全并联AT双边供电方式的故障测距方法

马燕宁

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

全并联AT双边供电方式的故障测距方法

马燕宁

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

高速铁路已经成为我国铁路的必然发展趋势。介绍了适宜于高速铁路发展的双边供电方式，对双边供电方式下全并联AT供电系统的等值电路进行了分析和仿真，在等值电路的基础上研究了全并联AT双边供电方式的故障测距方法，并提出了基本的测距流程。

双边供电；全并联AT供电系统；故障测距

0 引言

随着我国经济的持续增长，铁道的发展成为交通运输的核心问题。为了解决客货运量严重的饱和与铁路运输能力之间的矛盾，中国将提升铁路运行速度，增大铁路运营密度作为铁路发展的重点。电气化铁道一般采用单边电源供电。在这种供电方式下，为了减小单相负荷引起的负序电流，牵引供电系统通常采用换相连接的方法，这就使得两个牵引变电所之间的分区所处存在电分相，不利于高速行车，并可能引起异相短路故障等问题。双边供电几乎不需要增加相应的专业设备，线路改造的成本低。与此同时，双边供电可以减少一半的电分相数量，有利于列车的高速运行，增加了供电的可靠性[1-2]。因此，双边供电牵引供电系统具有一定的经济和技术优越性，值得进一步研究。

1 双边供电系统结构分析

由于V/x接线牵引变压器具有容量利用率高，供电臂电压水平高，负序电流小等优点[3]，且可以由既有单相变压器改装得到，因此我国全并联AT供电系统多数采用V/x接线牵引变压器。结合高速铁路普遍采用的全并联AT牵引供电系统，并考虑到轮流换相接线方式，给出如图1所示双边供电系统示意图。

图1 双边供电系统示意图(加图)

当系统正常运行时，关合线路中间分区所开关，以实现双边供电。当系统发生故障时，先断开分区所处断路器，使得双边的供电系统恢复单边供电方式，这样可以缩小故障范围。然后对双边的供电系统分别进行检查，判断发生故障的系统，并判断故障是发生在上下行线路上还是发生在牵引变压器处：若故障发生在上下行线路上，可以断开相应的断路器和隔离开关，将故障区段隔离，并恢复非故障区段供电；若故障发生在牵引变压器处，则要通过断路器和自动重合闸的配合，切除故障牵引变压器，启用备用变压器；若双边的供电系统中有一个变电所无法实现供电，可由另一边的变电所对其供电区段进行供电，原理与越区供电相似[4]。

2 双边供电方式等值电路分析

全并联AT双边供电牵引网T-R短路电路图如图2所示[5]。为了简便分析与计算，不考虑牵引变压器内部阻抗的影响，即认为双边供电时两个相邻变电所的电压是相等的。假设AT变压器为理想变压器。图2中，LA为变电所A方向第一个AT所到短路点的距离，单位km；D为短路点所在AT段的长度，单位km；X为变电所A方向与短路点最近的AT所到短路点的距离，单位km；L为供电臂总长度，单位km。

图2 全并联AT双边供电牵引网短路电路图

由文献[6]中所阐述的单边供电方式下的单线AT供电方式的等值电路推导方式，等效推导出全并联AT双边供电方式的T-R短路等值电路，如图3所示。由于两侧变电所的距离一般在50～70 km，其线路长度远小于电压波长，可以忽略空间对线路参数的影响，因此这里的等值电路采用集总参数模型，未考虑分布参数特性。图3中,Z1=(ZT+ZRF-ZTR-ZTF)/2,Z2=ZR+(ZT+ZTF-ZRF-3ZTR)/2,Z3=(ZF-ZT)/4+(ZTR-ZRF)/2。

图3 全并联AT双边供电牵引网T-R短路等值电路(1)

为了计算和分析更加直观，对图3中并联区段进行合并，并对短路处进行△-Y转换，可以得到图4所示等值电路(2)。

图4 全并联AT双边供电牵引网T-R短路等值电路(2)

图5 供电牵引网T-R短路等值电路(3) 图6 供电牵引网T-R短路等值电路(4)

前文已假设双边供电时两个相邻变电所的电压是相等的，则对图6中两边电流进行分析可知LAZAAIa=(L-LA)ZAAIb,LA=LIb/(Ia+Ib)。因此，在测得两边变电所流出电流的基础上，可求出LA的值，即T-R短路点距离变电所A方向第一个AT所的距离。

在单边供电的全并联AT供电方式下，一般采用“AT中性点吸上电流比”、“横连线电流比”和“转移阻抗法”等方法进行故障测距[7-9]。但在全并联AT双边供电方式下，根据上述故障测距的原理，通过在两边变电所安装故障测距装置，测得两边变电所流出电流的值，集中后进行简单计算，即可完成故障测距，相比较之前提到的几种原理，本原理更加简单。

3 故障测距方案仿真分析

根据图2，搭建Matlab/Simulink的全并联AT双边供电方式仿真模型，其主要参数为：两个牵引变电所间的牵引网供电臂长度为60 km，其中各AT段长度分别为15 km、16 km、14 km、15 km；AT变压器容量32 MVA，漏抗0.15+j0.6；牵引网线路阻抗值如表1所示。根据LA=LIb/(Ia+Ib)计算出LA的仿真结果，如表2所示。

表1 牵引网线路阻抗线路阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/ΩzT0．2314+j0．6813zTR0．05+j0．4133zT1-T20．05+j0．3288zR1-T20．05+j0．2918zF0．14+j0．5826zTF0．05+j0．3137zT1-R20．05+j0．2918zR1-R20．05+j0．3140zR0．212+j0．7643zFR0．05+j0．3053zT1-F20．05+j0．3169zR1-F20．05+j0．2802

由表2仿真结果可以看出，故障测距方法与实际情况存在一定误差，原因是故障原理未考虑变压器漏抗，但总体来说，故障测距方法误差不超过0.05 km。

4 双边供电方式的故障测距方案

4.1 故障测距的启动

在接触网正常运行时，两边变电所的数据采集装置持续对变电站的交流电流量进行采集。当接触网发生短路故障时，故障测距单元在继电保护动作下启动。故障测距单元采用内部启动和外部启动的双启动方式，内部启动是指根据继电保护综合装置的内部保护判断程序(如：自适应距离保护程序、低电压启动的过电流保护程序等)，判定保护启动时，同时启动故障测距单元程序；外部启动是指根据馈线保护装置(保护继电器)的动作信号来启动故障测距单元，两者本质上是一致的。在内部启动失效的情况下，外部启动将强制启动故障测距单元，从而保证了故障测距的顺利启动。由于两边变电站故障测距单元的启动采用同一信号来源，可以最大限度的实现两边故障电流量的同时性。

表2 故障测距仿真结果实际故障距离/kmIa/AIb/A仿真计算故障距离/km实际故障距离/kmIa/AIb/A仿真计算故障距离/km028437．513．260．02361649．292471．9435．9964882．81543．886．01421577．633669．8141．96124658．441167．8812．02481169．634656．2747．95183680．941581．5618．0354542．624869．3853．97242460．941640．63246012．3128375．6759．98303857．193848．2329．97

4.2 故障数据的传送

故障测距单元启动以后，根据故障测距原理的要求，需要将其中一边变电站的电流量传送到另一变电站的故障测距单元处，进行故障距离计算。根据我国目前铁道通信发展的形势，可以采用两种形式传送信息量，即利用远动通道和铺设故障测距的专用信息传送通道。利用远动通道传送信息的优点是不用增加投资，系统改造工程量小，缺点是信息传输的时间延迟比较严重；铺设故障测距的专用信息传送通道的优点是信息传输的时间延迟很小，缺点是要额外铺设专用通道，增加了系统改造的工程量和成本。考虑全并联 AT双边供电方式的主要应用范围是高速铁路客运专线，其安全性和稳定性的要求非常高，因此选用铺设故障测距的专用信息传送通道的方式更能满足要求。

4.3 故障测距流程图

根据上述分析，给出全并联AT双边供电方式故障测距的流程如图7。

5 结论

根据全并联AT双边供电方式的结构和等值电路，提出了新型的故障测距原理。该原理计算简单，经仿真证明准确有效，并同时适用于T-R短路和T-F短路，但并不能分辨出两种短路的不同，不能作为故障类型判断的依据。在原理的基础上，分析了全并联AT双边供电方式故障测距的流程图，为后续故障测距装置的研发提供了参考。

[1]李强. 客运专线双边供电方案研究[D].成都：西南交通大学电气工程学院，2011.

[2]李波. 高速铁路双边供电继电保护方案研究[D].成都：西南交通大学电气工程学院，2011.

[3]徐红红，张雷.AT牵引供电方式的分析及应用[J].铁道运营技术，2007，13(4):8-11.

[4]周娟，陈小川，何顺江. 同相AT牵引网供电方式及保护方案研究[J].电气化铁道，2007(5):1-4.

[5]辛成山，张美娟. 交流电气化铁道双边供电研究[J].电气化铁道，1998(2):6-11.

[6]辛成山. AT供电系统等值电路推导方法[J].电气化铁道，1999(1)：17-20,35.

[7]鲍英豪. 全并联AT供电系统馈线保护与故障测距方案研究[D].成都：西南交通大学电气工程学院，2008.

[8]卢涛，韩正庆，王继芳.全并联AT供电方式的故障测距方法[J].电力系统及其自动化学报，2006，18(2)：27-30.

[9]王继芳. 全并联AT供电牵引网故障测距研究[D].成都：西南交通大学电气工程学院，2006.

(责任编辑 刘宪福)

Fault Location Method forBilateral All-parallel AT Traction Power Supply System

Ma Yanning

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

High speed railway has become the inevitable development trend of railway in our country. This paper introduces the bilateral power supply system that is suitable for high speed railway development, and analyzes and simulates the equivalent circuit of the bilateral all-parallel AT power supply system. On the basis of the equivalent circuit, fault location method for the bilateral all-parallel AT power supply system is studied, and the basic ranging process is put forward.

bilateral power supply; all-parallel AT traction system; fault location method

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.17

2013-12-06

马燕宁 女 1989年出生 硕士研究生

U226.5

A

2095-0373(2014)03-0079-05