全并联AT牵引网广域保护方案分析和改进

陶孟兴，韩正庆，高仕斌

0 引言

截至2019年底，我国高速铁路营业里程已达3.5万公里，在“十三五”期间及以后的中长期内，我国高速铁路还将大规模发展。

牵引供电系统变电所综合自动化系统作为铁路安全运行的“保护神”，目前大多采用基于单点信息的保护方案。但以京张高铁、京雄高铁为典型代表的新一代智能高铁，开创性地应用广域保护测控系统建立了以供电臂为单元的牵引网广域保护方案，实现了故障供电臂的快速隔离，标志着变电所综合自动化系统逐渐向智能化方向发展[1]。这无疑也要求牵引网广域保护系统需要具备极高的可靠性，各所间保护范围的配合能够准确无误地识别故障行别。

1 全并联AT牵引网广域保护方案

高速铁路的供电方式多采用全并联AT供电方式，如图1所示，其中1QF～6QF分别为安装在变电所、AT所和分区所的断路器，并分别在变电所、AT所和分区所实现并联连接。

图1 全并联AT供电方式简图

全并联AT牵引网广域保护方案在变电所、AT所和分区所均投入距离保护和联跳保护，其中保护1、3和5共同构成上行供电臂的整体保护，保护2、4和6共同构成下行供电臂的整体保护[2]。变电所距离保护和联跳保护逻辑如图2、图3所示，AT所距离保护方案逻辑如图4所示。

图2 变电所距离保护逻辑

图3 变电所联跳保护逻辑

图4 A T所距离保护逻辑

图中T为保护延时，目前工程上一般整定为20 ms[3]。AT所和分区所联跳保护逻辑与变电所联跳保护类似，分区所距离保护逻辑与AT所距离保护类似。

广域保护的过程：任一距离保护检测出故障出口动作的同时，均向同行供电臂的其他保护发送断路器联跳命令，任一保护收到联跳命令均立即发出相应断路器跳闸命令；此外，AT所和分区所检测出非本行别故障时需向本侧变电所发送断路器闭锁命令，通过变电所、AT所和分区所距离保护整定值设定不同保护范围Lss、LAT和Lsp（图5），共同配合完成所在行别整个供电臂的保护，实现故障发生时的选择性跳闸。

图5 各所距离保护范围示意图

实际上，由于自耦变压器漏抗的存在，AT所的距离保护范围并不能包含变电所出口区域，原因将在下文阐述。故当故障发生在上（下）行变电所出口处，变电所处非故障行别由于收不到闭锁信号而跳闸，导致整个供电臂停止供电，保护失去了选择性。

2 死区原因分析

2.1 计及自耦变压器漏抗的AT等值电路

文献[4]中推导的AT等值电路利用戴维南定理消去自耦变压器，将全并联AT牵引网电路（图6）等效为由等值接触线（T）、等值钢轨（R）、等值正馈线（F）和一连接在等值钢轨（R）和等值正馈线（F）之间的漏抗Zg组成的电路（图7）。当计及自耦变压器漏抗时，该等值电路能直观地展现：牵引负荷或故障在任一AT段取流时，除相邻的2个AT间流经电流外，同一供电区间内其他AT段也会流经电流[5，6]。

图6 A T牵引网原始电路结构

图7 A T牵引网等值电路结构

根据戴维南定理推导，得到AT牵引网原始电路和等值电路参数的对应关系：

式中：ZT、ZR和ZF分别为T线、R线和F线自阻抗；为各导线间互阻抗；ZA、ZB和.ZC分别为等值T线、等值R线和等值F线阻抗。

2.2 测量阻抗推导

当变电所和AT所间发生故障时（以TR故障为例），全并联AT牵引网的等值电路如图8所示。

图8中X1为故障点至变电所的距离，D1为1AT段长度，D2为2AT段长度，其他电路参数如下：

图8 全并联AT牵引网的等值电路（1AT段内故障）

变电所、AT所的测量电压[7]（母线对地电压）如式（4）所示。

由等值电路图和电路的参数关系可知，等值T线 中 的电 流即 为各保 护的 测 量电流，且各保护的测量电流并不受自耦变压器漏抗的影响，故各保护测量电流为

当故障发生在变电所出口（即X1→0+）时，由Z3和Z4的计算式可知，AT所上下行的测量阻抗均趋近于∞，测量阻抗不会落入距离保护的动作范围内，故AT所距离保护在变电所出口附近存在保护死区。此外也可以看出，当故障发生在变电所与AT所之间时，分区所距离保护测量阻抗总是为∞，落在其动作范围外，即分区所距离保护不能保护变电所与AT所之间的线路。

同理，当AT所与分区所之间发生故障时，全并联AT牵引网的等值电路如图9所示。

由式（4）和式（5）可得变电所、AT所和分区所的测量阻抗分别为

图9 全并联AT牵引网的等值电路（2AT段内故障）

由等值电路图可知，各保护的测量电流并不受自耦变压器漏抗的影响，故各保护测量电流为

图9中X2为故障点至AT所的距离，电路参数如下：

变电所、AT所和分区所的测量电压：

其中，ZJ=ZN3+Zg+ 0.5D2ZC+ZH2+ZN2+ZH1。

由式（7）和式（10）可得变电所、AT所和分区所的测量阻抗分别为

故障发生在AT所出口（即X2→0+）时，由Z5和Z6的计算式可知，分区所上下行的测量阻抗均趋近于∞，测量阻抗不会落入距离保护的动作范围内，故分区所距离保护在AT所出口附近存在保护死区。当故障发生在分区所出口（即X2→D-）时，由Z3和Z4的计算式可知，AT所上下行的测量阻抗均趋近于∞，测量阻抗不会落入距离保护的动作范围内，故AT所距离保护在分区所出口附近存在保护死区。

3 改进方法

通过AT等值电路分析了自耦变压器漏抗造成AT所距离保护在变电所出口处存在死区的原因，同样通过AT等值电路可以发现，等值T线的电流即各保护的测量电流并不受自耦变压器漏抗的影响。由此特征可以对目前全并联AT牵引网广域保护方案进行改进，即对变电所的距离保护增加上下行电流比判据。改进后的变电所距离保护逻辑如图10所示，跳闸情况如表1所示。

图10 改进后变电所距离保护逻辑

表1 改进后变电所距离保护跳闸情况

从图10和表1可以看出，在变电所出口处发生故障时，该方案中非故障行别变电所距离保护因电流比远小于设定值0.1而不会出口跳闸，保证了动作的选择性。该判据简单直接，只需要变电所的电气量信息即可与现有逻辑并行判断，不会影响保护的速动性。

4 结论

本文利用AT等值电路推导了变电所、AT所和分区所的测量阻抗，说明了自耦变压器的漏抗导致目前全并联AT牵引网广域保护存在死区的问题。本文提出在变电所距离保护逻辑里增加上下行电流比这一判据，该判据不受自耦变压器漏抗的影响，只需要利用变电所的电气量信息即可实现，简单且易于实现，能够更加可靠地保证全并联AT牵引网广域保护的选择性跳闸。