高速鐵路牽引網雙邊供電方式下的故障測距策略研究

陳紀綱 許曉蓉 林國松 林宗良 李 原

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031； 2.西南交通大學，成都 610031)

相對于單邊供電而言，雙邊供電是指在牽引供電系統中相鄰兩個牽引變電所同時向機車供電的方式。電氣化鐵路采用雙邊供電方式，可減少電分相的數量、平衡供電臂的負荷分配，進而縮短列車運行時分、提高牽引網電壓水平，對提高牽引供電系統技術的水平具有重大意義。隨著我國高速鐵路的飛速發展，更高速度高速鐵路的建設成為可能，行車速度的進一步提升對牽引功率的需求大大增加，為更好地提升更高速度高速鐵路牽引供電系統的供電能力，應優先考慮采用雙邊全并聯AT供電方式。

牽引網的精確故障測距是高速鐵路牽引供電系統安全可靠運行的重要保障。我國高速鐵路牽引供電系統經過十多年的技術積累，在單邊供電方式下，基于測量電抗、吸上電流比、橫聯線電流比和上下行電流比等方法綜合應用的故障測距系統使牽引網故障定位功能得到完美體現[1-3]。當供電系統采用雙邊供電方式時，牽引網故障電流的分布會隨電路拓撲結構的改變而發生變化。本文分析了雙邊供電方式下的牽引網電路特征，仿真分析了單邊供電方式故障測距原理在雙邊供電方式下的適應性，提出了一種采用雙端牽引變電所測距裝置協同的新型故障測距策略。

1 單邊全并聯AT供電方式故障測距原理

單邊全并聯AT供電方式電氣量采集如圖1所示[4]，圖中標示的模擬量為牽引變電所、AT所和分區所需要采集的模擬量。

l-故障距離( km)；L-供電臂全長( km)； D1、D2-第1、2個AT段區間長度下行T線電流下行F線電流; 上行T線電流; 上行F線電流；所、分區所的下行AT中性點吸上電流；所、分區所上行AT中性點吸上電流圖1 全并聯AT供電方式電氣量采集圖

當牽引網發生故障時，各所故障測距裝置記錄故障數據(包括電壓、電流和當時的開關狀態)，故障后牽引變電所測距裝置接收AT所、分區所故障數據，進行綜合分析，測距方法有AT中性點吸上電流比法、橫聯線電流比法和上、下行電流比法。

1.1 AT中性點吸上電流比法

AT中性點吸上電流比法是在AT供電方式下，利用同一供電臂上各所亭吸上電流的比值來確定故障距離的方法。計算公式為：

(1)

式中：Q1、Q2——吸上電流比修正參數；

qAT——故障區間吸上電流比值。

AT吸上電流比法可用于全并聯AT供電牽引網發生TR型、FR型故障的測距，測距應用通過修正電流比參數減小AT漏抗和鋼軌對地泄露的影響。

1.2 橫聯線電流比法

橫聯線電流比法是在全并聯AT供電方式下，利用同一供電臂各所亭橫聯線電流比值來確定故障距離的方法，計算公式為：

l=Ln-1+qHL×Dn

(2)

式中：qHL——故障區間橫聯線電流比值。

橫聯線電流比法適用于全并聯AT供電方式下各種類型的故障測距，不受AT漏抗和鋼軌對地泄露的影響。

1.3 上、下行電流比法

上、下行電流比法是在供電臂上、下行末端并聯供電方式下，利用上、下行電流的比值來確定故障距離的方法，計算公式為：

l=2qSXDn

(3)

式中：qSX——故障區間橫聯線電流比值。

上、下行電流比法適用于末端并聯的復線牽引網各種類型的故障測距，不受AT漏抗和鋼軌對地泄露的影響。

2 單邊供電故障測距原理在雙邊全并聯AT供電方式的適應性

2.1 雙邊全并聯AT供電方式供電臂結構

雙邊供電的基本要求是相鄰兩個牽引變電所的牽引網具備相同的電壓幅值和相位，供電電源來自同一個電網的同一個或不同的變電所。在常規單邊全并聯AT牽引供電臂結構的基礎上，若通過分區所將相鄰牽引變電所兩個供電臂串接起來，可實現包含4個AT段的雙邊供電牽引網，簡化示意如圖2所示。兩個牽引變電所進線來自同一個變電所的同一條母線，因而暫不考慮外部電流在雙邊并聯供電牽引網的穿越性電流及其影響[5]。

圖2 雙邊全并聯AT供電示意圖

2.2 單邊供電故障測距原理在雙邊全并聯AT供電方式下的適應性

由兩個牽引變電所構成的雙邊供電臂電源來自于電網變電所，當動車組經過分區所處已經閉合的電分相時，不再需要斷主斷路器。當雙邊供電牽引網有負荷存在時，兩側牽引變電所均向負荷提供電能，負荷電流在牽引網的分布較單邊供電方式更為復雜。當雙邊供電牽引網發生短路時，故障AT段的短路電流將來自兩側的牽引變電所。由于雙邊供電能力的增強，牽引變電所牽引網故障導致的壓降將大幅減小(特別是遠離故障點一側的牽引變電所)，從而對繼電保護各類元件的靈敏性和可靠性產生一定的影響。而故障測距裝置需通過保護起動元件判別故障發生才能采集故障數據，進而正確完成故障測距功能。同時，雙邊供電牽引網故障電流的分布特征也會影響常規的故障測距原理，故需進一步分析和驗證原有的測距原理。

根據單邊AT供電方式的特性，無論是在單線AT供電方式還是在全并聯AT供電方式下，當發生TR型或FR型故障時，距離故障點最近的兩個自耦變壓器均承擔了絕大部分的吸上電流，AT牽引網的電路特性決定了AT中性點吸上電流比法的可用性。在雙邊全并聯AT供電方式下，雖然故障AT段的兩端電源均提供短路電流，但兩端自耦變壓器對吸上電流的分配依然滿足上述特性。橫聯線電流比法和上下行電流比法適用于單端電源供電、上下行分段(末端)并聯的牽引網測距，當雙端供電時，另一側電源供電將打破原有單端電源供電的電流分布特性，從而需重新評估基于上下行對稱性的兩種電流比法的有效性。

3 單邊供電故障測距原理在雙邊全并聯AT供電方式仿真分析

3.1 雙邊全并聯AT供電方式建模

基于Matlab/Simulink仿真平臺，構建的常規運行方式下的雙邊全并聯AT供電方式牽引網仿真模型，如圖2所示。假設2個供電臂總長50 km，4個AT段的長度分別為11 km、13 km、12 km和14 km，電網變電所饋線距離左、右兩個牽引變電所的距離分別為30 km和40 km。牽引網阻抗如式(4)所示，仿真模型其他參數如表1所示。

(4)

3.2 雙邊供電時對傳統測距原理的評價分析

對牽引變電所1分區所區段下行接觸網與鋼軌之間發生TR、FR、TF短路故障進行仿真，3種測距方法的仿真結果如圖3所示。

圖3 雙邊全并聯AT供電方式下3種測距方法仿真結果圖

從圖3可以看出:

(1)雙邊全并聯AT供電模式發生TR、FR故障時，吸上電流比-距離關系在兩個AT段都呈現單調增長的特性，表明吸上電流比法可用于雙邊供電時TR、FR故障的測距。

(2)雙邊全并聯AT供電模式發生TR、FR、TF故障時，橫聯線電流比-距離關系在兩個AT段都呈現單調增長的特性，表明橫聯電流比法可用于雙邊供電時TR、FR、TF故障的測距。

(3)雙邊全并聯AT供電模式發生TR、FR、TF故障時，上下行電流比-距離關系在兩個AT段都呈現先降后升的特性，表明此時不能應用上下行電流比法測距。

4 雙邊全并聯AT供電方式故障測距策略

4.1 測距裝置和網絡配置

根據雙邊供電牽引網的特征，故障測距系統配置需整體考慮兩個牽引變電所間供電臂的綜合測距，故障測距裝置和通信通道配置如圖4所示。

圖4 雙邊供電故障測距系統示意圖

各所故障測距裝置采集電量、開關量與常規單邊全并聯AT供電方式一致。同時，考慮在非正常單邊供電情況下，為便于測距系統識別單邊或雙邊供電模式，分區所分屬兩個供電臂的故障測距裝置還需采集聯絡兩個供電臂的開關位置信號。整個雙邊供電牽引網配置的故障測距裝置通過1個專用測距通道相連。

4.2 故障測距策略

4.2.1 故障啟動元件

與單邊全并聯AT供電方式相同，在雙邊全并聯AT供電方式下，牽引變電所、AT所和分區所的測距裝置故障啟動元件如表2所示。

表2 故障啟動元件表

需要說明的是，當牽引網發生故障時，若AT所/分區所的故障測距裝置僅依賴于低電壓啟動元件，離故障點近的測距裝置可檢測到故障信號，離故障點遠的測距裝置則可能無法檢測到故障信號。

4.2.2 故障測距策略

故障測距系統既要考慮在雙邊供電方式下不同運行方式的測距功能，又要考慮牽引網解列為單邊供電方式后故障測距的需要。在單邊供電方式下，測距系統應滿足文獻[4]規定的5種運行方式，當某個牽引變電所解列時，同一供電區段的變電所測距裝置應具有越區供電功能。限于篇幅，本文僅考慮正常運行狀態的雙邊全并聯AT供電方式。雙邊全并聯AT供電方式下故障測距的策略步驟如下：

(1)各所測距裝置檢測故障并記錄故障數據。

(2)兩個牽引變電所測距裝置接收兩個供電臂所有AT所、分區所和對側牽引變電所故障測距裝置的故障數據。

(3)兩個牽引變電所測距裝置根據各自供電臂上牽引變電所、AT所、分區所的饋線電壓、T線電流、F線電流等電氣參數判斷故障是否發生在本供電臂，然后由判斷在本供電臂的牽引變電所故障測距裝置判別故障類型和故障行別。

(4)故障供電臂的牽引變電所故障測距裝置對TR、FR型故障采用故障區段的AT中性點吸上電流比法或橫聯線電流比法進行故障測距，對TF型故障，采用橫聯線電流比法進行故障測距。

5 結束語

本文介紹了基于分區所實現雙邊供電的3種電流比測距方法，并基于Matlab/Simulink仿真平臺，建立了雙邊全并聯AT供電方式牽引網模型。仿真分析結果表明，吸上電流比法依然適用于TR型和FR型故障測距，橫聯線電流比依然適用于TR型、FR型和TF型故障測距，上下行電流法已不再具備適用性。最后提出了相鄰牽引變電所測距裝置協同的雙邊全并聯AT供電方式下的故障測距策略。本文的研究成果對豐富我國牽引供電系統故障測距理論具有重要的現實意義。