组合式同相供电继电保护方案研究

黄华学

0 引言

组合式同相供电技术是在有源滤波器同相供电技术基础上提出来的，该供电技术导致了变电所主接线和牵引电流分布的变化，原有的继电保护配置不能完全满足“四性”要求，而合理的继电保护配置是铁路安全、高速运行的关键。本文在研究组合式同相供电的基础上，提出了一套适用于该供电方式的继电保护方案。

1 组合式同相供电

组合式同相供电技术放弃了原同相供电技术中结构复杂、造价昂贵的平衡变压器，以单相牵引变压器为基础，配以适量的同相对称补偿装置。该技术不仅继承了基于有源滤波器同相供电技术的优点，取消了牵引变电所出口电分相，从根本上解决了谐波、无功和负序对电力系统产生的不良影响，除此之外，它还可以最大程度地减少价格昂贵的同相补偿装置中交直交变流器的容量及其所占比重，有效减少同相供变电装置的一次性投资，提高牵引变压器利用率及牵引变电所运行的灵活性。 主变压器和高压匹配变压器通过电气连接，等 效于一台次边电压相互垂直的平衡变压器。根据高压匹配变压器接线方式的不同，其可以分为单三相 组合式同相供电和单相组合式同相供电2 种方式；根据供电方式的不同，其可分为直供和AT 供电方式，综合考虑实际铁路运行情况，本文研究组合式同相AT 供电，如图1所示。

图1 单相组合式AT 同相供电系统示意图

图1中，TT 为单相牵引变压器，TB 为备用牵引变压器，HMT 为高压匹配变压器，ADA 为交直交变流装置，TMT 为牵引匹配变压器，其中HMT、ADA 和TMT 构成平衡变换装置。单相牵引变压器绕组中点和高压匹配变压器原边一端连接，形成不等边的Scott 变压器，牵引变压器次边采用中点接地方式。

2 组合式同相供电保护配置方案

组合式同相AT 供电配置保护主要分为3 部分：牵引变压器、平衡变换装置、牵引网。由于补偿母线的存在，导致保护配置必须做出调整。

2.1 牵引变压器保护配置

2.1.1 牵引变压器保护

牵引变压器TT 承担着大部分的牵引供电任务，为了保障其能正常运行，快速准确地切除变压器内外部故障，使损失降到最低，对组合式同相供电主变压器设置了比率差动保护、复合电压过电流保护、过负荷保护、接地保护、非电量保护等。差动保护装置作为牵引变压器的主保护装置，能够准确地区分变压器内外部故障，整定值按躲过最大不平衡电流整定，保护配置见表1。

表1 牵引变压器保护配置一览表

值得注意的是，上述保护装置母线M1提供保护，因此为M1设置母线低压过电流保护和母线失压保护，当母线M1出现短路故障时，断路器动作流程：断路器K1和K4可靠动作，由于采用联动方式，所以断路器K2同时断开，切除故障母线；此时，平衡变换装置检测到断开故障母线，故断路器K3和K7联动断开，平衡变换装置退出运行；经过延时，自动合上断路器K5和K6，备用变压器投入运行，然后合上断路器K3和K7，平衡变换装置投入运行，实现同相供电。为了保证母线故障后实现同相供电，以投入备用牵引变压器为代价，断路器K4安装于靠近平衡变换装置侧。两侧母线同时故障概率很小，故K5断路器安装位置无特别要求。

2.1.2 组合式同相供电备投方案

一个平衡装置出现故障退出系统运行时，牵引变压器二次侧的电流就为负荷电流，此时，通过平衡变换装置的电流为0，电流失去平衡，同时产生负序电流，考虑严重情况，即多个变电所同时故障，各个牵引变电所产生的负序电流就会叠加；另一方面，当同相变换装置故障时，只能运行在牵引变压器单相供电状态，失去了同相供电的优势。综上考虑，对补偿母线和平衡变换装置增加“冗余”配置，如图2所示。

断路器高低压侧采用联动，所以本文考虑断路器开断时只阐述高压侧断路器开断情况，如K1和K2联动，只阐述K1断路器开断情况。正常情况下，断路器K1、K4、K6处于闭合状态，K3、K5、K8、K10、K11、K12、K13处于断开状态，由图2可知，100%备用组合式同相供电备投情况如下：

（1）母线M1故障，母线失压保护动作，K4、K6断开，隔离故障母线，经过一定时间延迟，K3、K5闭合，牵引供电系统恢复同相供电。

（2）牵引变压器故障，差动保护动作，K1、K4、K6依次断开，切除故障变压器，经过延时，备用牵引变压器投入运行，K13、K12、K8依次闭合，牵引供电系统恢复同相供电。

（3）平衡变换装置故障，有功功率差动保护动作，K6断开，经过一定延时，K8闭合，牵引供电系统恢复同相供电。

（4）牵引变压器和母线M1同时故障，失压保护和差动保护动作，K1、K4、K6依次断开，经过延时，K13、K11、K5依次闭合，牵引供电系统恢复同相供电。

图2 100%备用组合式同相供电示意图

（5）牵引变压器和平衡变换装置同时故障，差动保护和有功功率差动保护动作，K1、K6、K4依次断开，切除故障牵引变压器和平衡变换装置。经过延时，K13、K12、K8依次闭合，牵引供电系统恢复同相供电。

（6）母线M1和平衡变换装置同时故障，失压保护和有功功率差动保护动作，K4，K6依次断开，切除故障母线和平衡变换装置。经过延时，K3、K10依次闭合，牵引供电系统恢复同相供电。

（7）3 个装置同时故障，差动保护装置、失压保护及有功功率差动保护动作，K1、K6、K4依次动作，切除故障牵引变压器、母线M1和平衡变换装置。经过延时，K13、K11、K10依次闭合，牵引供电系统恢复同相供电。

2.2 平衡变换装置保护配置

2.2.1 平衡变换装置

平衡变换装置作为同相供电技术的核心部件，可以实现平衡变换，补偿谐波、负序和无功。在组合式同相供电系统中，平衡变换装置主要由高压匹配变压器、交直交变流器和牵引匹配变压器构成。高压匹配变压器把母线220 kV（或110 kV）等级的电压降压10 kV，供给交直交变流器ADA，把交流变成直流，再经过逆变器把直流变成单相交流，电压经牵引匹配变压器升压到55 kV 给机车供电，如图3所示。

图3 单相背靠背平衡变换装置示意图

实际工程中的平衡变换装置单个模块受容量的限制（一般一个模块为1.25 M），交直交变流器由图3所示的多个相同模块构成，多个模块变流器的一侧与高压变压器的次级相连，构成多重并联变流器；各模块次边串联后通过连接电感与牵引匹配变压器绕组并联，构成多个级联逆变器。

2.2.2 平衡变换装置保护方案

由2.2.1 节可知，平衡变换装置主要由隔离变压器（包括高压匹配变压器和牵引匹配变压器）和变流器两部分组成，分别给高压匹配变压器设置与主变压器相同的本体保护方案，如电流差动保护，过流保护，过热保护等，由于牵引匹配变压器靠近ADA 侧为多绕组（工程运用中有15 绕组的情况），电流电压信息量采集过多，电流互感器造价过高，差动保护难以实现，所以采用非电量保护瓦斯保护作为其主保护，配以其他后备保护；交直交变流器保护类似于有源滤波器保护，设置电力电子脉冲封锁保护，过流保护，过压保护，直流侧过压/欠压保护、IGBT 智能旁路等。保护配置参见表2。

表2 平衡变换装置保护配置一览表

把设备分开考虑设置的保护存在动作死区，如高压匹配变压器和交直交变流器之间连接电缆出现接地故障都会判定为是设备外部故障而拒动，所以，以平衡变换装置整体考虑，为其设置有功功率差动保护和反时限过电流保护。有功功率差动保护可以很好地区分内外部故障，原理与电流差动保护类似，整定值主要受2 方面的影响：高压匹配变压器、牵引变压器及交直交变流器的有功损耗；电压互感器和电流互感器正常工作时存在的误差。有功功率差动保护设置如图4。反时限过电流保护主要是作为有功功率差动保护的后备保护，在平衡变换装置外部故障和过负荷时启动，使系统安全退出运行。无论是有功功率差动保护，还是反时限过电流保护，在直流侧充电过程中都有可能引起保护误动，所以应该增加充电闭锁功能。

图4 有功功率差动保护原理图

2.3 馈线保护

在组合式同相供电中，虽然取消了牵引变电所出口处电分相，但基于牵引网的阻抗特性不变，所以组合式同相供电馈线保护和原来的同相供电馈线保护原理相同，故障时基于缩小停电范围的原则，需给牵引变电所出口处设置分相断路器。本文以AT 供电方式为例，馈线保护配置见表3。

表3 馈线保护配置一览表

3 结论与展望

以单相变压器构成的组合式同相供电系统，不仅继承了原有同相供电装置的优点，与之相比，它还解除了牵引变压器和平衡变换装置之间的捆绑，提高了牵引变压器的利用率，是未来同相供电技术实际工程运用的方向。

本文仅从理论上设计了一套组合式同相供电系统继电保护方案，为了进一步完善组合式同相供电继电保护配置，还需要进行大量仿真验证和保护整定计算，使其更适用于工程实践。

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