郑西高铁全并联AT越区供电阻抗保护配置的分析

刘晓路

(郑州铁路局 供电处，河南郑州450052)

1 全并联AT牵引网的特点和阻抗特性

(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所处、分区所处通过横连线并联起来。

(2)全并联AT牵引网的特点

与不并联的AT供电方式相比，全并联AT供电方式可以减少牵引网的单位长度阻抗，降低牵引网电压损失，增大牵引变电所的间距，减小对军事、商业及民用的电磁和通信干扰，将AT变压器连入接触网时不需要设置绝缘锚段关节。

在全并联AT供电方式下，由于在每一个AT分区所或AT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，停电范围较大，故障区段及故障地点的准确判别也较困难，不利于故障的排除和供电的及时恢复。

(3)全并联AT供电牵引网的阻抗特性

AT供电的牵引网阻抗特性如图1所示，呈马鞍形，为非线性阻抗，和既有线的BT供电或直供等线性阻抗有很大区别。其中虚线部分为上下行不并联的阻抗分布状况，实线为上下行实现全并联供电方式下的阻抗分布情况。

图1 AT供电线路的阻抗特性

2 郑西高铁复线全并联AT越区供电模型

以实际情况画出变电所1向变电所2越区供电的实际模型图，越区时变电所2的213T、214T、213F、214F是分开的，图中其他所有开关均处于合位。

图2 全并联越区供电模型图

3 郑西高铁复线全并联AT越区供电时阻抗保护

3.1 越区供电时变电所阻抗保护的整定原则分析

牵引变电所在保护装置的1区设阻抗Ⅰ段和阻抗Ⅱ段，忽略了越区时末端的直供段阻抗，其保护方案如下:

(1)阻抗Ⅰ段:线路阻抗:

负荷阻抗:

(2)阻抗Ⅱ段:线路阻抗:

负荷阻抗:

式中RX为负荷阻抗;θ为线路阻抗角;nL为电流互感器变比;ny为电压互感器变比;XX1为变电所1至分区所之间AT段的线路阻抗;XX2为分区所至AT所2之间AT段线路阻抗;XX为线路阻抗整定值;φj为负荷角。

(3)Ⅰ段时限 t=0.1 s，Ⅱ段时限 t=0.4 s。

上述整定原则考虑了越区时全段的非线性阻抗，而忽略了AT所2到变电所2之间的线性直供阻抗xz，因此在变电所1向变电所2越区时，当末端出现接地故障时，将有可能保护不到线路末端，从而出现较大的事故。开通之初，就发生过一起这样的典型案例:其中1所向2所越区(如图2)，由于变电所增量保护因其他原因撤出，阻抗保护只有Ⅱ段阻抗在发挥着作用，该Ⅱ段阻抗保护因未考虑最后一段直供阻抗，所以在末端因施工原因导致了接地现象，而Ⅱ段又未能保护到末端，导致接触网承力索和导线大面积烧毁的事故。

3.2 高次谐波抑制的误区

原阻抗保护原理的高次谐波抑制和2次谐波闭锁是这样描述的:距离保护一、二段均采用高次谐波抑制、二次谐波闭锁，可投退。当投入高次谐波抑制时，如果电流中存在3次和5次谐波，动作范围并不是定值整定的范围，而是装置根据实时的3次和5次谐波与基波电流的大小关系计算出的另外一个范围，计算公式见式(5)，此时的动作范围并不是固定的，而是和实时的基波、3次谐波、5次谐波的大小关系有关。当投入2次谐波闭锁时，如果2次谐波与基波电流的比值大于定值2次谐波闭锁系数Kh1，则闭锁距离保护见式(6)。

距离保护启动后如果装置检测到PT断线，则闭锁距离保护。

图3为距离I段保护的逻辑框图，Ⅱ段距离保护的逻辑框图与I段相同。图中，ZZD1为I段整定电阻、电抗定值，ZZD1'为投入谐波抑制后，装置本身根据公式(5)计算出的实时动作范围。

定值调整原则:

式中Zzd为距离保护定值;Khr1为距离过流谐波加权系数，通过定值整定;I1、I3、I5为保护电流中的基波、3次谐波、5次谐波。

2次谐波闭锁距离保护:

式中Kh为2次谐波闭锁系数，通过定值整定;I1为保护电流中的基波;I2为保护电流中的2次谐波。

原阻抗保护逻辑框图如图3。

图3 原阻抗保护逻辑图

上述高次谐波抑制原理是采用既有线的原理，事实上我国高铁线路，因高速动车技术中采用了先进的电子技术，已不再存在有3、5、7次谐波，所以，高次谐波抑制已不适应高铁牵引供电的阻抗保护，有必要进行改进，可以撤出或剔除高次谐波抑制功能。

3.3 越区时分区所未设阻抗保护

郑西高铁在开通运营之际，越区时分区所的保护只配置了电流速断和过电流保护、失压保护以及AT变压器的一些电量保护和非电量保护，Ⅰ区未设阻抗保护。这样，在末端接地短路时，由于过电流和电流速断的局限性，不一定能有效地保护到末端，而作为距离保护的主保护——阻抗保护是非常有必要的。

4 改进方案

4.1 全并联越区供电时分区所和变电所阻抗保护逻辑原理的改进

郑西高铁的距离保护均采用平行四边形特性，如图4，线路阻抗角α可以通过定值整定。考虑分区所及区间开闭所保护要求，保护配置中每一段都可以设置为正向或反向，当正向不投时默认为反向。

如果装置的额定电流为5 A，投入平行四边形特性时，平行四边形与R轴、X轴负轴相交点的坐标为1 Ω;如果装置的额定电流为1 A，投入平行四边形特性时，平行四边形与R轴、X轴负轴相交点的坐标为5 Ω。这样，可有效地消除距离保护的死区。

依据前述问题距离保护可剔除高次谐波抑制、保留2次谐波闭锁及PT断线闭锁，可投退。改进后的阻抗保护逻辑图如图5，为距离I段保护的逻辑框图，Ⅱ段距离保护的逻辑框图与I段相同。图5中，ZZD1为阻抗整定值。

当投入2次谐波闭锁时，如果2次谐波与基波电流的比值大于定值2次谐波闭锁系数Kh，则闭锁距离保护，公式见式(7)。

距离保护启动后如果装置检测到PT断线，则闭锁距离保护。

2次谐波闭锁距离保护:

式中Kh为二次谐波闭锁系数，通过定值整定;I1、I2为保护电流中的基波、2次谐波。

图4 距离保护阻抗特性图

图5 改进后的距离I段保护逻辑框图

4.2 全并联越区供电时分区所和变电所阻抗保护的配置和整定原则

4.2.1 越区时变电所阻抗保护的整定原则

越区时阻抗定值的整定:因越区时，对变电所而言要整体考虑，变电所应配置两段保护。

线路阻抗可分为AT段和直供段:具体为变电所1至分区所的越区段为AT段;分区所至AT所2的被越区段为AT段;AT所2到变电所2之间为直供段，见图2。因此，整定原则应为:

(1)阻抗Ⅰ段:线路阻抗:

负荷阻抗:

(2)阻抗Ⅱ段:

线路阻抗:

负荷阻抗:

式中KK为可靠系数;ZJmin为最小负荷阻抗。

(3)Ⅰ段时限 t=0.1 s，Ⅱ段时限 t=0.4 s。

4.2.2 越区时分区所应设Ⅰ段阻抗保护

阻抗Ⅰ段保护定值分AT段阻抗和直供段阻抗，线路阻抗和负荷阻抗用公式表达为:

线路阻抗整定为:

负荷阻抗整定为:

整定时限 t=0.1 s。

5 结束语

在郑西高铁全并联AT越区供电中，鉴于阻抗保护逻辑和配置方面的缺陷，曾几度影响行车的实际情况，通过上述改进，Ⅰ、Ⅱ段阻抗保护的逻辑图经过修改编译重新下载到阻抗保护测控装置中;对Ⅰ、Ⅱ段阻抗保护配置的补充，并在时限级差选择方面做到有效配合，通过一段时间的实际运行检验，运行良好，有效地解决了郑西高铁阻抗保护以往存在的问题。

［1］ 潘启敬.牵引供电系统继电保护［M］.北京:中国铁道出版社，1993.

［2］ 王永康.统继电保护及自动装置［M］.北京:中国铁道出版社，1998.

［3］ 康华光.电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［4］ 刘玉洁，盛彩飞，林 飞，等.高速动车组网侧电流谐波特性的研究［J］.电气传动，2010，40(1):33-37.

［5］ 商道行.略论牵引动力交流传动对电气化铁路供电系统的影响［J］.铁道机车车辆，2007，(2):65-70.

［6］ 刘玉洁，林 飞，游小杰，等.CRH2型动车组谐波电流分析及仿真［J］.电力电子，2009，(4):38-42.