電氣化鐵路單線直供牽引網T-R短路故障隔離解決方案

陳莉，陳乾，陳劍，梁澤川

電氣化鐵路單線直供牽引網T-R短路故障隔離解決方案

陳莉1，陳乾1，陳劍1，梁澤川2

（1. 南京鐵道職業技術學院，江蘇南京，210031；2. 西南交通大學電氣工程學院，四川成都，610031）

及時準確發現、隔離、排除牽引網線路故障，是電氣化鐵路牽引供電系統正常運行的重要舉措。以最常見的單線直供牽引網T-R短路故障為例，基于對故障機理的分析，在Matlab/ Simulink平臺下建立了測控模型；同時為實現故障供電區塊的準確判斷，提出了故障潮流符號值的概念，并在實際案例中得以應用。應用效果表明：該測控系統能夠最大限度減少瞬時故障引起的誤判，在保障無故障區段正常供電的前提下，可在60 ms內完成故障隔離，滿足了電氣化鐵路保護系統的時限要求，提升了鐵路運行質量。

牽引網；單線直供；T-R短路故障；故障潮流符號值

引言

在電氣化鐵路牽引供電系統中，牽引網是置于大自然中的一個龐大的供電裝置[1]。因其結構復雜、工作條件惡劣，且無備用，因此必須及時準確地發現、隔離并排除牽引網故障。故障測控系統、故障隔離裝置等成為牽引供電系統中非常重要的設備。

為最大限度保證無故障區間的正常供電，有必要建立相關測控模型展開分析研究，為實現系統建設奠定理論基礎。

1　單線直供牽引網T-R短路故障機理

直供牽引網線路故障有多種形式，然而根據鐵路公司公布的運營統計數據顯示：牽引網線路短路故障占絕大部分[2]。根據電路理論，主要介紹和分析單線直供牽引網T-R短路故障機理（其中T為接觸網，R為鋼軌），其示意圖如圖1所示。

圖1　單線直供牽引網T-R短路故障示意圖

當發生短路故障時，T和R之間形成一個閉合回路，滿足如下電壓方程

整理得

其中：

Zs''——歸算到27.5 kV電壓下的系統及變電所阻抗，Ω；

x——短路點到牽引變電所的距離，km；

ZAA——接觸網單位長度等效阻抗，Ω/km；

ZBB——鋼軌單位長度等效阻抗，Ω/km；

ZAB——接觸網和鋼軌單位長度等效互阻抗，Ω/ km。

2　測控系統原理

2.1短路故障模擬模型的建立

短路故障模擬模型的建立是在Matlab/Simulink平臺實現的。模擬短路模塊采用Elements庫中的斷路器Breaker，其在模型中的結構如圖2所示。斷路器模塊的初始狀態和動作時間均可設定，如圖3所示。本文設置斷路器模塊初始狀態為斷開，當到達其動作時間時，斷路器閉合，此時圖2中上行牽引網中的T和R發生金屬性短路。

圖2　模擬短路模塊

圖3　斷路器參數設置

2.2故障潮流符號值的提出

設定牽引變電系統一次側電源初始相位為0°。以此為基準，當仿真牽引網發生T-R短路故障時，測量各分段所端口的電壓相位與電流相位。

在單線直供牽引網中，若任何一個供電區段發生T-R短路故障，區段兩端的故障潮流符號值之和的絕對值P≥1。

3　測控系統仿真應用

通過在單線直供牽引網中的不同位置進行短路故障仿真，可驗證利用故障潮流符號值識別牽引網短路故障的可行性。本節針對牽引網發生T-R短路故障的具體應用，仿真整個測控系統的運行情況。

如圖4所示，在牽引網的16 km處（區段12內）加入斷路器，并設置其在0.08 s時刻短路，以模擬牽引網T-R短路故障的發生。

圖4　單線直供牽引網短路故障示意圖

故障發生后，通過仿真可知，分段所QD11、QD12、QD13、QD0處的故障潮流符號值依次為1,1,0,0。故區段11的故障潮流符號值之和的絕對值為P= |1-1|=0；同理，區段12為P=|1-0|=1≥1 ；區段13為P=|0-0|=0。由此即可判斷故障發生在區段12，通過仿真可得到其兩端電壓分別如圖5a和圖5b所示；其兩端斷路器控制信號如圖6a和圖6b所示。

圖5　供電區段12兩端電壓

圖6　供電區段12兩端斷路器控制信號

牽引網在0.08 s時刻發生短路故障，此時部分分段的電壓低于閾值，這些分段所處的控制中心可根據相鄰分段所傳送的故障潮流符號值迅速計算故障潮流符號值之和的絕對值P。若P≥1，則應立即斷開該分段所內的斷路器；若P=0，則無需動作。由圖5和圖6可知，在0.14 s時，區段12被切除，區段11恢復了正常供電。同時，由于區段12未與分區所相連，待區段12被切除后，分區所（QD0）內的斷路器（DL0）自動合閘，通過相鄰的變電所實現自動越區供電。

為最大限度減少瞬時故障引起的誤判[3-6]，故障區段兩端的分段控制中心在故障切除0.06 s后（即在0.20 s時刻），向各自分段所內的斷路器下達了合閘命令，實現重合閘。若0.08 s時刻發生的故障為瞬時性短路故障，那么執行重合閘操作后，線路供電將恢復正常，此時故障區段兩端斷路器應保持閉合狀態；若0.08 s時刻發生的故障為永久性短路故障，那么執行重合閘操作后，線路仍處于短路狀態，此時故障區段兩端斷路器應永久斷開，并向控制室發出報警信號。例如，如圖6所示，在0.14 s時刻，斷路器斷開，將故障支路暫時隔離；在0.20 s時刻，分段控制中心向分段所內的斷路器下達了重合閘命令，然后再依據故障潮流符號值進行判定，若重合閘成功，則斷路器保持合閘狀態；反之，則分段控制中心應再次發送分閘命令，并向控制室報警。

在此次仿真中，短路系永久性短路故障，故故障區段（區段12）被完全隔離，區段11正常供電，區段13通過相鄰牽引變電所實現了自動越區供電。自動越區供電控制信號波形圖如圖7所示。

圖7　分區所越區控制信號

由圖5和圖6還可分析得知：牽引網在0.08 s時刻發生了短路故障；在0.14 s時刻，故障區段被切除，其余區段恢復供電，用時0.14 s-0.08 s=0.06 s（即60 ms），滿足了電氣化鐵路保護系統的時限要求。

4　結束語

通過牽引網合理分段，研究了一種測控系統，既能夠迅速隔離故障區段，也能夠最大限度保障無故障區段正常供電。同時，該系統是以基于故障潮流符號值的分布式測控系統作為主保護，以及同樣基于該值的集中式測控系統作為后備保護，二者相得益彰，進一步提升了測控系統可靠性?；痦椖浚?/p>

江蘇省高職院校青年教師企業實踐培訓項目(2016QYSJ036)。

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Solution on Fault Isolation of T-R Short-circuit in Single-cabledirect-supply Traction Network for Electrified Railway

CHEN Li1, CHEN Qian1, CHEN Jian1, LIANG Ze-Chuan2
(1. Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing, Jiangsu, 210031, China; 2. School of Electrical Engineering , Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan, 610031, China)

Discovery, isolation and exclusion of fault of traction network cable with promptness and accuracy, are crucial in normal operation of traction based power supply system for electrified railway. A case study on fault of T-R short-circuit in single-cable-direct-supply traction network is investigated through analysis of fault mechanism and establishment of measurement and control model under Matlab/ Simulink platform. Meanwhile, aiming at an accurate decision of power supply block with fault, a concept of sign value of fault flow is proposed and applied in such an actual case. The application effect shows that, such a measurement and control system can minimize the misinterpretation caused by transient fault. Under the premise of normal power supply in non-fault blocks, the isolation of fault can be achieved within 60 ms, which satisfies the deadline of protection system in electrified railway, and improves the quality of railway operation.

Traction Network; Single-cable-direct-supply; T-R Short-circuit; Sign Value of Fault Flow

TM713

A

2095-8412 (2016) 05-896-04工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.018

陳莉(1985-)，女，甘肅天水人，碩士研究生，助教。主要研究方向：同相供電。

陳乾(1981-)，男，大學本科。研究方向：電力電子技術。

陳劍(1988-)，男，大學本科。研究方向：電力電子技術。

梁澤川(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子變換技術。