全并联AT供电方式保护和测距方案研究

鲍英豪

0 前言

随着我国铁路的高速、重载化的快速发展，电力机车牵引是最好的选择。AT供电方式具有供电距离长、牵引网电压损耗小和抗干扰等优点，广泛受到国内外高速铁路的青睐。目前我国几乎所有的客运专线及城际铁路均按全并联 AT供电方式设计。全并联AT供电方式在我国的高速铁路供电系统中得到了广泛的应用。

全并联AT供电系统是将上下行线路在牵引变电所、AT所、分区所通过横连线连接起来的供电系统，因此该供电系统的牵引网阻抗更小，从而使网损、压降更小，改善了供电条件，但同时也使供电系统的接线更加复杂，相对其他供电系统故障率更高。为了满足我国高速铁路发展的需要，当发生故障时，要求保护装置能够迅速反应，及时可靠地动作，并尽可能地减少停电范围，而且可以测到故障地点，及时解决故障，恢复系统供电，因此系统地研究一套适合该供电方式的保护、测距方案是十分必要的。

本文针对全并联AT供电方式的特殊性，提出了一套保护方案，并在该保护方案的基础上提出一种新型、简单的故障测距方案。

1 全并联AT供电方式保护流程

全并联AT供电方式供电臂电路图见图1。

全并联AT供电系统是将上下行AT供电线路并联起来的供电系统，因此当发生故障时必然要使上下行保护装置同时动作，才能切除故障，这样就会扩大停电范围，造成上下行线路同时停电。为了尽可能减少停电范围，仅使故障线路退出运行，本文提出图2所示的保护动作流程。

由图2可见，当发生故障时，上下行供电系统断路器同时跳闸，使系统全部停电。在变电所馈线重合闸动作之前，进行以下操作步骤：①断开分区所馈线断路器、横连线隔离开关，使系统解列；②为了减少对馈线处断路器的冲击，减少线路励磁电流，增加瞬时故障时重合闸的重合成功率，将所有自耦变压器与系统断开。经过以上操作，全并联AT供电系统变成上下行相互独立的直接供电系统，这样就使故障线路和非故障线路分开，减少停电范围。重合闸动作之后，非故障线路恢复正常供电，接上自耦变压器，变成AT供电方式，故障线路重合闸重合失败，退出运行。

通过上面的动作流程，可以有效地避免全并联AT供电系统由于故障而造成的上下行线路同时停电，将故障隔离在故障线路中，非故障线路继续运行，缩小了停电范围。

图1 全并联AT供电系统供电臂电路图

图2 全并联AT供电系统保护动作流程图

2 全并联AT供电方式馈线保护

表1列出了变电所、AT所和分区所的馈线保护方式。

从图2的保护动作流程可见，当出现故障时，供电系统在重合闸动作之前是全并联 AT供电方式，重合闸动作之后是直接供电方式，因此保护动作装置的整定值在重合闸动作前后是不同的，这也是全并联AT供电方式的保护方案与其他供电方式保护方案的不同之处。

表1 馈线保护方式表

2.1 距离保护

距离保护是变电所馈线的主保护，为了便于说明，本文只设置一段距离保护（事实上，一般 AT供电方式距离保护都配置两段），即阻抗Ⅰ段，保护供电臂的全长，整定值按供电臂的最大线路阻抗整定。图3为重合闸动作前后的T-R短路阻抗曲线。

2.1.1 保护整定

由图3可见，重合闸动作前后的线路短路阻抗发生了很大的变化，重合闸动作之后的阻抗远远大于重合闸动作之前的阻抗，而且供电臂越长，阻抗差越大。保护整定值如果按照重合闸动作之前的阻抗值整定，重合闸动作之后保护装置很可能由于整定值过小而不能动作，造成其拒动；如果按照重合闸动作之后的阻抗值整定，线路在正常运行的情况下，保护装置可能会由于保护整定值过大而误动，所以保护整定值在重合闸前后要发生变化。

图3 重合闸动作前后的短路阻抗曲线图

在重合闸动作之前，保护装置按照全并联 AT供电方式供电臂的最大线路短路阻抗整定，本文称为前阻抗I段，即

重合闸动作之后，保护装置按照直接供电方式供电臂的最大线路短路阻抗整定，本文称为后阻抗I段，即

后阻抗I段是重合闸动作以后的主保护，因此在时间整定上必须躲过重合闸的动作时间。

2.1.2 重合闸动作前后的保护配合

对于同一个断路器，保护装置配置了2个整定值，为了使其能够可靠地动作，将重合闸前后的保护动作有机地结合起来，才能有效地发挥保护装置的作用。

当线路发生故障时，在重合闸动作之前，保护装置按前阻抗I段的整定值动作，这时装置的后阻抗I段被激活，重合闸动作之后，前阻抗I段被屏蔽，保护装置按后阻抗I段的整定值动作。

图4表示后阻抗I段保护的原理框图。

在动作特性上，选择自适应Ⅲ段保护的平行四边形和多边形动作特性。

图4 后阻抗I段保护的原理框图（tch为馈线自动重合闸的动作时限）

2.1.3 故障地点对保护的影响

（1）故障发生在第1个AT段。当故障发生在第1个AT段时，故障线路和非故障线路的测量阻抗是不同的，如图5所示。

图5 故障线路与非故障线路阻抗曲线图

当故障发生在第1个AT段时，非故障线路的阻抗大于故障线路的阻抗，并且离变电所越近，非故障线路的阻抗越大，从而会出现非故障线路的测量值大于保护整定值的情况，导致非故障线路距离保护装置拒动，因此，要求上下行馈线断路器联动，同时动作。

（2）故障发生在其他AT段（非第1个AT段）。由图5可知，当故障发生在其他AT段时，故障线路和非故障线路的保护装置测得的短路阻抗值相同，可以同时跳闸。

2.2 电流速断保护

电流速断保护是距离保护的后备保护，消除距离保护的动作死区。根据图 2所示的保护动作流程，电流速断保护装置同样在重合闸动作前后需有不同的整定值。与距离保护相同，同一个断路器配置前电流I段保护和后电流I段保护。

前电流I段保护作为前阻抗I段保护的后备保护，保护装置按躲开全并联AT供电方式最大负荷电流整定，动作时限按断开前阻抗I段保护装置的动作时限整定。

后电流I段作为后阻抗I段的后备保护，保护装置按躲开直接供电方式的最大负荷电流整定。

后电流I段保护装置与后阻抗I段保护装置的动作条件相同，必须是在前电流I段保护装置动作之后才能被激活，其动作框图如图6所示，动作时限按躲开后阻抗I段保护装置的动作时间整定。

图6 后电流I段保护装置的动作框图（th为后阻抗I段的动作时限）

2.3 电流增量保护

电流增量ΔI保护是为牵引网馈线断线接地故障增设的保护，与阻抗保护共同构成牵引网馈线保护的双重保护。

动作方程

式中，I1h、I1q为当前和1周波前馈线基波电流，A；KA为综合谐波抑制系数，KA= int(10×K∑h)；K∑h为1周波前的综合谐波含量；ΔIZD为电流增量保护整定值，A；KYL为2次谐波闭锁整定值，ΔIZD为电流增量保护的整定值，大小为1辆机车的启动电流，A。

2.4 失压保护

当线路中发生故障时，牵引变电所的馈线断路器动作，断开上下行线路，这时分区所、AT所的失压保护装置动作，断开断路器，使系统变成上下行相互独立的直接供电系统。

2.5 重合闸

变电所自动重合闸是为了消除线路的瞬时性故障，分区所和AT所的线路有压自动重合闸是当线路恢复正常供电时的自动重合装置，将系统自动恢复成AT供电系统。线路有压自动重合闸，可以自动地将自耦变压器断路器接通，实现自动控制。注意，对于自耦变压器的重合闸，不应同时动作，以避免由于多台自耦变压器同时接入线路使线路的励磁过多而导致变电所馈线保护装置误动。笔者的看法：离变电所越近的自耦变压器重合闸整定时间越短，离变电所越远的整定时间越长。

3 全并联AT供电方式故障测距

全并联AT供电方式由于接线上比较复杂，故障率相对也比较高，因此配置故障测距装置，在线路发生故障时能够准确地定位故障地点是十分必要的。针对全并联AT供电方式的特点，研究人员进行了广泛的研究，提出了“吸上电流比”、“横连线电流比”等故障测距原理，虽然其精确度比较高，适合工程需要，但需要在每个AT所和分区所安装检测装置以采集相应的电流量、电压量，并且还需要专用的通道传输信息，汇总后才能计算出故障距离，这就使投资增大和对信息通道产生依赖。本文提出一种只需测量牵引变电所电压和电流量就可以进行简单测距的方法。

根据图2所示的保护动作流程，当线路发生故障，在馈线断路器动作后，重合闸动作前，供电方式已经变成上下行相互独立的直接供电方式。此时变电所出口处的阻抗与故障距离成正比，因此根据该特点，在重合闸动作之前，记录变电所出口处电压量和电流量，就可很容易计算故障距离。

以T-R短路为例，重合闸时供电方式的示意图和等值电路如图7 a，b所示。

图7 直接供电方式和其等值电路图

由图7 b很容易得到如下方程：

式中，L为故障点距变电所的距离，km；U为馈线处的电压，kV；I为接触线的电流，kA；ZT为接触线的单位自阻抗，Ω；ZR为钢轨的单位自阻抗，Ω；ZTR为接触线与钢轨的单位互阻抗，Ω；Z为牵引网的单位阻抗。

可见，配合保护的故障测距方法与传统的故障测距方法相比具有以下优点：①测量数据少，只需在重合闸时测量牵引变电所馈线处的电压量和电流量；②测量点少，只需在变电所馈线处加装测量装置或调用保护装置的数据；③不需要专门的通信通道，由于本文介绍的测距方法只需测量馈线处的数据，所以不再依赖远程数据，也就不需要专用的通信通道；④容易判断故障类型，当发生故障时，某一相中没有电流，可以判断该相没有发生故障，而是其他两相发生了故障。

4 结论

根据全并联AT供电方式的特点，提出的保护动作流程能够增加馈线重合闸重合的成功率，消除瞬时故障，同时可减少停电范围，满足高速铁路的需要。根据重合闸前后供电方式的改变，提出了不同的整定方案，并给出了他们之间的配合方案，保证线路保护装置不误动和不拒动。与保护相配合的故障测距可以非常简单、方便地计算故障距离，与其他AT供电方式的故障测距方案有较大的差异，具有测量点少、不需要专用通道等优点。

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