基于鐵路牽引網供電臂的縱差保護方案研究

葛海波，周小金，郭 華

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基于鐵路牽引網供電臂的縱差保護方案研究

葛海波，周小金，郭 華

提出了一種全并聯AT分段供電方式下基于供電臂的縱差保護方案，該方案可選擇性地切除供電臂的故障區段，提高牽引供電的可靠性和靈活性。

數據同步；縱差保護；AT供電；分段保護

0 引言

目前，我國高速鐵路（客運專線）供電系統多采用“串接”的全并聯AT供電方式。該供電方式能顯著提高供電能力，但其復雜的結構也致使繼電保護裝置在故障識別和保護配合方面存在一定難度。目前針對“串接”的全并聯AT供電方式，設計單位為達到繼電保護設備配合簡單且整定計算方便的目的，常采用供電臂有故障時，變電所上下行同時切除，AT所和分區所通過失壓保護解列，最后采用重合閘方式恢復無故障側的繼電保護方案。文獻[1，2]中提出一種劃分縮小供電單元、分段供電的方法，提高供電靈活性。本文根據這種分段供電方式，提出一種基于鐵路供電臂的縱差保護方案，該方案相比目前常用的繼電保護方案具有更好的選擇性和靈敏性。

1 全并聯AT供電與分段供電方式比較

1.1 高鐵全并聯AT供電方式

目前，我國高鐵（客運專線）大多采用圖1所示的全并聯AT供電方式。

由從圖1可以看出，供電臂上下行在AT所和分區所通過斷路器實現并聯，且1QF—6QF均為雙極斷路器。該供電方式下，我國高鐵（客運專線）常規繼電保護裝置配置及繼電保護方案為：1QF—6QF每處均配置1臺繼電保護裝置。假設在1點供電臂發生故障，AT所處牽引網并聯導致1QF和2QF處安裝的繼電保護裝置采集的故障電壓、電流均相同，導致1QF和2QF處安裝的繼電保護裝置的距離（過流）保護均動作，隨后3QF—6QF處繼電保護裝置失壓，保護動作后供電臂上下行解列，故障切除。2QF、4QF、6QF通過檢有壓重合閘恢復上行供電，下行線路2個AT段均失電。從上面的繼電保護裝置配合方案可以看出，圖1所示的供電方式在1點發生故障時，1QF、2QF會同時跳閘，導致非故障側（上行）線路失電，且為了切除AT所至分區所處的故障必須斷開1QF，導致下行變電所—AT所和AT所—分區所2個區段均失電，選擇性較差。

圖1 全并聯AT供電方式供電臂簡化示意圖

1.2 分段供電方式

文獻[1，2]中提到的分段供電方式見圖2。圖2中1QF—16QF均為單極斷路器，將整個供電臂劃分為8個小段。假設在1點供電臂發生故障，如繼電保護裝置能識別故障處于第⑤分段，那么只需斷開9QF和13QF即可將故障切除，其余7個小段仍可正常供電。通過對全并聯AT供電和分段供電2種方式比較，可以得出分段供電方式在分段切除故障方面具有更好的靈活性。

圖2 全并聯AT分段供電方式供電臂簡化示意圖

2 分段供電方式下的縱差保護方案

2.1 故障識別

假設供電臂中存在1短路點，各分段電流及流向如圖2所示。定義每個分段的差動電流為

從圖2可以看出，當第⑤分段1點存在接地故障時，根據式（1）計算差動電流為

非故障分段中第①分段的差動電流為

（3）

其余非故障分段和第①分段的差動電流一樣，均為0。

由上述分析得出，通過計算CD的大小即可判別各分段有無故障?？梢苑从撤侄喂收系谋Ｗo判據為

CD＞set1（4）

set1為整定門檻值，整定值可根據供電臂最大負荷電流并考慮可靠系數確定。

2.2 差動保護輔助判據

2.2.1 低壓啟動判據

在第2.1節的分析中有一種情況未考慮，即當機車在供電臂中運行取流時也會產生差動電流。CD等于負荷電流，當set1整定不匹配時就有可能造成差動保護誤動。考慮機車運行取流時存在最低工作電壓，當接觸網電壓低于機車最低工作電壓時，機車無法工作。因此可增加低壓啟動判據如下：

＜set1（5）

set1為整定門檻值，整定值可根據機車最低工作電壓并考慮可靠系數確定。

當式（4）、式（5）條件同時滿足時，判定為該分段處于故障狀態。

2.2.2 PT斷線閉鎖判據

當所內電壓互感器發生斷線故障時，差動保護裝置采集的電壓= 0，低壓啟動判據成立有可能保護誤動，為此增加PT斷線閉鎖判據。當滿足式（6）時，閉鎖差動保護裝置。

式中，set2為整定門檻值，該值可根據電壓互感器斷線后殘壓值確定；n為電流互感器二次側額定值；set2為整定門檻值，該值可根據供電臂最大負荷電流并考慮可靠系數確定。

3 縱差保護采樣數據同步解決方案

圖3 “等腰梯形算法”原理圖

圖3中變電所差動保護裝置在1時刻發送同步數據到AT所，經過網絡延時在2時刻AT所差動保護裝置收到對側數據，數據處理后在3時刻由AT所返回，變電所差動保護裝置在4時刻接收到返回的數據。由此可以得到數據在網絡上傳輸時間為

D= (2-1) +(4-3) （7）

假設發送數據和返回數據在網絡上傳輸時間相同，則單程網絡延時為Δ的一半，即

差動保護裝置可利用式（8）計算網絡延時，通過重新采樣對齊兩側采樣數據，實現供電分段兩端差動保護裝置數據同步。

4 結語

基于上文所述的縱差保護方案研制的縱差保護裝置在某客運專線進行了短路試驗驗證。在全并聯AT供電方式下，供電臂的8個分段均進行了T-R、F-R、T-F類型的短路試驗，縱差保護裝置做到了某段接觸線T線故障只切除該段T線，某段正饋線F線故障只切除該段F線，達到了細分供電單元，縮小故障停電范圍的目的。

[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] 李群湛，陳民武，黃彥全.高速鐵路全并聯AT牽引網狀態測控方法研究[J].電氣化鐵道，2014z：11-15.

[3] 王旭光，李群湛，陳民武，等. 高速鐵路全并聯AT牽引網狀態測控方案與仿真分析[[J]. 電力系統保護與控制，2016，44（1）：128-133.

[4] 李群湛，賀建閩. 牽引供電系統分析[M]. 西南交通大學出版社，2007.

[5] 崔中一. 新型牽引網運行狀態辨別與測控方法研究[D].成都：西南交通大學碩士學位論文，2012.

The paper proposes a scheme for differential protection of power supply arm under full parallel AT sectionalized power supply mode, the fault section in the power supply arm can be removed optionally, and the reliabilities and flexibilities of the traction power supply can be improved by implementing of the scheme.

Data synchronization; differential protection; AT power supply; sectionalized protection

U223.8+2

B

1007-936X(2017)03-0034-02

2016-08-09

葛海波.成都交大許繼電氣有限責任公司，工程師，電話：13540609002；周小金.成都交大許繼電氣有限責任公司，工程師；郭 華.成都交大許繼電氣有限責任公司，高級工程師。