基于柱上开关式电分相的接触网异相短路研究

江东杰，金 钧



基于柱上开关式电分相的接触网异相短路研究

江东杰，金 钧

针对基于柱上开关式电分相的接触网异相短路的不同故障过程进行理论分析、数学建模及机理探讨，使用Matlab/Simulink软件进行仿真分析，得到了AT侧与DN侧牵引电压、接触线相间电压、短路电流、谐波含量等电气指标；仿真结果表明AT牵引供电系统与DN牵引供电系统之间发生异相短路时，AT侧与DN侧牵引电压及供电臂相间电压均会降低，其中供电臂相间电压降落最大，同时短路电流中谐波含量较高，为异相短路专属保护整定计算提供参考。

牵引供电系统；异相短路；Matlab/Simulink仿真；柱上开关式电分相

0 引言

牵引供电系统异相短路故障是一种破坏性极大的近区故障[1]。为了防止牵引供电系统发生异相短路，需要在变电所出口处及相邻变电所供电臂之间设置电分相将两相分开[2，3]。目前，造成异相短路的主要原因是受电弓过电分相时产生电弧，由于电弧电阻具有非线性、时变、高阻等特点，常规的馈线保护不能正确地反应和动作[4]。文献[5～7]进行了相关研究并提出了专门设置牵引网异相短路保护的方案，但都存在敏感度低、难于整定的缺陷；文献[8]提出，发生电弧异相短路时，故障相电压bc降低幅度较大，同时两供电臂电压也会发生改变，引起超前相电压ba升高，滞后相电压ca降低，ba/ca＞1.2；文献[9]提出，故障相电压bc中3次谐波与基波有效值比值在30%以上。

目前大部分文献均是针对AT供电方式在牵引变电所出口处发生电弧式异相短路进行分析，不同供电方式之间供电臂末端异相短路方面的分析相对较少。为了从根本上消除高阻电弧故障对异相短路继电保护带来的影响，解决动车组在不降弓通过电分相时产生飞弧的问题，本文提出一种新型柱上开关式电分相，并对供电臂末端发生异相短路进行仿真分析，总结柱上开关式电分相发生异相短路时的特征，为该情况下的牵引网异相短路专属保护定值计算提供理论依据。

1 牵引供电系统组成

牵引供电系统主要由牵引变电所（AT所）、分区所、牵引负荷及牵引网组成，如图1所示。

图1 高速铁路牵引供电系统结构

由于仿真模型主要用于分析电气特性，因此在组建牵引变电所仿真模型时，变电所中的设备只需考虑牵引变压器以及牵引变电所220 kV进线[10]。基于Matlab/ Simulink依照CRH380BG型动车组的各项技术参数进行牵引负荷建模，仿真分析不同数量的处于额定功率牵引工况下的动车组通过对牵引供电系统异相短路故障造成的影响[11]。

牵引网是牵引供电系统中由接触线（T）、正馈线（F）、钢轨（R）、大地、回流线构成的电能供应线路网的总称[12]。不同的牵引供电方式决定了不同的线路组合，本文所讨论的AT供电方式和DN供电方式均能满足高速铁路的供电要求[13]。在对牵引供电系统建立仿真模型的过程中需要对供电牵引网进行适当简化，由于本文单个供电臂的供电范围在大多数情况下为30 km左右，所以对供电牵引网的仿真可以采用由串接阻抗矩阵与并接导纳矩阵组成的集中参数的简单Π型电路模型进行等值代替。串联阻抗矩阵包含导线的自阻抗和导线之间的互阻抗；并联导纳矩阵包含导线之间或导线对地电容和漏电抗[14]。本文采用京哈高铁秦沈段牵引网的导线参数作为基础参数进行简化计算，如表1所示。

表1 京哈高铁牵引网导线型号及参数

经过对初始数据的计算和对串联阻抗矩阵的降阶，可以得出一个AT网8×8的串联阻抗矩阵，其中串联阻抗矩阵自阻抗、互阻抗计算式为

上下行线路之间的互阻抗只需要将式（3）中值改为相应线路的距离即可计算得出。由于本文采用了AT和DN两种牵引供电方式，而DN牵引供电方式不含正馈线（F），可将DN牵引网简化为6×6矩阵，限于篇幅计算结果不再展示。

2 柱上开关式电分相异相短路机理

为了避免动车组通过电分相时产生高阻电弧导致异相短路，同时改善分区所工作状况并实现分区所的无人值守，牵引供电系统电分相可以采用一种新型柱上开关式电分相，将车载主断路器的功能转移到柱上开关式电分相，进而减轻机车工作压力。首先，新型柱上开关式电分相必须保持传统柱上开关式电分相的功能，即供电臂末端上下行并联和越区供电的功能。同时，新型柱上开关式电分相在中性段处未设置相间主绝缘，使得动车组得电时间最长，失电时间最短。

2.1 动车组通过柱上开关式电分相过程分析

图2为柱上开关式电分相示意图，当动车组由α相接触网向β相接触网行驶，且动车组驶过α相接触网位置1时，断路器QF1合闸，此时中性段由α相接触网提供电能；当动车组驶过中性段位置3时，断路器QF1分闸，此时中性段为电中性；当动车组驶过中性段位置4时，断路器QF2合闸，此时中性段由β相接触网提供电能；当动车组驶过β相接触网位置6时，断路器QF2分闸，此时中性段恢复电中性。动车组由β相接触网向α相接触网行驶时断路器分合闸顺序则与上述过程相反。

图2 柱上开关式电分相示意图

2.2 发生金属性异相短路的几种可能性

（1）断路器QF1、QF2同时误合闸导致α相、β相接触网异相短路（该情况下，中性段区域可以有动车组通过也可以没有动车组通过）；

（2）当动车组位于α相接触网与中性段交点处即位置2时，断路器QF2误合闸，导致接触网在位置2处发生异相短路；

（3）当动车组位于β相接触网与中性段交点处即位置5时，断路器QF2误合闸，导致接触网在位置5处发生异相短路。

3 牵引网异相短路仿真分析

根据第1节的计算结果搭建牵引供电系统仿真模型。经仿真验证，AT侧牵引变电所出口处正馈线电流与接触线电流相等，DN侧牵引变电所进出线电流相等，自耦变压器上下两部分绕组电流均相等。因此，所建模型电流分布符合AT与DN方式的供电原理，且空载情况下，AT侧牵引网电压峰值为38.87 kV，DN侧牵引网电压峰值为 38.91 kV，能够反映牵引网的实际电压水平，证明了该仿真模型的合理性。

由于2种供电方式上下行均采用全并联，所以上行和下行发生异相短路时情况相同，故本文只对上行电分相处发生异相短路的情况进行讨论。表2为正常情况下AT侧与DN侧牵引网电压以及相间电压数据。

表2 牵引网正常电压关系

3.1 供电臂内无动车组时的异相短路

由于牵引供电系统采用工频交流供电，频率为50 Hz，即周期为0.02 s。当短路故障发生在一个周期时间内（即0.02 s内）的不同时间点时，可能会对电压电流造成不同程度影响，且如果以一个确定的时间点为基准（本文是0.1 s），在每0.02 s内的各时间点短路时的电压电流应完全相同。而短路电流准确的最大值和最小值对相关的继电保护整定计算意义重大。所以针对供电臂内无动车组通过时，比较0.1，0.101 7，0.102 5，0.103 3，0.105 s发生异相短路时的电压电流关系，如表3所示。可以得知，牵引网在0.105 s时发生异相短路造成的短路电流最大，为894.8 A，

表3 供电臂无动车组时异相短路仿真计算结果

3.2 供电臂内有动车组时的异相短路

为了分析不同数量的动车组对异相短路造成的影响，对表格进行简化，使对比重点更清晰，仿真过程中统一将电分相处异相短路时间点设置为0.105 s，其他时间点造成的影响不再赘述。

当供电臂长度为30 km，列车速度达到 300 km/h，列车追踪时间间隔为3 min时，牵引网最多有四车运行，即上下行供电臂各有一对车运行。在电分相处有无动车组的情况下分别对比电分相左右2个供电臂在单车，双车和四车运行情况下的相关数据，如表4所示。

表4 异相短路仿真计算结果

3.3 仿真数据结果分析

（1）一个周期内不同的短路起始时间点对电分相处各电压和短路电流的有效值和相位角均会产生不同程度的影响。

（2）DN侧的牵引电压降低受异相短路影响最小，AT侧牵引电压降低次之，供电臂相间电压降低最为明显，其有效值最大降低近7 kV。AT侧牵引电压相位移动最小，约2°，供电臂相间电压相位移动约7.7°，DN侧牵引电压相位移动约10°。

（3）每个供电臂内的动车组数量以及电分相处有无动车组对电压电流值和相位角的影响很小，远低于异相短路造成的影响，且电压电流数值都将随动车组数量的增加而减小。

（4）综合比较所有数据，AT侧牵引电压最低可降至24.82 kV，降落了2.67 kV；DN侧牵引电压最低可降至24.50 kV，降落了3.01 kV；供电臂相间电压最低可降至20.42 kV，降落了7.09 kV；短路电流最低900.7 A，最高1 020 A。

（5）谐波畸变率（THD）与供电臂内动车组的数量以及电分相处是否有动车组通过并未显示明显的关联。但比较所有数据可以发现，在每种异相短路情况中，总谐波畸变率由小到大依次为：AT侧牵引电压、DN侧牵引电压、供电臂相间电压、短路电流。其中，短路电流的谐波畸变率最高且比较稳定，集中分布在16.71～21.35%之间，AT侧牵引电压谐波畸变率在2.38～3.78%之间，DN侧牵引电压谐波畸变率在3.77～7.92%之间，相间电压谐波畸变率在6.34～9.32%之间，而各特征值中3、5次谐波含量并不特别明显。

4 结语

本文针对基于柱上开关式电分相的接触网异相短路的不同故障进行了理论分析，并对其进行数学建模及机理探讨，最后采用Matlab/ Simulink软件进行仿真分析，得到了AT侧与DN侧牵引电压、接触线相间电压、短路电流、谐波含量等电气指标仿真结果。结果表明，AT牵引供电系统与DN牵引供电系统之间发生异相短路时，AT侧与DN侧牵引电压以及供电臂相间电压均会降低，其中供电臂相间电压降落最大；短路电流最低为900.7 A，最高为1 020 A，且短路电流中谐波含量较高，为20%左右。该结论可为异相短路专属保护整定值计算提供参考。

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Theoretical analysis, mathematical modeling and mechanism researches are performed for different processes for short circuit between different phases of OCS with mast mounted switch type phase break, electrical parameters of traction voltages at AT side and DN side, voltages between phases of contact wire, short circuit current, content of harmonics are obtained after simulation and analysis by application of Matlab/simulink software; the simulation results show that the voltage between phases of power supply section will be dropped at AT side, DN side and power supply section when there is short circuit between different phases of AT traction power supply system and DN traction power supply system, with maximum voltage drop between phases of power supply section, maximum content of harmonics in the short circuit current. These will provide references for dedicated calculation of protection setting values.

Traction power supply system; short circuit between different phases; Matlab/Simulink simulation; mast mounted switch type phase break

U226.5

B

1007-936X(2018)02-0034-05

2017-07-11

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.008

江东杰.大连交通大学电气信息学院，硕士研究生，研究方向为牵引供电技术；金 钧.大连交通大学电气信息学院，副教授。