全并聯AT牽引網廣域保護方案分析和改進

陶孟興，韓正慶，高仕斌

0 引言

截至2019年底，我國高速鐵路營業里程已達3.5萬公里，在“十三五”期間及以后的中長期內，我國高速鐵路還將大規模發展。

牽引供電系統變電所綜合自動化系統作為鐵路安全運行的“保護神”，目前大多采用基于單點信息的保護方案。但以京張高鐵、京雄高鐵為典型代表的新一代智能高鐵，開創性地應用廣域保護測控系統建立了以供電臂為單元的牽引網廣域保護方案，實現了故障供電臂的快速隔離，標志著變電所綜合自動化系統逐漸向智能化方向發展[1]。這無疑也要求牽引網廣域保護系統需要具備極高的可靠性，各所間保護范圍的配合能夠準確無誤地識別故障行別。

1 全并聯AT牽引網廣域保護方案

高速鐵路的供電方式多采用全并聯AT供電方式，如圖1所示，其中1QF～6QF分別為安裝在變電所、AT所和分區所的斷路器，并分別在變電所、AT所和分區所實現并聯連接。

圖1 全并聯AT供電方式簡圖

全并聯AT牽引網廣域保護方案在變電所、AT所和分區所均投入距離保護和聯跳保護，其中保護1、3和5共同構成上行供電臂的整體保護，保護2、4和6共同構成下行供電臂的整體保護[2]。變電所距離保護和聯跳保護邏輯如圖2、圖3所示，AT所距離保護方案邏輯如圖4所示。

圖2 變電所距離保護邏輯

圖3 變電所聯跳保護邏輯

圖4 A T所距離保護邏輯

圖中T為保護延時，目前工程上一般整定為20 ms[3]。AT所和分區所聯跳保護邏輯與變電所聯跳保護類似，分區所距離保護邏輯與AT所距離保護類似。

廣域保護的過程：任一距離保護檢測出故障出口動作的同時，均向同行供電臂的其他保護發送斷路器聯跳命令，任一保護收到聯跳命令均立即發出相應斷路器跳閘命令；此外，AT所和分區所檢測出非本行別故障時需向本側變電所發送斷路器閉鎖命令，通過變電所、AT所和分區所距離保護整定值設定不同保護范圍Lss、LAT和Lsp（圖5），共同配合完成所在行別整個供電臂的保護，實現故障發生時的選擇性跳閘。

圖5 各所距離保護范圍示意圖

實際上，由于自耦變壓器漏抗的存在，AT所的距離保護范圍并不能包含變電所出口區域，原因將在下文闡述。故當故障發生在上（下）行變電所出口處，變電所處非故障行別由于收不到閉鎖信號而跳閘，導致整個供電臂停止供電，保護失去了選擇性。

2 死區原因分析

2.1 計及自耦變壓器漏抗的AT等值電路

文獻[4]中推導的AT等值電路利用戴維南定理消去自耦變壓器，將全并聯AT牽引網電路（圖6）等效為由等值接觸線（T）、等值鋼軌（R）、等值正饋線（F）和一連接在等值鋼軌（R）和等值正饋線（F）之間的漏抗Zg組成的電路（圖7）。當計及自耦變壓器漏抗時，該等值電路能直觀地展現：牽引負荷或故障在任一AT段取流時，除相鄰的2個AT間流經電流外，同一供電區間內其他AT段也會流經電流[5，6]。

圖6 A T牽引網原始電路結構

圖7 A T牽引網等值電路結構

根據戴維南定理推導，得到AT牽引網原始電路和等值電路參數的對應關系：

式中：ZT、ZR和ZF分別為T線、R線和F線自阻抗；為各導線間互阻抗；ZA、ZB和.ZC分別為等值T線、等值R線和等值F線阻抗。

2.2 測量阻抗推導

當變電所和AT所間發生故障時（以TR故障為例），全并聯AT牽引網的等值電路如圖8所示。

圖8中X1為故障點至變電所的距離，D1為1AT段長度，D2為2AT段長度，其他電路參數如下：

圖8 全并聯AT牽引網的等值電路（1AT段內故障）

變電所、AT所的測量電壓[7]（母線對地電壓）如式（4）所示。

由等值電路圖和電路的參數關系可知，等值T線 中 的電 流即 為各保 護的 測 量電流，且各保護的測量電流并不受自耦變壓器漏抗的影響，故各保護測量電流為

當故障發生在變電所出口（即X1→0+）時，由Z3和Z4的計算式可知，AT所上下行的測量阻抗均趨近于∞，測量阻抗不會落入距離保護的動作范圍內，故AT所距離保護在變電所出口附近存在保護死區。此外也可以看出，當故障發生在變電所與AT所之間時，分區所距離保護測量阻抗總是為∞，落在其動作范圍外，即分區所距離保護不能保護變電所與AT所之間的線路。

同理，當AT所與分區所之間發生故障時，全并聯AT牽引網的等值電路如圖9所示。

由式（4）和式（5）可得變電所、AT所和分區所的測量阻抗分別為

圖9 全并聯AT牽引網的等值電路（2AT段內故障）

由等值電路圖可知，各保護的測量電流并不受自耦變壓器漏抗的影響，故各保護測量電流為

圖9中X2為故障點至AT所的距離，電路參數如下：

變電所、AT所和分區所的測量電壓：

其中，ZJ=ZN3+Zg+ 0.5D2ZC+ZH2+ZN2+ZH1。

由式（7）和式（10）可得變電所、AT所和分區所的測量阻抗分別為

故障發生在AT所出口（即X2→0+）時，由Z5和Z6的計算式可知，分區所上下行的測量阻抗均趨近于∞，測量阻抗不會落入距離保護的動作范圍內，故分區所距離保護在AT所出口附近存在保護死區。當故障發生在分區所出口（即X2→D-）時，由Z3和Z4的計算式可知，AT所上下行的測量阻抗均趨近于∞，測量阻抗不會落入距離保護的動作范圍內，故AT所距離保護在分區所出口附近存在保護死區。

3 改進方法

通過AT等值電路分析了自耦變壓器漏抗造成AT所距離保護在變電所出口處存在死區的原因，同樣通過AT等值電路可以發現，等值T線的電流即各保護的測量電流并不受自耦變壓器漏抗的影響。由此特征可以對目前全并聯AT牽引網廣域保護方案進行改進，即對變電所的距離保護增加上下行電流比判據。改進后的變電所距離保護邏輯如圖10所示，跳閘情況如表1所示。

圖10 改進后變電所距離保護邏輯

表1 改進后變電所距離保護跳閘情況

從圖10和表1可以看出，在變電所出口處發生故障時，該方案中非故障行別變電所距離保護因電流比遠小于設定值0.1而不會出口跳閘，保證了動作的選擇性。該判據簡單直接，只需要變電所的電氣量信息即可與現有邏輯并行判斷，不會影響保護的速動性。

4 結論

本文利用AT等值電路推導了變電所、AT所和分區所的測量阻抗，說明了自耦變壓器的漏抗導致目前全并聯AT牽引網廣域保護存在死區的問題。本文提出在變電所距離保護邏輯里增加上下行電流比這一判據，該判據不受自耦變壓器漏抗的影響，只需要利用變電所的電氣量信息即可實現，簡單且易于實現，能夠更加可靠地保證全并聯AT牽引網廣域保護的選擇性跳閘。