護和失壓保護自動重合閘功能（如圖4所示），正常供電方式下，投入0區保護，按前述邏輯方式動作；越區時，一旦發生越區段瞬時性故障，如距離一段，變電所0.2 s跳閘，AT所斷路器和分區所的斷路器271，272檢無壓后跳閘，而分區所的273，274在檢無壓后應在2.5 s后跳閘，跳閘時啟動重合閘2 s重合。這樣，從變電所到AT所再到分區所斷路器271，272及273，274的合閘時間依次為2 s（變電所自動重合閘）→3 s（AT所檢有壓合閘1 s）→4 s（分區所的271，272檢有壓2 s合閘）→4.5 s（分區所的273，274自動重合閘）。

經過此改造后，既滿足跳閘功能也滿足了失壓保護功能。

圖4 改進后1區的失壓保護邏輯

3 越區時失壓保護方案改進的選擇

經過現場實際調查研究，在失壓保護方面，對提出的兩種改進方案評估選優，最終在鄭西高鐵選用了第2種方案，此方案投資較少、易于實現，但需要對微機保護測控裝置模塊中各種保護的邏輯關系認真分析研究，確保邏輯關系正確無誤才能進行；改造中一旦出錯，將造成不可預料的后果。而第1種方案盡管原理簡單、邏輯清晰，終因投資成本增加較多，施工難度較大被擱置。

4 結束語

在鄭西高鐵全并聯AT供電系統運行中，鑒于高鐵牽引變電所在越區供電時失壓保護出現的缺陷，尤其是當越區段出現瞬時性故障導致被越區段因失壓不能及時送電，曾經幾度影響行車的實際情況，對既有設備進行了一系列的改進。

改進過程中，通過對保護邏輯進行修改實現軟件保護功能的改進和強化，在保證不與其他重合閘時間發生沖突的前提下，增加了失壓保護啟動重合閘功能，并順利移植入微機保護測控裝置模塊中。經實際運行檢驗，在靈敏度方面和選擇性方面與牽引變電所其他保護裝置能夠有效地配合，可以說是非常成功的，有效地解決了長期困擾鄭西高鐵越區供電的一個瓶頸，取得了預期的效果，對高鐵全并聯AT供電方式保護的發展有著積極的推進作用。

［1］潘啟敬.牽引供電系統繼電保護［M］.北京：中國鐵道出版社，1993.

［2］王永康.繼電保護及自動裝置［M］.北京：中國鐵道出版社，1998.

［3］曹建猷.電氣化鐵道供電系統［M］.北京：中國鐵道出版社，1987.

［4］賀威俊，簡克良.電氣化鐵道供變電工程［M］.北京：中國鐵道出版社，1996.

［5］康華光.電子技術基礎［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［6］張保會，尹項根.電力系統繼電保護（第2版）［M］.北京：中國電力出版社，2009.