基于電容耦合電壓的全并聯AT供電牽引網故障性質識別

李 原，林國松，郭海濤，李志宇

0 引言

當前，我國高速鐵路牽引網故障跳閘均采用一次重合閘，如果發生永久性故障，重合閘后加速保護動作跳開饋線斷路器，由電力調度再進行一次強送操作，盡量消除故障。這種不識別故障類型的自動重合閘在永久性故障時會對牽引變電所等電氣設備造成又一次的短路電流沖擊。因此，正確識別瞬時性與永久性故障，實現自適應重合閘功能，可以減少重合閘對電氣設備的二次沖擊，對牽引供電系統穩定性具有重要的意義。

文獻[1]提出了應用于同桿雙回線路的故障性質識別方法及判斷故障點熄弧的方法。文獻[2]提出了無并聯電抗器補償的線路三相跳閘后的自適應分相重合閘的實用判據。文獻[3]提出了750 kV輸電線路的單相重合閘方案與重合過電壓的抑制方法。這些自適應重合閘、綜合重合閘功能主要應用于電力系統，根據三相系統故障特征，識別故障相別、故障性質，有助于電力系統故障后的快速恢復供電，優化了故障后的供電策略。上述方法主要應用于高壓輸電線路，但牽引供電系統牽引網供電與電力系統三相供電有本質的不同。針對電氣化鐵路直供方式復線供電牽引網，有學者提出了基于耦合電壓的牽引網瞬時與永久性故障的識別方法[4，5]，但該方法需要在牽引變電所額外安裝線路側的電壓互感器及其他附屬開關設備等。

我國高速鐵路牽引供電系統主要采用全并聯AT供電方式[6]，廣域保護測控系統也在新建京張、京沈、贛深等高鐵上得到了應用。在具備廣域保護測控系統的條件下，可以借助廣域保護測控通信通道，利用變電所、AT所和分區所實時采集的數據，實現傳統牽引變電所綜合自動化系統不具備的牽引網故障性質識別，最終實現牽引網保護的自適應重合閘功能。

1 故障類型與故障性質

典型高速鐵路全并聯AT供電牽引網簡化示意如圖1所示。圖中CB1、CB2分別為變電所下行、上行饋線斷路器，CB3、CB4為AT所下行、上行饋線斷路器，CB5、CB6為分區所下行、上行饋線斷路器，AT1、AT2分別為AT所、分區所的自耦變壓器，T1、R1、F1分別為下行接觸網、鋼軌和正饋線，T2、R2、F2分別為上行接觸網、鋼軌和正饋線。

圖1 高速鐵路全并聯AT供電牽引網簡化示意圖

牽引變電所、AT所和分區所配置廣域保護測控系統，系統通過專用光纖通道連接，實現廣域保護測控功能。根據廣域保護測控系統供電臂保護功能，故障行別斷路器在2 s后進行重合閘，若為瞬時性故障，饋線斷路器重合閘成功，若為永久性故障，饋線保護后加速跳閘，從而實現當高速鐵路全并聯AT牽引網中某行別發生永久性故障時，系統選擇性跳開故障行別，另一行別仍能正常供電[7]。

無論瞬時性故障還是永久性故障，在故障行別跳閘后的2 s內，非故障行別與故障行別分開后，電壓將快速恢復，并通過導線間耦合電容對故障行別導線產生電容耦合電壓，對于不同的故障類型，耦合電壓各不相同。在故障時，動車組由于牽引網故障，電壓降低，牽引動力回路封鎖，此時非故障行別沒有負荷電流，因此在本文分析中，不需要考慮負荷電流在非故障行別對故障行別導線產生的電感耦合電壓。

牽引網故障類型有接觸網-鋼軌地（T-R）、正饋線-鋼軌地（F-R）、接觸網-正饋線（T-F）和接觸網-鋼軌地-正饋線（T-R-F）4種短路故障形式。根據牽引網結構可知，大地與鋼軌等電位。故障行別與非故障行別分開后，如果為永久性T-R接地故障，則接觸網與鋼軌地回路等電位，正饋線存在與非故障行別的感應電壓；如果為永久性F-R接地故障，則正饋線與鋼軌地回路等電位，接觸網存在與非故障行別的感應電壓；如果為永久性T-F接地故障，則接觸網與正饋線等電位，并存在與非故障行別的感應電壓；如果為永久性T-R-F接地故障，則接觸網與正饋線與鋼軌地回路等電位；如果為瞬時性故障，無論何種故障類型，接觸網、正饋線均處于孤立懸空狀態，均存在與非故障行別的感應電壓。

2 故障特征分析

2.1 瞬時性故障耦合電壓

假設下行側發生瞬時性故障，故障跳閘后下行側牽引網導線處于懸空狀態，非故障行別的自耦變壓器、T線以及F線正常供電運行。考慮導線間耦合電容的故障跳閘后全并聯AT牽引網如圖2所示。

圖2 考慮耦合電容的故障跳閘后全并聯AT供電牽引網

根據疊加原理，上行線路對下行線路產生的電容耦合電壓為

通過對圖2所示電路的詳細推導可得式（1）中系數為

2.2 永久性故障耦合電壓

當下行牽引網發生永久性T-R故障時，下行T線電容通過故障點對地放電，下行T線電壓將接近于 0。根據式（1）、式（2）得到下行正饋線 F線電壓：

當下行牽引網發生永久性F-R故障時，下行F線電容通過故障點對地放電，下行F線電壓將接近于 0。根據式（1）、式（2）得到下行接觸網T線電壓：

當下行牽引網發生T-F故障時，下行T線與F線短接，二者耦合電壓相同，結合圖2和式（2）可以得到下行接觸網、正饋線電壓：

當下行牽引網發生T-R-F故障時，下行T線與F線短接且對地放電，兩者耦合電壓均接近于0。

根據文獻[9]對選定導線型號的AT供電牽引網進行電容參數計算，得到了其單位電容參數。但現實中，由于受到地理、環境等因素的影響，導線參數會發生變化，根據在某供電區段現場測試數據，修改參數使其符合實際情況。牽引網單位電容矩陣如表1所示。

當考慮永久性故障帶過渡電阻時，牽引網導線間耦合電容的容抗遠大于過渡電阻，過渡電阻的存在起到短接導線和對導線間耦合電容放電的作用。

2.3 故障性質識別

基于式（3）—式（5）及表2結論和特征，可根據式（6）判斷故障性質，當式（6）中3個不等式全部滿足，即可判定為瞬時性故障。

式中：UTi、UFi為故障行別T線和F線電壓有效值，i= 1代表下行，i= 2代表上行；k為可靠系數，取1.2；電壓整定值UTset為瞬時性故障時最低T線電容耦合電壓，電壓整定值UFset為瞬時性故障時最低F線電容耦合電壓，電壓差整定值UTFset為瞬時性故障時T線、F線電壓差的最小值。

3 仿真分析

3.1 仿真模型搭建

為驗證上述瞬時性與永久性故障識別方法的正確性，基于 Matlab/Simulink仿真平臺搭建全并聯AT供電系統模型進行仿真，模型基本參數如表3所示。供電臂總長24 km，兩個AT段長度分別為11 km和13 km。牽引網單位阻抗矩陣為

表3 全并聯AT供電系統模型參數

3.2 仿真結果

基于前述牽引網模型仿真下行牽引網發生瞬時性故障時的情況。由于在跳閘后故障行別的故障消失，也就不存在過渡電阻，此時仿真得到UT1、UF1、UT1-UF1的值分別為 3 022、790 和 2 232 V，仿真結果與計算結果基本一致。

在不同過渡電阻下，分別仿真下行牽引網發生永久性T-R故障、永久性F-R故障、永久性 T-F故障以及永久性T-R-F故障，測量變電所處T線、F線端口電壓有效值及差，結果如圖3所示。

圖3 故障耦合電壓

圖3所示的仿真結果表明，發生不同故障類型的永久性故障時，電容耦合電壓與計算結果一致，且基本不受過渡電阻的影響。

根據瞬時性故障的計算和仿真結果，設置式（6）整定值UTset、UFset、UTFset分別為 3 020、789、2 231 V。可以看出：線路發生瞬時性故障時，式（6）成立；當線路發生永久性故障時，式（6）中至少會有一組電壓不等式不成立。因此，通過判別式（6）可正確判斷故障性質。

在仿真和現場實測中，故障行別牽引變電所、AT所和分區所的牽引網側T線電壓和F線電壓基本一致。如果牽引變電所牽引網側未安裝電壓互感器，在廣域保護測控系統條件下，可以采用AT所或分區所牽引網側電壓完成式（6）判據。

4 結語

本文分析了全并聯AT供電牽引網在不同故障類型下故障行別導線耦合電壓的特征，提出了一種基于供電臂故障行別導線電容耦合電壓有效值識別瞬時性與永久性故障的方法，并仿真驗證了所提識別方法的合理性。本文研究結果有助于高速鐵路牽引網饋線自適應重合閘功能的實現。