郑西高铁全并联AT越区供电时失压保护配置的改进

张桂林，刘晓路

（1 郑州铁路职业技术学院，河南郑州450052； 2 郑州铁路局 供电处，河南郑州450052）

我国高铁基本全部采用全并联AT供电方式，但在全并联AT正常供电方式及全并联AT越区供电方式下，与之相配套的各种保护尚处于探索阶段，大部分保护沿用了既有线的保护原理，运行起来存在问题，需要在运行实践中不断有效地改进，提高供电的质量和可靠性。

1 全并联AT供电的基本概念和特点

1.1 全并联AT牵引网的结构

全并联AT牵引网是在复线AT牵引网的基础上，将上下行牵引网的接触线（T），钢轨（R）和正馈线（F）在变电所出线处及AT所、分区所处通过连接线并联起来，同一方向的上下行牵引网由一台变压器供电。图1所示为郑西高铁全并联AT牵引网。

图1 郑西高铁全并联AT牵引网

1.2 全并联AT牵引网的特点

与其他几种供电方式（如直接供电、BT及直接供电＋回流线等）相比，全并联AT供电方式可以减少牵引网的单位长度阻抗，这样使得它具有一系列优点：（1）对相同的牵引负荷，使牵引网电压损失减小到1／3，从而提高牵引网的效率；（2）对相同的牵引负荷和相同的受电弓上的电压降情况下，可以将牵引变电所的数量减少一半，并因此减少分区和分相点；（3）对相同的牵引变电所数量，使运能增大一倍；（4）考虑到现有高压线路，可以更好布置牵引变电所的地址；（5）减小对临近住宅和铁道场所的电磁和通信干扰；（6）不用将AT变压器侧的接触线断开，而BT供电方式中每一个吸流变压器的分段对接触线和受电弓都是一系列的电气和机械缺点。与不并联的AT供电方式相比，在相同的负载条件下，全并联的AT供电方式可以减少牵引网电力损失大约10%。同时，由于在每一AT站都进行了并联，负荷电流在上下行牵引网进行了均分，使得线路运行更加均衡，大大提高了供电的可靠性和带负载能力及减少对周围通讯的干扰。

在全并联AT供电方式带来诸多优点的同时，由于在每一个AT所及分区所进行电气的连接后，整个牵引网的电路拓扑结构变得极其复杂。变电所的保护配置也变得相当复杂。当牵引网线路发生短路或者断路故障时，上下行线路同时跳闸，造成全线停电，故障区段及故障地点的准确判别也变得非常困难，不利于故障的排除和供电的及时恢复。

目前，在我国高速铁路全并联AT供电的管理同高速铁路的其他专业一样，尚处于探索阶段。与之相配套的各种保护大部分沿用了既有线的保护原理，运用中不可避免存在问题。

2 全并联AT越区供电

2.1 全并联AT越区供电

高铁全并联AT供电时，当某一牵引变电所因故障不能正常供电时，故障变电所担负供电任务的供电臂经有关分区所开关设备与相邻供电臂接通，同时有关AT所开关设备也要做相对应的调整，由相邻牵引变电所进行临时供电。这种供电方式称越区供电。

2.2 郑西高铁全并联AT越区供电保护存在的问题

如图2所示，当变电所2全所停电，变电所1向变电所2越区，这时变电所1的断路器211和212馈线保护整定值要由正常的供电方式定值调整为越区方式的定值，具体为由0区切换到1区；同时，在分区所的断路器273和274保护定值也要由0区切换到1区，即投入电流增量保护、过电流保护、阻抗Ⅰ段保护等。

正常AT供电方式下的跳闸程序为：当线路发生故障时，变电所断路器211，212跳闸，AT所和AT分区所失压，其断路器271，272因失压保护相继跳闸；若线路故障为瞬时性，2 s后断路器211和212重合闸。此时，在AT所、分区所因为检有压，AT所3 s重合闸、分区所4 s重合闸。郑西高铁在AT所和分区所馈线设置的失压保护是在后备自投微机保护测控装置内（主要是为两台自耦变压器设置的），当线路无压时，从线路外侧电压互感器采集到无压，失压保护出口作用于馈线保护装置内的操作回路然后使断路器271，272，或273，274跳闸；当线路有压时，从线路外侧电压互感器采集到电压，检有压出口作用于馈线保护测控装置的操作回路使断路器271，272或273，274合闸。

越区供电时，在被越区段发生故障，如果保护的选择性恰当，无论是瞬时性或永久性故障，均应该按照正常的逻辑选择性动作。可是在越区段，当发生瞬时性故障，越区段断路器211和212重合成功后，分区所断路器271，272保护测控装置检到有压后断路器271，272合闸，当电压通过越区隔离开关2001，2002时，电压互感器3YH，4YH，7 YH，8YH采不到电压，因电压互感器在断路器外侧，被越区段的断路器273，274测控装置不能检到有压而合闸，从而导致被越区段停电。线路本来是瞬时性故障，却导致有一半线路处于无电状态，这时，需要人工对分区所断路器273，274进行合闸。大大降低了高铁供电的可靠性。

图2 全并联AT越区供电模型图

2.3 全并联越区时对失压保护的解决方案

（1）方案1：增加PT柜

方案1（如图3所示）是在分区所断路器271，272和273，274内侧母线上增加4台电压互感器（图中的9YH，10YH，11YH，12 YH）。平时不越区时，此4台电压互感器置于撤出位，当越区时，只将被越区段的电压互感器投入。例如变电所1向变电所2越区时，靠近断路器273，274侧的电压互感器（11 YH，12 YH）投入使用；变电所2向变电所1越区时，靠近断路器271，272侧的电压互感器（9 YH，10 YH）投入使用。

一旦越区段或被越区段出现短路故障时，将按照以下顺序动作：被越区段出现瞬时性故障时，首先，断路器273，274保护的电流速断或阻抗Ⅰ段动作，重合闸动作成功；一旦断路器273，274保护无选择性，变电所1跳闸时，AT所1的断路器271，272失压跳闸，分区所的断路器272，271失压保护跳闸，2 s后，变电所1的断路器211，212重合成功，3 s后AT所1的断路器271，272检有压重合成功，4 s后分区所断路器271，272检有压合闸成功，同时越区电压互感器11 YH，12 YH检到有压，断路器273，274检有压合闸成功。

图3 全并联越区供电失压保护改造示意图

越区段出现瞬时性故障时，变电所1的断路器211，212同时跳闸，AT所、分区所的失压保护动作，AT所的断路器271，272、分区所的断路器271，272，273，274相继跳闸，当变电所的断路器211，212重合成功后，AT所和分区所检到有压，AT所的断路器271，272，分区所的断路器273，274相继在3 s和4 s后检有压合闸。此时，供电处于正常状态。

上述方案增加一套4 YH的PT柜，需要费用40多万元，加上其他辅助材料，工程总预算需60万元左右。而且施工难度大，既需要拆柜子，还要抽真空等，所以采用此方案将增加投资成本。

（2）方案2：改变保护状态

在原保护设计中出现失压保护时只跳闸而不告警（或只告警而不跳闸），为此在原失压保护逻辑中增加自动重合闸功能，删去告警与逻辑的输入非门，改变原失压保护时要么告警，要么跳闸的逻辑。

将备自投装置的失压保护程序下到断路器271，272，273，274的保护测控装置内，将备自投装置内的失压保护出口至断路器271，272，273，274的跳闸回路切断。即在正常运行方式下，断路器271，272，273，274的保护测控装置内的0区设失压保护，在越区供电时的1区也设置失压保护。

正常运行方式下，分区所断路器271，272和断路器273，274的保护测控装置内的0区装上失压保护程序，其动作时间和检有压时间与设在备自投装置的时间一样。

当越区时（如变电所1向变电所2越区时），分区所断路器273，274的定值要切换到1区，1区设置的失压保护如下：

将失压保护程序移植到馈线保护装置的1区内，摒弃检有压重合闸，增加失压保护启动重合闸功能。

原失压保护是设在备自投装置内，当变电所跳闸后，备自投装置检无压而出口作用于馈线断路器跳闸，当检到有压时，分区所的馈线断路器271，272，273，274才能重合闸。如果变电所1向变电所2越区，271，272的保护装置保护定值区不变（0区），273，274的馈线保护装置要从0区切换到1区，当变电所跳闸失压时，仍然是备自投装置1失压出口作用于271，272跳闸，备自投装置2失压出口作用于273，274跳闸。现在要采取的改造方案是将备自投保护装置内的失压保护功能剔除，分别在馈线断路器271，272，273，274的保护装置内的0区和1区设失压保护，在0区设失压保护和检有压重合闸，在1区设失压保护和失压保护自动重合闸功能（如图4所示），正常供电方式下，投入0区保护，按前述逻辑方式动作；越区时，一旦发生越区段瞬时性故障，如距离一段，变电所0.2 s跳闸，AT所断路器和分区所的断路器271，272检无压后跳闸，而分区所的273，274在检无压后应在2.5 s后跳闸，跳闸时启动重合闸2 s重合。这样，从变电所到AT所再到分区所断路器271，272及273，274的合闸时间依次为2 s（变电所自动重合闸）→3 s（AT所检有压合闸1 s）→4 s（分区所的271，272检有压2 s合闸）→4.5 s（分区所的273，274自动重合闸）。

经过此改造后，既满足跳闸功能也满足了失压保护功能。

图4 改进后1区的失压保护逻辑

3 越区时失压保护方案改进的选择

经过现场实际调查研究，在失压保护方面，对提出的两种改进方案评估选优，最终在郑西高铁选用了第2种方案，此方案投资较少、易于实现，但需要对微机保护测控装置模块中各种保护的逻辑关系认真分析研究，确保逻辑关系正确无误才能进行；改造中一旦出错，将造成不可预料的后果。而第1种方案尽管原理简单、逻辑清晰，终因投资成本增加较多，施工难度较大被搁置。

4 结束语

在郑西高铁全并联AT供电系统运行中，鉴于高铁牵引变电所在越区供电时失压保护出现的缺陷，尤其是当越区段出现瞬时性故障导致被越区段因失压不能及时送电，曾经几度影响行车的实际情况，对既有设备进行了一系列的改进。

改进过程中，通过对保护逻辑进行修改实现软件保护功能的改进和强化，在保证不与其他重合闸时间发生冲突的前提下，增加了失压保护启动重合闸功能，并顺利移植入微机保护测控装置模块中。经实际运行检验，在灵敏度方面和选择性方面与牵引变电所其他保护装置能够有效地配合，可以说是非常成功的，有效地解决了长期困扰郑西高铁越区供电的一个瓶颈，取得了预期的效果，对高铁全并联AT供电方式保护的发展有着积极的推进作用。

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