电气化铁路单线直供牵引网T-R短路故障隔离解决方案

陈莉，陈乾，陈剑，梁泽川

电气化铁路单线直供牵引网T-R短路故障隔离解决方案

陈莉1，陈乾1，陈剑1，梁泽川2

（1. 南京铁道职业技术学院，江苏南京，210031；2. 西南交通大学电气工程学院，四川成都，610031）

及时准确发现、隔离、排除牵引网线路故障，是电气化铁路牵引供电系统正常运行的重要举措。以最常见的单线直供牵引网T-R短路故障为例，基于对故障机理的分析，在Matlab/ Simulink平台下建立了测控模型；同时为实现故障供电区块的准确判断，提出了故障潮流符号值的概念，并在实际案例中得以应用。应用效果表明：该测控系统能够最大限度减少瞬时故障引起的误判，在保障无故障区段正常供电的前提下，可在60 ms内完成故障隔离，满足了电气化铁路保护系统的时限要求，提升了铁路运行质量。

牵引网；单线直供；T-R短路故障；故障潮流符号值

引言

在电气化铁路牵引供电系统中，牵引网是置于大自然中的一个庞大的供电装置[1]。因其结构复杂、工作条件恶劣，且无备用，因此必须及时准确地发现、隔离并排除牵引网故障。故障测控系统、故障隔离装置等成为牵引供电系统中非常重要的设备。

为最大限度保证无故障区间的正常供电，有必要建立相关测控模型展开分析研究，为实现系统建设奠定理论基础。

1　单线直供牵引网T-R短路故障机理

直供牵引网线路故障有多种形式，然而根据铁路公司公布的运营统计数据显示：牵引网线路短路故障占绝大部分[2]。根据电路理论，主要介绍和分析单线直供牵引网T-R短路故障机理（其中T为接触网，R为钢轨），其示意图如图1所示。

图1　单线直供牵引网T-R短路故障示意图

当发生短路故障时，T和R之间形成一个闭合回路，满足如下电压方程

整理得

其中：

Zs''——归算到27.5 kV电压下的系统及变电所阻抗，Ω；

x——短路点到牵引变电所的距离，km；

ZAA——接触网单位长度等效阻抗，Ω/km；

ZBB——钢轨单位长度等效阻抗，Ω/km；

ZAB——接触网和钢轨单位长度等效互阻抗，Ω/ km。

2　测控系统原理

2.1短路故障模拟模型的建立

短路故障模拟模型的建立是在Matlab/Simulink平台实现的。模拟短路模块采用Elements库中的断路器Breaker，其在模型中的结构如图2所示。断路器模块的初始状态和动作时间均可设定，如图3所示。本文设置断路器模块初始状态为断开，当到达其动作时间时，断路器闭合，此时图2中上行牵引网中的T和R发生金属性短路。

图2　模拟短路模块

图3　断路器参数设置

2.2故障潮流符号值的提出

设定牵引变电系统一次侧电源初始相位为0°。以此为基准，当仿真牵引网发生T-R短路故障时，测量各分段所端口的电压相位与电流相位。

在单线直供牵引网中，若任何一个供电区段发生T-R短路故障，区段两端的故障潮流符号值之和的绝对值P≥1。

3　测控系统仿真应用

通过在单线直供牵引网中的不同位置进行短路故障仿真，可验证利用故障潮流符号值识别牵引网短路故障的可行性。本节针对牵引网发生T-R短路故障的具体应用，仿真整个测控系统的运行情况。

如图4所示，在牵引网的16 km处（区段12内）加入断路器，并设置其在0.08 s时刻短路，以模拟牵引网T-R短路故障的发生。

图4　单线直供牵引网短路故障示意图

故障发生后，通过仿真可知，分段所QD11、QD12、QD13、QD0处的故障潮流符号值依次为1,1,0,0。故区段11的故障潮流符号值之和的绝对值为P= |1-1|=0；同理，区段12为P=|1-0|=1≥1 ；区段13为P=|0-0|=0。由此即可判断故障发生在区段12，通过仿真可得到其两端电压分别如图5a和图5b所示；其两端断路器控制信号如图6a和图6b所示。

图5　供电区段12两端电压

图6　供电区段12两端断路器控制信号

牵引网在0.08 s时刻发生短路故障，此时部分分段的电压低于阈值，这些分段所处的控制中心可根据相邻分段所传送的故障潮流符号值迅速计算故障潮流符号值之和的绝对值P。若P≥1，则应立即断开该分段所内的断路器；若P=0，则无需动作。由图5和图6可知，在0.14 s时，区段12被切除，区段11恢复了正常供电。同时，由于区段12未与分区所相连，待区段12被切除后，分区所（QD0）内的断路器（DL0）自动合闸，通过相邻的变电所实现自动越区供电。

为最大限度减少瞬时故障引起的误判[3-6]，故障区段两端的分段控制中心在故障切除0.06 s后（即在0.20 s时刻），向各自分段所内的断路器下达了合闸命令，实现重合闸。若0.08 s时刻发生的故障为瞬时性短路故障，那么执行重合闸操作后，线路供电将恢复正常，此时故障区段两端断路器应保持闭合状态；若0.08 s时刻发生的故障为永久性短路故障，那么执行重合闸操作后，线路仍处于短路状态，此时故障区段两端断路器应永久断开，并向控制室发出报警信号。例如，如图6所示，在0.14 s时刻，断路器断开，将故障支路暂时隔离；在0.20 s时刻，分段控制中心向分段所内的断路器下达了重合闸命令，然后再依据故障潮流符号值进行判定，若重合闸成功，则断路器保持合闸状态；反之，则分段控制中心应再次发送分闸命令，并向控制室报警。

在此次仿真中，短路系永久性短路故障，故故障区段（区段12）被完全隔离，区段11正常供电，区段13通过相邻牵引变电所实现了自动越区供电。自动越区供电控制信号波形图如图7所示。

图7　分区所越区控制信号

由图5和图6还可分析得知：牵引网在0.08 s时刻发生了短路故障；在0.14 s时刻，故障区段被切除，其余区段恢复供电，用时0.14 s-0.08 s=0.06 s（即60 ms），满足了电气化铁路保护系统的时限要求。

4　结束语

通过牵引网合理分段，研究了一种测控系统，既能够迅速隔离故障区段，也能够最大限度保障无故障区段正常供电。同时，该系统是以基于故障潮流符号值的分布式测控系统作为主保护，以及同样基于该值的集中式测控系统作为后备保护，二者相得益彰，进一步提升了测控系统可靠性。基金项目：

江苏省高职院校青年教师企业实践培训项目(2016QYSJ036)。

[1]李群湛. 论新一代牵引供电系统及其关键技术[J]. 西南交通大学学报, 2014, 49(4):559-568.

[2]吴命利. 牵引供电系统电气参数与数学模型研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2006.

[3]GODA Y, IWATA M, IKEDA K, et al. Arc voltage characteristics of high current fault arcs in long gaps[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, 15(2):791-795.

[4]EISSA M M, MALIK O P. Experimental Results of a Supplementary Technique for Auto-Reclosing EHV/UHV Transmission Lines[J]. IEEE Power Engineering Review, 2002, 17(3):702-707.

[5]TRAN-QUOC T, HADJ-SAID N, SABONNADIERE J C, et al. Reducing dead time for single-phase auto-reclosing on a seriescapacitor compensated transmission line[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, 15(1):51-56.

[6]EISSA M M, MALIK O P. A novel approach for auto-reclosing EHV/UHV transmission lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, 15(3):908-912.

Solution on Fault Isolation of T-R Short-circuit in Single-cabledirect-supply Traction Network for Electrified Railway

CHEN Li1, CHEN Qian1, CHEN Jian1, LIANG Ze-Chuan2
(1. Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing, Jiangsu, 210031, China; 2. School of Electrical Engineering , Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan, 610031, China)

Discovery, isolation and exclusion of fault of traction network cable with promptness and accuracy, are crucial in normal operation of traction based power supply system for electrified railway. A case study on fault of T-R short-circuit in single-cable-direct-supply traction network is investigated through analysis of fault mechanism and establishment of measurement and control model under Matlab/ Simulink platform. Meanwhile, aiming at an accurate decision of power supply block with fault, a concept of sign value of fault flow is proposed and applied in such an actual case. The application effect shows that, such a measurement and control system can minimize the misinterpretation caused by transient fault. Under the premise of normal power supply in non-fault blocks, the isolation of fault can be achieved within 60 ms, which satisfies the deadline of protection system in electrified railway, and improves the quality of railway operation.

Traction Network; Single-cable-direct-supply; T-R Short-circuit; Sign Value of Fault Flow

TM713

A

2095-8412 (2016) 05-896-04工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.018

陈莉(1985-)，女，甘肃天水人，硕士研究生，助教。主要研究方向：同相供电。

陈乾(1981-)，男，大学本科。研究方向：电力电子技术。

陈剑(1988-)，男，大学本科。研究方向：电力电子技术。

梁泽川(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：电力电子变换技术。