永久性故障对全并联AT供电距离保护的影响

李 强，宋琳琳，李 波，尤 志

0 引言

目前电气化铁道存在多种供电方式，主要有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式等[1]。由于AT供电方式具有供电距离长、牵引网电压损失小、电能损失小和对通信线路影响小等优点，受到了国内外高速铁路的青睐。国内的客运专线和城际铁路几乎都采用全并联AT供电方式[2]。

全并联AT供电系统是将上下行供电臂在变电所、AT所和分区所通过断路器和隔离开关实现并联的系统，该系统能减小接触网单位阻抗、降低电压损失、增加供电能力和改善供电质量。全并联AT供电方式较其他供电方式复杂，发生故障的概率大，停电影响范围广，因此，研究一套适应该供电方式的馈线保护策略是很重要的，同时由于有效的整定值是保护可靠动作的关键，所以，只有同时具备两者才能保障牵引供电系统的安全性，并提高牵引供电系统的可靠性。

1 全并联AT供电方式馈线保护策略

全并联AT供电系统（如图1）发生故障时，上下行需要同时跳闸，才能切除故障，但是这样会扩大停电范围，使故障线路和非故障线路同时停电。馈线保护策略应该尽量缩小发生故障时的停电范围，并要求故障线路及时退出运行，非故障线路快速恢复供电。

图1 全并联AT供电系统供电臂示意图

由图 1可见，由于牵引变电所主变压器采用V/X接线，所以在出口处不需要单独设AT变压器。在正常运行时 AT所和分区所自耦变压器 1台运行，1台备用，所有馈线断路器和隔离开关都闭合。当发生故障时（如K1处短路），断路器动作顺序如下：①1QF和2QF同时跳闸，使上下行全部停电。②AT所和分区所检测到线路失压，使其断路器（3QF、4QF、5QF和6QF）跳闸。经过上面的操作，全并联AT供电系统变成上下行相互独立的直接供电系统，同时使故障线路和非故障线路分隔开。③馈线断路器（1QF和2QF）重合闸，若K1处故障是永久性故障，则上行重合闸失败，下行重合闸成功，否则上下行重合闸都成功。④当AT所和分区所检测到线路有压后，相应断路器进行重合闸。由于所有AT变压器同时投入，会使线路产生较大的励磁涌流，为了避免较大的励磁涌流对断路器等设备产生影响和引起保护误动，AT变压器按距离牵引变电所的近远，通过一定时限配合依次重合闸，同时系统由直接供电方式逐渐变成AT供电方式（如3QF和4QF检测到线路有压后，通过一定时间延迟进行重合闸，而5QF和6QF重合闸的时间延迟较3QF和4QF长）。

通过上面的保护策略，若线路为永久性故障，可以使非故障线路快速恢复正常供电，故障线路退出运行；若为瞬时性故障，上下行可以快速恢复成全并联AT供电方式。

2 全并联AT供电方式保护配置

由文献[2]可知，变电所、AT所和分区所的馈线保护配置如表1所示。

表1 馈线保护方案表

表 1中的馈线保护配置能够满足上面所提到的保护策略要求，只是需要各种保护之间有一定的时限配合。距离保护是变电所馈线的主保护，全并联AT供电方式采用自适应四边形动作特性，设置一段距离保护即阻抗1段，保护范围按供电臂全长整定，电抗整定值按供电臂范围内发生不同类型短路故障时保护安装处测得的最大电抗乘以可靠系数整定，电阻整定值根据最大负荷阻抗值整定。

电流速断保护和电流增量保护是馈线的后备保护，主要用于消除距离保护死区和高阻抗断线故障。AT所和分区所除了失压保护和检有压重合闸外，针对AT变压器还设置了差动保护、碰壳保护、过电流保护、过负荷保护以及非电量保护。

3 永久性故障对距离保护的影响

如上行K1处发生永久性故障，则馈线保护应先将所有断路器断开，然后进行重合闸操作恢复下行供电，上行退出运行。由文献[2]分析可知，重合闸前后距离保护如果按一个固定值进行整定，距离保护可能会出现拒动或误动现象，从而提出了采用重合闸前和重合闸后2个不同的整定值，并且给出了具体的逻辑关系来启动重合闸后阻抗值，通过该方法保障距离保护的可靠性。

由于非故障线路是一个逐渐恢复供电的过程，在恢复供电过程中是否出现距离保护的拒动或者误动，文献[2]中没有进行具体分析。下面通过对线路仿真来研究该过程对距离保护的影响。

3.1 全并联AT供电方式短路仿真分析

图 2为通过仿真得出的牵引网发生金属性短路故障时的阻抗曲线。

图2 全并联AT供电方式短路阻抗曲线图

仿真参数为[3]L1= 15 km，L2= 15 km，

ZT= 0.231 4 + j0.683 1，ZR= 0.140 0 + j0.582 6，

ZF= 0.212 0 + j0.746 3，ZTR= 0.050 0 + j0.313 7，

ZTF= 0.050 0 + j0.413 3，ZFR= 0.050 0 + j0.305 3，单位均为Ω/km。

由图2分析可知，线路短路阻抗为一系列马鞍形曲线，由于AT变压器存在漏抗，使得TR短路、FR短路与TF短路在牵引变电所出口处、AT所处和分区所处有一固定差。

3.2 直接供电方式下短路仿真分析

重合闸后，所有的AT变压器都没有投入运行，此时的线路为直接供电方式，仿真图形如图 3所示。可以看出除了TF短路外，TR短路和FR短路与全并联AT供电方式短路阻抗存在较大差异，且供电臂越长，该差异越大，若此时全并联AT供电的阻抗整定值不变，会引起距离保护拒动现象。

图3 直接供电方式短路阻抗曲线图

3.3 AT变压器投入过程短路仿真分析

由前面的分析可知，AT变压器是逐个投入运行的，按距离牵引变电所的近远，通过一定时限配合依次投入，先投入AT1或者AT2，随后投入AT3或者AT4，仿真图形如图4、图5所示。可以看出,只有AT所投入时，线路阻抗在AT所到分区所之间呈线性分布，而分区所投入运行后线路短路阻抗为马鞍形曲线，但是数值上与全并联AT供电的短路阻抗值有一定差异。

图4 AT所投入到线路时短路阻抗曲线图

图5 AT所和分区所投入到线路时短路阻抗曲线图

3.4 AT所变压器退出运行短路仿真分析

通过AT变压器的逐渐投入，使全并联AT供电方式变成了单线AT供电方式。AT所采用变压器固定备用方式，当1台变压器故障退出运行时，另外1台变压器通过备用自投装置使其投入运行，这样就可以保障系统的稳定运行，但是也会因母线故障等原因使2台AT变压器同时退出运行，图6为AT所退出运行时线路的短路阻抗曲线图。

图6 AT所退出线路时短路阻抗曲线图

为了更好地比较线路短路阻抗变化，将各种情况下的F-R短路阻抗绘于图7。

图7 系统恢复供电过程的阻抗变化曲线图

由图7可知，当系统解裂为直接供电方式时，线路测得的短路阻抗最大，为了避免系统重合闸后距离保护拒动，可以按文献[2]提到的方法整定新的阻抗值。当AT变压器投入时，线路阻抗若继续按直接供电方式整定，会因整定值过大而引起误动；若按全并联方式整定，在只有AT所投入情况下，第二段 AT线路的后半部分会出现拒动现象；在AT所和分区所都投入的情况下，2种整定值都因较大而引起误动；在AT所退出运行情况下，也会由于2种整定值都较大而引起误动。所以，为了保证全并联AT供电的可靠性和安全性，应当设定多个阻抗整定值，根据AT变压器的投入情况，在不同整定值之间进行切换，该方式在微机保护装置中是可以实现的。

4 结论

根据全并联AT正常供电时，分区所和AT所只有1台AT变压器投入的特点，提出的馈线保护策略能够消除线路瞬时故障，缩小停电范围，满足高速铁路的要求。分析了上行发生永久性故障后下行恢复供电的变化过程，并且对各种变化过程的线路进行了短路阻抗仿真。最后通过比较分析，提出根据AT变压器的投入情况切换不同的整定值，从而保障供电的可靠性。仿真模型没有考虑接地网和保护线等影响，所以和实际线路存在一定的误差。

[1]熊列彬.全并联AT供电方式下供电臂保护控制方案[J].电力系统自动化，2006，（22）：73-76.

[2]鲍英豪.全并联AT供电方式保护和测距方案研究[J].电气化铁道，2010，（2）：15-19.

[3]朱正芳.AT牵引网故障测距原理研究与改进[J].电气化铁道，2003，（6）：27-31.

[4]王继芳，高仕斌.全并联AT供电牵引网短路故障分析[J].电气化铁道，2005，（4）：20-23.

[5]李群湛，贺建闽.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.