牽引網分段供電與分布式保護研究分析

趙晴晴

牽引網分段供電與分布式保護研究分析

趙晴晴

針對電氣化鐵路牽引網現有繼電保護的缺點，對電氣化鐵路牽引網分段供電進行了介紹，并在此基礎上對牽引網的分布式縱聯電流差動保護進行研究，分析了其整定值的影響因素。

電氣化鐵路；分段供電；分布式保護

0 引言

牽引網是置于自然環境中的龐大系統，受雷害、大風、鳥害等影響，導致在運行中發生各種故障。因此對牽引網的保護尤為重要。隨著我國高速鐵路的迅速發展，AT供電方式得到了推廣應用。全并聯AT供電方式成為我國高速鐵路的首選方式。現有AT牽引網供電方式下，一旦牽引網任意位置處發生故障，將導致整個供電臂停電，供電可靠性較差。

1 既有AT供電方式牽引網繼電保護特點

AT供電方式的典型供電臂是由變電所、AT所、分區所構成，如供電臂較長，為減小故障下的停電范圍，則在變電所和分區所之間設置開閉所。全并聯AT牽引網繼電保護配置如表1所示。

表1 全并聯AT牽引網繼電保護配置表

現有AT牽引網繼電保護方式下，若牽引網某處發生故障，首先是變電所饋線斷路器跳間，停止向上下行供電臂供電；AT所和分區所中的饋線失壓保護動作；牽引變電所饋線斷路器重合閘；AT所和分區所饋線保護檢有壓重合鬧，此時故障支路所在所的并聯斷路器無法重合鬧，實現了故障支路的隔離。但該過程中伴隨有復雜的倒閘作業，容易產生誤動作，且造成的停電范圍較大。

2 牽引網分段供電與分布式保護

2.1 牽引網分段供電理論

在現有方式下，AT所出口增加電分段和開閉所，并且每個AT所上下行AT段兩端都加一對斷路器及CT、PT裝置。其電氣接線簡化圖如圖1所示。

圖1 分段供電簡化電氣接線圖

通過增加電分段及AT段兩端斷路器，實現了全并聯AT供電的分段供電，其等效示意圖如圖2所示。

2.2 牽引網分布式保護理論

在牽引網分段供電的基礎上，可以對牽引網進行分布式保護。在每個AT段進行縱聯電流差動保護，即利用T線及F線兩端電流差值即差動電流大于整定值作為動作判據，即：

在分段處有接觸網分段器FDQ和開閉所KB。開閉所包括斷路器KF及CT、PT和測控單元。測控單元輸入量為左鄰右鄰開閉所的CT、PT，測控單元輸出端連接該開閉所的斷路器控制端。分布式縱聯電流保護原理如圖3所示。

由每個供電段的T-R間電壓值降低到定值作為保護啟動條件，兩側的電氣量構成電流差動保護，僅比較被保護線路兩側電流的大小和相位，不反映相鄰線路上發生的短路故障，因此，不需要在時間上與相鄰線路的保護相配合，所以在整個被保護線路上發生故障時，可以實現瞬時切除故障，實現全線速動。

圖2 分段供電簡化示意圖

圖3 牽引網分段供電分布式保護系統示意圖

3 牽引網縱聯差動保護整定值影響因素

3.1 接觸網電容

由電磁場理論知，單根導線對地電容為

式中，H為導線對地高度；R為導線半徑。

接觸網由承力索、接觸線等導線構成，可視作分裂導線。

由分裂導線等效半徑公式知接觸網導線半徑：

式中，r為接觸線導線半徑；d為接觸線和承力索的平均中心距離，且d=h– (2/3)fc，其中，h為接觸懸掛的高度，fc為承力索的弛度。

2根導線之間的電容計算可根據電位系數矩陣求解，其計算結果為

式中，hi為導線i對地面的平均高度，m；Ri為導線i的半徑，m；D12為導線i與導線j的鏡像間距，m；d12為導線i與導線j之間的距離，m。

AT供電系統中接觸線和正饋線之間的電容可以采用式（2）計算。

圖4 導線及其鏡像示意圖

由于線路具有分布電容，正常運行和外部短路時線路兩端電流之和不為零，而是線路充電電容。牽引網屬于相對較短的高壓線路，電容電流不大，線路兩側電流和值不大，縱聯電流差動保護可用不平衡電流的門限值躲過它。而對于高壓長距離架空輸電線路和電纜線路，充電電容電流很大，若用門限值躲電容電流，將極大地降低靈敏度，所以通常采用測量電壓來補償電容電流。

3.2 電流互感器暫態飽和及型號差異

在IEC60044-1中定義的保護用電流互感器準確等級有5P、10P、5PR、10PR和PX五種，在我國國家電力系統安裝的保護用電流互感器中，最常見的準確等級是5P，10P和PX。

由于牽引網短路電流中含有較大的非周期分量，因此很可能造成電流互感器飽和而使二次側電流產生畸變，進而造成差動保護裝置的誤動。電流互感器的飽和受很多因素影響，主要有電流大小、電流非周期分量大小、二次負載阻抗、鐵心飽和特性等因素。

電流互感器應保證，在區外短路故障時，即使互感器飽和也應可靠不動作；當區內故障時，即使互感器飽和，也必須保證保護動作。

抗電流互感器飽和的措施主要有：

（1）采用比率制動特性抑制電流互感器飽和引起的誤動。

（2）適當提高比率制動特性的啟動電流和制動系數。

（3）采用光學電流互感器，不含鐵心，消除了磁飽和問題。

（4）減小電流互感器二次側負載。

（5）采用對電流飽和不敏感的繼電保護原理。（6）增大保護級CT的變比。

3.3 高阻短路情況

實際中為了避免外部短路時由于較大的不平衡電流而引起的保護誤動，帶有制動特性的差動保護得到了廣泛應用。常見的全電流縱聯差動保護判據有：

帶制動特性的全電流差動保護提高了外部短路時不動作的可靠性以及區內短路時的靈敏性。但經高阻短路的時候，短路電流較小，若此時負荷電流仍存在而且比較大，負荷電流是穿越性電流，它只產生制動電流而不產生動作電流，因此保護可能發生拒動。

模擬牽引網第一段m、n之間在t= 0.04 s發生T-R短路故障，當短路過渡電阻Rg分別取0、200、500、1 000、2 000 Ω時，差動保護的仿真結果見圖5—圖9。

圖5 T-R短路故障各保護動作特性(R= 0 Ω)圖

圖6 T-R短路故障各保護動作特性(R= 200 Ω)圖

圖7 T-R短路故障各保護動作特性(R= 500 Ω)圖

圖8 T-R短路故障各保護動作特性(R= 1 000 Ω)圖

圖9 T-R短路故障各保護動作特性(R= 2 000 Ω)圖

由仿真結果知，當過渡電阻為0、200、500 Ω時，3種制動特性的保護均能準確動作。當過渡電阻為1 000 Ω時，向量和差制動及模值和制動方式下制動電流大于動作電流，保護拒動。當過渡電阻達到2 000 Ω，3種制動特性的保護均會拒動。

若減小制動系數K會導致抵御外部故障的能力降低。為了消除負荷電流的影響，提高保護的靈敏度，可以采取利用故障分量構成的差動保護作為后備保護，其判據為

4 結語

通過對牽引網分段并引入縱差電流保護，可實現快速隔離故障區段，并有效縮小停電范圍。分析了縱差電流保護動作可靠性的影響因素及解決方法。

[1] 李群湛.論新一代牽引供電系統及其關鍵技術[J].西南交通大學學報，2014，49（4）：559-568.

[2] 李俊華，霍兵兵. 輸電線路幾種比率差動保護性能仿真[J].電子設計工程，2012，20（3）：153-155.

[3] 姚楠.電氣化鐵道牽引網基波與諧波模型研究[D].北京交通大學，2008（6）.

With regard to the disadvantages in existing relay protection for traction network of electrified railway, introduction has been made on sectionalized power supply of electrified railway traction network, on the basis of which the researches on the distributed longitudinal differential protection of the traction network have been made, and the factors affecting the setting values have been analyzed as well.

Electrified railway; sectionalized power supply; distributed protection

U223.5

：B

：1007-936X(2016)01-0009-04

2015-07-14

趙晴晴.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，電話：13541128599。