新型AT供電牽引網(wǎng)故障測距方案

李崗，林國松，韓正慶

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

新型AT供電牽引網(wǎng)故障測距方案

李崗，林國松，韓正慶

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

全并聯(lián)自耦變電器AT（auto transformer）供電方式在我國高速鐵路、客運專線得到了大規(guī)模的應(yīng)用。基于牽引變壓器采用次邊無中心抽頭的單相變壓器，在變電所處變壓器次邊中心不接入鋼軌和地。采用廣義對稱分量法分析短路阻抗特性，繪制AT供電方式下T-R故障的短路阻抗與距離的曲線。證明常用的AT中性點吸上電流比測距原理不能完全適用于該供電方式，并提出了基于AT吸上電流比原理和上下行電流比原理的綜合故障測距方案，基于Matlab/Simulink的仿真分析表明，測距原理準(zhǔn)確、有效。

供電牽引網(wǎng)；供電方式；故障測距；中性點吸上電流比

近年來，高速鐵路、客運專線在我國得到了飛速的發(fā)展，大量采用復(fù)線全并聯(lián)自耦變壓器AT（auto transformer）供電方式。此供電方式與傳統(tǒng)的復(fù)線AT供電方式最大的不同在于其在上下行首末端并聯(lián)的基礎(chǔ)上，將AT變壓器上下行對應(yīng)線路并聯(lián)起來，起到滿足維持網(wǎng)壓、提高運輸能力等的作用[1]。此供電方式主變壓器采用的是次邊線圈帶中心抽頭的單相變壓器，文獻[2]對此從經(jīng)濟性和供電效果方面進行了分析，并指出其設(shè)計制造難度大和造價高的缺點，然后提出了一種新型的AT供電方式。本文采用廣義對稱分量法對新型AT供電方式模型進行研究，分析其短路阻抗和特性，繪制短路阻抗-距離曲線，指出既有應(yīng)用于高速鐵路的故障測距原理在新型AT供電方式下受到的影響，并提出適用于其運行方式的故障測距方案。

1 新型AT供電牽引網(wǎng)簡介

全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)的采用上下行共用AT方式，將所有AT所處的上下行接觸網(wǎng)T（trolly line）、正饋線F（feedback line）和鋼軌R（rail）并聯(lián)連接，供電方式可簡化如圖1所示，其中Tr為帶中心抽頭的單相變壓器，CB1、CB2分別為下行、上行雙極斷路器，AT1、AT2分別為AT所、分區(qū)所的自耦變壓器，T1、F1、R1分別為下行線路的接觸網(wǎng)、正饋線、鋼軌，T2、F2、R2分別為上行線路的接觸網(wǎng)、正饋線、鋼軌。文獻[2]提出的新型AT供電方式見圖2。其中，單相變壓器次邊輸出電壓2Eq=55 kV，AT1、AT2為線路上的自耦變壓器，其他設(shè)備與全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)相同。在既有應(yīng)用的全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)中，故障測距普遍采用AT中性點吸上電流比測距原理[3～6]。

圖1 全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)Fig.1AT power traction network with parallel connection

2 新型AT供電方式短路阻抗分析

新型AT供電方式短路阻抗采用母線電壓U˙TF和饋線電流-的比值計算端口阻抗，當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生金屬性短路的時候，端口阻抗即為牽引網(wǎng)阻抗，即

由于線路橫向元件AT和橫聯(lián)線的存在，除大地和鋼軌外的上下行T、F線縱向元件在電路參數(shù)上并不完全對稱，分析該新型AT供電方式牽引網(wǎng)，線路仍然具有相對的對稱性，其中上行的T、F線可以認(rèn)為是互相對稱的兩相，下行的T、F線也可以認(rèn)為是互相對稱的兩相，基于該類型牽引網(wǎng)特點，可以采用廣義對稱分量法進行短路阻抗分析。以下分別把下行T、F線，上行T、F線稱為2× 2相系統(tǒng)的A、B、C、D相。把T線、F線間電壓看成兩個Eq電勢串聯(lián)而成的中點不接地對稱的兩相理想電源，其中EA=-EB=Eq，所以有

對比新型AT供電牽引網(wǎng)與文獻[6]所述的全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)，二者的區(qū)別在于變電所處是否存在自耦變壓器，序網(wǎng)如圖3所示。其中，z0′、z1′、z2′和z3′分別為0序、1序、2序、3序回路的單位阻抗[4]。兩個串聯(lián)的電源Eq無中點引出線，因此有

圖3 復(fù)線運行方式序網(wǎng)Fig.3Sequence net at double lines running mode

根據(jù)新型AT供電牽引網(wǎng)序電流通路和電源序分量，當(dāng)發(fā)生T1-R1短路故障，可以得到如圖4的A相對地短路復(fù)合序網(wǎng)。其中，x為故障點距離故障AT段始端距離；L1、L2分別為第一、第二AT段的長度。設(shè)線路兩個AT分段長度分別為9 km、15 km，新型全并聯(lián)AT供電方式發(fā)生T1-R1短路故障時的短路阻抗－距離曲線[7]如圖5所示。根據(jù)2×2相系統(tǒng)的對稱性，當(dāng)線路發(fā)生T2-R2、F1-R1、F2-R2故障時，其阻抗表現(xiàn)形式與T1-R1短路故障一致。可以看出，當(dāng)發(fā)生T1-R1故障時，變電所出口測量短路阻抗與距離關(guān)系在第一AT段呈現(xiàn)遞減特性，在第二AT段呈現(xiàn)AT供電牽引網(wǎng)的鞍型特性。新型AT供電方式與文獻[8]所述的全并聯(lián)AT供電方式的第一AT段的短路阻抗曲線不同之處在于前者為遞減特性，后者為鞍型特性。短路阻抗參數(shù)為

圖5 阻抗－距離特性曲線Fig.5Characteristics of the impedance-distance

3 故障測距方案與仿真

3.1 故障測距方案

對于圖1所示的全并聯(lián)AT供電方式，文獻[8]驗證了AT吸上電流比測距原理依然有效；當(dāng)圖1中的AT1、AT2退出運行，上下行處于非并聯(lián)狀態(tài)時，當(dāng)線路發(fā)生故障，可以采用常規(guī)的電抗法測距[5]。以上兩種測距原理已經(jīng)在我國高速鐵路和客運專線得到了廣泛的綜合性應(yīng)用。

對于圖2所示的新型全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)，由圖5所示的阻抗-距離曲線可以看出，當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障，短路阻抗與故障距離不是單調(diào)增長的曲線，并且也不同于圖1供電方式的鞍型曲線[8]。當(dāng)線路AT1、AT2退出運行時，鋼軌和大地與牽引變壓器次邊無電氣連接，即使發(fā)生鋼軌與T線或F線短接，也不會發(fā)生短路故障。因此，不能采用電抗法測距原理，又由于變電所無AT或由主變“虛擬”出的AT，所以不能采用AT中性點吸上電流測距原理。

考察如圖2所示的新型全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)，可以分成兩個AT段，其中T與AT1之間構(gòu)成第一AT段，AT1與AT2之間構(gòu)成第二AT段。考察第一AT段饋線出口處下行饋線電流和上行饋線電流分別為

根據(jù)前述T1、F1、T2、F2分別對應(yīng)復(fù)合序網(wǎng)的A、B、C、D四相。當(dāng)T故障發(fā)生在第一AT段下行線路（T1-R1故障），根據(jù)廣義對稱分量原理，有

考察第二AT段，可以看出，其結(jié)構(gòu)與圖1所示的全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)一致。采用的AT中性點吸上電流比測距原理[5]為

當(dāng)新型AT供電方式AT段數(shù)量增加的時候，增加的各段屬性和第二AT段相同，同樣可以采用AT中性點吸上電流比測距原理。

3.2 仿真分析

根據(jù)圖2，構(gòu)建基于Matlab/Simulink的復(fù)線新型全并聯(lián)AT供電方式仿真模型，主要元件所采用的參數(shù)為系統(tǒng)電源電壓：220 kV；系統(tǒng)阻抗：0.5+ j4.71Ω；單相變壓器容量：40 MVA，220/55 kV；AT變壓器容量：32 MVA；AT漏抗：0.15+j0.6Ω；AT段線路長度：9 km、15 km；過渡電阻：10 Ω。

根據(jù)式（11）、式（12）計算的仿真結(jié)果如表1所示。

表1 T1-R1故障測距結(jié)果Tab.1Results of T1-R1 fault locationkm

在不同的過渡電阻、不同的故障類型（T2-R2、F1-R1、F2-R2故障）條件下，得到同樣的故障測距結(jié)果，在此不再贅述。

根據(jù)表1仿真結(jié)果表明，當(dāng)線路發(fā)生T1-R1故障時，AT中性點吸上電流比原理測距結(jié)果較上下行電流比誤差大，這主要是由于AT吸上電流比測距原理受AT漏抗和線路參數(shù)影響相對大些[5]，但總體說來，仿真測距誤差不超過0.05 km。

4 結(jié)語

本文采用廣義對稱分量法分析了具有兩個AT段的新型AT供電方式牽引網(wǎng)，簡化該供電方式的AT和橫聯(lián)線，并對線路去耦。分析新型AT供電方式牽引網(wǎng)短路阻抗距離特性表明，第一AT段呈現(xiàn)遞減特性，第二AT段呈現(xiàn)鞍型特性，第二AT段與常規(guī)的全并聯(lián)AT供電方式類似。

根據(jù)對新型AT供電方式故障復(fù)合序網(wǎng)圖的分析，推導(dǎo)上下行電流比測距原理公式。最后提出在第一AT段采用上下行電流比原理，第二AT段采用AT吸上電流比原理的測距方案。基于Matlab/Simulink的仿真分析表明，該測距方案準(zhǔn)確、有效。

[1]易延，郭其一（Yi Yan，Guo Qiyi）.自耦變壓器供電方式的電牽引供電系統(tǒng)中的機車驅(qū)動諧波污染仿真研究（Study of the simulation of locomotive drive harmonic pollution in the electric traction power-supply system adopted the autotransformer mode）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2003，15（5）：59-63.

[2]李群湛（Li Qunzhan）.我國高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問題（On some technical key problems in the development of traction power supply system for highspeed railway in China）[J].鐵道學(xué)報（Journal of The China Railway Society），2009，32（4）：119-124.

[3]高仕斌（Gao Shibin）.AT供電牽引網(wǎng)故障測距系統(tǒng)的研究（Study on AT Power Traction Power Supply System）[D].成都：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院（Chengdu：School of Electrical Engineering of Southwest Jiaotong U－niversity），1988.

[4]盧濤，韓正慶，王繼芳（Lu Tao，Han Zhengqing，Wang Jifang）.全并聯(lián)AT供電方式的故障測距方法（Fault location method for all parallel autotransformer feeding systems）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2006，18（2）：27-30.

[5]程偉，徐國卿，牟龍華（Cheng Wei，Xu Guoqing，Mu Longhua）.基于分布參數(shù)模型的牽引網(wǎng)故障測距新算法（A novel fault location algorithm for traction network based on distributed parameter line model）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2005，17（6）：63-66.

[6]王繼芳（Wang Jifang）.全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)故障測距研究（Research on Fault Location of All-Parallel at Traction System）[D].成都：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院（Chengdu：School of Electrical Engineering of Southwest Jiaotong University），2006.

[7]Lin Guosong，Li Qunzhan.Impedance calculations for AT power traction network with parallel connections[C]//Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference.Chengdu，China：2008.

[8]林國松（Lin Guosong）.牽引供電系統(tǒng)新型保護與測距原理研究（Study on Novel Protection and Location Schemes for Traction Power Supply System）[D].成都：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院（Chengdu：School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University），2010.

Fault Location of Novel AT Power Traction Network

LI Gang，LIN Guo-song，HAN Zheng-qing
（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The AT（Auto Transformer）power supply mode with parallel connection is applied on high railway and dedicated passenger lines in our country on a large scale.The traction transformer is single phase without neutral terminal in secondary side and the mid-point in secondary side is not connected with the rails and earth.Based on the generalized method of symmetrical components，the short-circuit impedance was analyzed.The impedance characteristic curves of T-R fault are plotted.The usual fault location principle based on ratio of AT boosting currents at mid-point is not perfectly adapted to this power supply system.A new fault location comprehensive scheme based on ratio of AT boosting currents and ratio of up-down line currents is put forward.Simulation analysis on Matlab/Simulink indicates that the fault location principle is accurate and effective.

power traction network；power supply mode；fault location；ratio of boosting currents at mid-point

TM773

A

1003-8930（2013）03-0031-04

李崗（1972—），男，博士研究生，講師，研究方向為變電站綜合自動化系統(tǒng)和智能信號處理。ligang@home.swjtu.edu.cn

2012-03-29；

2012-06-07

國家自然科學(xué)基金項目（50907055）；鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2011J023-C）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（SWJTV12CX034）

林國松（1974—），男，博士，副教授，研究方向為繼電保護、故障測距和變電站自動化系統(tǒng)。Email：linguosong@tom.com

韓正慶（1977—），男，博士，副教授，研究方向為繼電保護與變電站綜合自動化。hanzhengqing@swjtu.cn