纵向分段式全并联AT牵引网保护配置

陈海涛，熊列彬，王昌

（西南交通大学电气工程学院，成都610031）

纵向分段式全并联AT牵引网保护配置

陈海涛，熊列彬，王昌

（西南交通大学电气工程学院，成都610031）

纵向分段式全并联AT（auto transformer）牵引供电系统能很好克服传统全并联AT牵引供电系统存在的缺点，其牵引网保护配置得到设计部门的关注。在分析纵向分段式全并联AT牵引供电系统结构基础上，针对纵向分段式全并联AT牵引网的结构特点，讨论了牵引网发生常见短路故障时各断路器的动作配合，给出了该牵引网的保护配置和距离保护的整定原则。基于Matlab/Simulink的仿真分析表明，所配置的距离保护合理、有效。

纵向分段；牵引网；保护配置；仿真

全并联AT供电方式供电功率大、供电区段长、单位阻抗小、电压损失低、可靠性高，能满足高速铁路列车运行速度高、行车密度大、列车牵引功率大等要求，能有效降低钢轨电位和对沿线通讯线路的干扰，同时能改善旅客乘坐舒适度等特点[1]，已成为我国高速铁路优先选择的供电方式[2]。目前我国投入运营的全并联AT供电系统主要存在牵引网故障时，切除故障的方式都是统一跳开牵引变电所处断路器，然后解列全并联系统，再逐一重合闸各断路器排除故障[3-5]。这样当牵引网上行或下行发生永久性故障时，将造成上行或下行全线停电，扩大停电范围；故障时供电方式由全并联AT供电变为单线直接供电，降低供电可靠性，增大对沿线通信线路的干扰。随着技术的不断进步和成熟，一种全新的纵向分段式全并联AT牵引供电系统被提出[6-7]，分析它的结构特点，完成牵引网保护配置，以发挥此种牵引供电结构的最大优点，对于此种供电结构的供电可靠性有着现实意义。

1 纵向分段式全并联AT牵引供电系统

纵向分段式全并联AT牵引供电系统和普通全并联AT牵引供电系统最大的区别在于AT所主接线方案的不同，主接线方案如图1所示[8]。

由图1可见，纵向分段式全并联AT所由4台双极断路器分别接入AT供电方式复线电气化铁路上下行供电臂，与牵引变电所馈线双极断路器和末端分区所双极断路器一起，将供电臂分为4个供电分区，AT所通过上网隔离开关和牵引网连接，AT变压器通过双极断路器接入上、下行牵引网并联母线，上、下行牵引网并联母线间设置母线分段隔离开关。纵向分段式全并联AT牵引供电系统示意如图2所示。

图1 纵向分段式全并联AT所主接线Fig.1Main wiring of longitudinal segmented all parallel AT post

图2 纵向分段式全并联AT牵引供电系统Fig.2Longitudinal segmented all parallel AT traction power supply system

图2 中，变电所SS（sub-station）、自耦变压器所ATP（auto-transformer post）、分区所SP（section post），从图2中可看出，在上、下行牵引网AT所处各增设1组锚段关节，采用电动隔离开关操作方式，通过复线上、下行供电臂纵向连接，由AT所处牵引网上绝缘锚段关节、相邻牵引变电所和分区所相配合，对供电臂进行供电分区，有效控制故障范围，平衡供电臂上、下行的牵引负荷，保证继电保护的选择性和速动性，避免牵引网上故障时AT变压器退出运行，并保证故障情况下供电能力。

2 牵引网短路故障分析

综合牵引网线路故障的几种可能形式，主要有牵引网各导线之间的短路故障，牵引网各导线的断线接地故障以及电力机车不降弓通过电分相时受电弓飞弧引起的异相短路故障。根据相关运营统计，牵引网各导线间发生短路故障的概率占整个故障数量的大多数，非常少的情况下才会发生断线接地故障和异相短路故障[8]。

本文主要分析牵引网不同供电分区发生的常见3种（T-R、T-F、F-R）短路故障情况下各断路器流过短路电流情况，此时，统一将流出牵引变电所电流方向设为正向，反之为负方向。纵向分段式全并联AT牵引供电系统牵引网短路故障示意如图3所示。

图3 纵向分段式全并联AT牵引网短路故障示意Fig.3Schematic diagram of longitudinal segmented all parallel AT traction network short-circuit fault

图3 中的k1点发生短路故障，此时QF1流过正向短路电流Ik1，QF3流过反向短路电流Ik2，当此种故障发生时，理想情况是QF1和QF3瞬时动作，切除故障，将故障隔离在供电分区1内，其他断路器不动作，供电分区2、3、4正常供电；k3点发生短路故障，此时短路电流流过所有供电分区，断路器QF5流过正向电流Ik3，断路器QF7流过反向电流Ik4。因此，当此种故障发生时，理想的情况是QF5和QF7瞬时动作，切除故障，将故障隔离在供电分区3内，其他断路器不动作，供电分区1、2、4正常供电；k5点发生短路故障，断路器QF3、QF4、QF5、QF6均流过短路电流，当此种故障发生时，理想状态是QF3、QF4、QF5、QF6均动作，将AT所故障母线切除，其他断路器不动作；k6点发生短路故障，断路器QF7和QF8流过短路电流，当此种故障时，理想状态是QF7和QF8动作，将分区所母线故障切除，其他断路器不动作。

供电分区2和供电分区4短路故障发生时，各断路器动作情况与供电分区1和供电分区3短路故障发生时断路器动作情况类似，这里不再赘述。

3 牵引网保护配置

在多端电源供电网络或同一母线的环形供电网络中，使用无方向的保护不能保证保护的选择性。因为当流过同一位置保护的正反方向的故障电流具有相同的幅值时，那么正方向与反方向保护之间的动作逻辑配合关系无法得到满足[9]。纵向分段式全并联AT所的各个方向均设置断路器，与牵引变电所和分区所断路器配合，使供电臂按供电分区形成了有效的双端供电网络分割，为保证继电保护的选择性，保护应具有方向选择性[10]。

3.1 牵引网距离保护配置

当故障发生在供电分区1时，如图2所示，此时只要求断路器QF1和QF3动作，其他断路器不动作，满足继电保护选择性要求，此时QF2作为QF3的后备保护。当故障发生在供电分区3时，此时只要求断路器QF5和QF7动作，其他断路器不动作，同样满足继电保护选择性要求，此时QF1和QF2作为QF5的后备保护，QF6作为QF7的近后备保护，QF1和QF2作为QF7的远后备保护。

供电分区2、4故障与供电分区1、3类似。当故障发生在AT所母线上时，此时要求断路器QF3、QF4、QF5、QF6动作，切除故障；当故障发生在分区所母线上时，此时要求断路器QF7、QF8动作，切除故障，以满足继电保护选择性的要求。

各供电分区短路故障时，各断路器保护动作情况如表1所示。

表1 不同供电分区故障时的断路器保护动作Tab.1Breaker protection action of short-circuit fault in different supply partitions

表1中，AT所和分区所的6个断路器动作具有方向性，其中QF3、QF4正向不动作，反向作为供电分区1和供电分区2的近端保护；QF5、QF6反向不动作，正向作为供电分区3和供电分区4的近端保护；QF7和QF8正向不动作，反向作为供电分区3和供电分区4的近端保护。首先提出一套距离保护方案，如表2所示。

表2 牵引网距离保护配置Tab.2Distance protection configuration of traction network

3.2 牵引网距离保护整定

牵引变电所QF1和QF2配置的Ⅱ段距离保护，保护Ⅰ段按躲过供电分区1（2）发生短路故障时最大阻抗整定，保护范围为供电分区1（2）的全长，采用超范围定值，0.1 s动作；Ⅱ段按整个供电臂长度整定，保护供电臂全长，比距离Ⅰ段延时0.3 s。

AT所断路器QF3（QF4）方向距离Ⅰ段保护，正向不动作，反向Ⅰ段按供电分区1（2）发生短路时最大短路阻抗整定，采用超范围定值，保护供电分区1（2）全长，0.1 s动作。

AT所断路器QF5和QF6，在正常供电情况下配正向Ⅱ段距离保护，Ⅰ段按躲过供电分区3（4）发生短路故障最大短路阻抗整定，采用超范围定值，保护供电分区3（4）全长，0.1 s动作，Ⅱ段按躲过分区所并联，供电分区3+供电分区4全长整定，作为后备保护，延时0.3 s动作。

分区所断路器QF7和QF8配置的方向Ⅰ段距离保护，正向不动作，反向距离Ⅰ段按供电分区3（4）全长整定，采用超范围定值，0.1 s动作。

此时各断路器的保护范围如表3所示。

表3 牵引网各距离保护整定原则Tab.3Setting principle of distance protection

根据上述距离保护配置及保护范围整定，下面分析此种距离保护配置方式下故障发生在不同供电分区，以及不同供电分区的不同地段时各保护的动作配合。

如图4所示，当供电分区1发生故障，无论k1点位于什么位置，由于断路器QF1、QF3的Ⅰ段距离保护范围为整个供电分区全长，因此断路器QF1和QF3瞬时动作，切除故障。

图4 供电分区1短路故障示意Fig.4Schematic diagram of short-circuit fault in supply partition 1

如图5所示，当供电分区3发生故障，无论k3点位于什么位置，由于断路器QF5、QF7的Ⅰ段距离保护范围为整个供电分区全长，断路器QF5和QF7瞬时动作，切除故障。

当故障发生在供电分区2、4时，各保护动作配合与故障在供电分区1、3类似，不再赘述。

此时，各断路器距离保护Ⅰ段，保护就近供电分区的全长，并留有一定裕度，而后按重合闸控制整个牵引网将故障隔离。此时能很好满足继电保护速动性的要求，为整个供电系统安全可靠供电提供保障。

图5 供电分区3故障时示意Fig.5Schematic diagram of short-circuit fault in supply partition 3

3.3 牵引网成套保护方案

纵向分段式全并联AT供电牵引网是一个复杂的系统，故障类型多种多样，为了满足牵引网安全可靠地为机车供电的要求，一整套可靠地保护方案尤为关键，下面给出整个牵引网保护配置方案，如表4所示。

表4 纵向分段式全并联AT牵引网保护配置Tab.4Protection configuration of longitudinal segmented all parallel AT traction network

牵引网各断路器除了配置的距离保护以外，配置电流增量保护、低压启动过电流保护、电流速断保护等作为辅助保护[11]，配置一次自动重合闸主要为了消除瞬时故障，母线设置纵向电流差动保护就是为了当母线发生短路故障时，可瞬时切除故障母线而不影响各供电分区正常供电。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink仿真软件，依据图2建立纵向分段式全并联AT牵引供电系统仿真模型，建立的仿真模型如图6所示。

图6 纵向分段式全并联AT牵引供电系统仿真模型Fig.6Simulation model of longitudinal segmented all parallel AT traction power supply system

根据建立的仿真模型，部分仿真参数参考文献[12]，仿真常见短路（T-R、T-F、F-R）故障分别发生在供电分区1、2、3、4时各断路器的动作情况。仿真中，牵引变电所距分区所距离设置为30 km，AT所位于两者正中间，在每个供电分区每隔1km设置一次短路故障，观察各断路器的动作情况，仿真结果如表5所示。

从表5中可以看出，当故障位于供电分区1且故障点距SS的距离大于13 km时，断路器QF7同时动作，这是因为QF7配置的Ⅰ段距离保护范围为供电分区3的全长并留有裕度，延伸至供电分区1的一部分，重合闸后不影响供电分区3的供电。故障发生在供电分区3且故障点距ATP的距离小于2 km时，断路器QF1同时动作，这是因为QF1配置的距离保护Ⅰ段保护范围为供电分区1的全长并留有一定裕度，延伸至了供电分区3的一部分，重合闸后不影响供电分区1的供电。

供电分区2和供电分区4的故障仿真结果与供电分区1和供电分区3类似，不再赘述。

表5 距离保护仿真结果Tab.5Simulation results of distance protection

5 结语

本文针对纵向分段式全并联AT牵引供电系统牵引网的结构特点，分析了短路故障发生在不同位置时，包括不同供电分区和母线，各断路器的理想动作情况，并在此基础上给出了牵引网距离保护方案和整定原则，保证了继电保护选择性和速动性的要求，同时给出了牵引网的整套保护方案，为下一步此种供电方案的投入运行提供安全保障，最后借助Matlab/Simulink仿真软件建立了纵向分段式全并联AT牵引供电系统仿真模型，仿真验证了所配置保护在故障发生时能正确可靠动作并能达到隔离故障的目的，证明了配置的距离保护合理、有效。

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Protection Configuration of Longitudinal Segmented All Parallel AT Traction Network

CHEN Haitao，XIONG Liebin，WANG Chang
（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Longitudinal segmented all parallel auto transformer（AT）traction power supply system can be well overcome the shortcomings in traditional all parallel AT traction power supply system.The protection configuration of its traction network receives considerable study in designing department.On basis of analyzing the structure of longitudinal segmented all parallel AT traction power supply system，aiming at the structure features of longitudinal segmented all parallel AT traction network，the action sequence of all breakers when common shortcircuit fault occurs is discussed，and the protection configuration of traction network and the setting principle of distance impendence protection are proposed. Simulation analysis on Matlab/Simulink indicates the distance protection is reasonable and effective.

longitudinal segmented；traction network；protection configuration；simulation

TM773

A

1003-8930（2015）12-0047-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.12.09

陈海涛（1986—），男，硕士研究生，主要从事变电站综合自动化及微机保护方面的研究。Email：cht1816@163.com

2013-11-21；

2015-01-23

铁道部重点课题项目（2012J011-A）

熊列彬（1972—），男，硕士，副教授，主要从事变电站综合自动化及微机保护方面的研究。Email：xlbbear@163.com

王昌（1989—），男，硕士研究生，主要从事变电站综合自动化及微机保护方面的研究。Email：wangcahnglg@163.com