同相供電系統的牽引供電分區保護方案*

趙云云 解紹鋒 張 凱

(1. 廣州地鐵設計研究院有限公司， 510010， 廣州；2. 西南交通大學電氣工程學院， 610031， 成都∥第一作者， 高級工程師)

貫通式同相供電系統包括3大關鍵技術[1-5]，其主要特點分別為：組合式同相供電能夠在對負序和無功進行治理的同時取消牽引變電所出口處的電分相；新型雙邊供電技術能夠取消分區所處的電分相，配合外部電源方案，使其對電力系統的影響降到最低；牽引網分段供電與測控技術可實現對牽引網的分段，同步測控技術能更及時、更準確地判斷出牽引網的故障類型及其發生位置，以減小故障影響范圍，使牽引網安全、穩定運行，提高其可靠性。

本文對牽引網分區段供電測控技術進行研究，對測控方案各部分建模，模擬牽引網短路故障時保護動作的情況，并以某市的地鐵18號線和22號線為案例，驗證該測控方案的可行性與準確性。

1 牽引網分段供電與測控方案原理

牽引網分區段供電與測控方案的原理為：基于故障潮流符號法判斷法則，在每個分段處增設分段所(QD)和電分段(FD)；在每個分段所內分別安裝斷路器(DL)、電壓互感器(YH)、電流互感器(LH);采集該分段所內的電壓幅值Urms及其相位φu、電流幅值Irms及其相位φi，以及該區段內的潮流符號值(f)，再將Urms和f傳送到該分段所的控制室。雙線直供末端并聯牽引網的供電分段如圖1所示。

2 牽引網故障識別

牽引網分段供電技術能夠將牽引網進行區段劃分，使牽引網故障能夠被限定在較小范圍內。通過采用相應保護措施可以防止故障擴大，最大限度地保證牽引網非故障區段的正常運作。牽引網分段供電技術采用故障潮流符號值法對牽引網發生的各種故障進行定位，并判斷其故障類型[6-7]。

注：區間xy中,x指線路的方向，1為上行，2為下行；y指具體編號。如區間23表示下行的第3個區間。QD、DL、LH、FD、YH的標號規則類同。

2.1 潮流符號值的標定

如圖2所示，在牽引網發生短路故障的情況下，根據不同的牽引網結構，標定接觸網支路的空載潮流符號值為0，流入支路的故障潮流符號值為1，流出支路的故障潮流符號值為-1[8]。

圖2 故障潮流標定示意圖

2.2 短路故障辨識方法

由直供牽引網的結構可知，當牽引網發生T-R(接觸網-鋼軌)短路故障時，若為一端接地、一端斷路，則故障潮流符號值和的絕對值為1；若為兩端接地故障，則故障潮流符號值和的絕對值為2。由此可知，當發生短路故障時，通過計算線路故障潮流符號值和絕對值，就可以判斷出該分段所內的斷路器是否需要斷開。同時，分段所上傳的數據還可由控制室內的基于故障潮流符號值的集中式測控系統進行再次判斷，以作為分段所內分布式保護的后備保護，提高該測控方案的可靠性[9-11]。

3 案例線路的供電分段方案

考慮到某市地鐵18號線、22號線的實際工程情況，將分段所設置在車站，以降低工程的實施難度，減少電力電子設備的占地面積，減少成本開支。18號線、22號線的供電分段分別如表1和表2所示。其中：18號線將萬頃沙站、橫瀝站、番禺廣場站、沙溪站、琵琶西站、石榴崗站、冼村站設置為分段所;22號線將白鵝潭站、東沙工業園站、陳頭崗站、廣州南站、番禺廣場站設置為分段所。

表1 18號線的分區段供電方案

表2 22號線的分區段供電方案

4 牽引網分段測控系統故障仿真

4.1 短路故障仿真

通過仿真可以得到18號線萬頃沙站—橫瀝站、番禺廣場站—沙溪站區段的兩端電壓分別如圖3～4所示。橫瀝站—番禺廣場站區間兩端的斷路器控制信號如圖5所示。

圖3 萬頃沙站—橫瀝站供電區段末端電壓波形

圖4 番禺廣場站—沙溪站供電區段首端電壓波形

圖5 橫瀝站—番禺廣場站區間斷路器控制信號

由圖3～4可以看出，牽引網在0.20 s時發生短路故障，牽引網電壓跌落。若此時的故障潮流符號值和的絕對值大于等于1，則應立即斷開斷路器。由圖5可以看出，在0.24 s時斷路器斷開，將故障支路暫時隔離。

4.2 后備動作保護仿真

仿真模擬在短路故障情況下牽引網部分主保護失效、后備保護動作的情況。在番禺廣場站—沙溪站上行牽引網區段加入1個斷路器，令其在0.10 s時閉合，同時將番禺廣場站分段所內的保護不投入來模擬主保護部分失效。由于番禺廣場站分段所內QD13的保護未投入，則短路故障發生后分段所內的斷路器不動作，而沙溪站分段所內的斷路器QD14正常工作。具體仿真結果如圖6～7所示。

由圖6～7分析可知，在0.14～0.28 s期間，沙溪站分段所內的斷路器QD14斷開，但石榴崗站—琵琶西站供電區段未恢復正常供電。這是由于番禺廣場站分段所內的斷路器QD13還未斷開，故上行牽引網萬頃沙站—橫瀝站供電區段和橫瀝站—番禺廣場站供電區段仍然處在短路狀態，從而導致牽引變電所出口處電壓降低。該情況直至沙溪站分段所的斷路器QD14在0.35 s斷開后才解除，此時故障區段牽引網也被完全切除。

a) 左側

b) 右側

a) 番禺廣場站QD13斷路器控制信號

b) 沙溪站QD14斷路器控制信號

5 結語

本文系統地闡述了貫通式同相供電系統的3個關鍵技術。基于牽引網分段供電方案，以及故障潮流符號值法的測控系統原理，以某市地鐵18號線和22號線工程為案例，利用MATLAB和Simulink軟件搭建了雙線直供末端并聯的測控方案仿真模型。通過在牽引網中加入斷路器來模擬牽引網發生短路故障，同時將測控系統的主保護部分不投入，仿真了牽引網部分主保護失效、后備保護動作的情況，驗證了該測控技術對故障區段的識別及自動隔離的正確性。