市域铁路贯通同相供电系统继电保护方案配置

李鲲鹏，钟 帆，赵云云，冯 超，易 东

(1.西南交通大学电气工程学院,成都 611756; 2.广州地铁设计研究院股份有限公司,广州 510010)

引言

为有效解决我国现行市域铁路存在的过分相及以负序为主的电能质量等问题[1],借助现代电力电子技术,实现市域铁路的贯通同相供电是必由之路[2]。

目前贯通同相供电方案有组合式同相供电、全交直交供电、虚拟同相柔性供电等,其中,组合式同相供电方案将牵引变电所的两个主要供电设备——牵引变压器和同相补偿装置分为相对独立的两个部分,而二者在功能上又能相互配合以牵引变压器为主要供电设备,补偿装置辅助供电的同时补偿负序电流[3];全交直交供电系统由牵引变电所和牵引网构成,牵引变电所由三相(降压)变压器和三相/单相交-直-交变流器(也称“潮流控制器PFC”[4])串联而成,牵引网仍用50Hz工频供电;虚拟同相柔性供电系统在牵引变电所处采用基于三相-两相牵引变压器的同相供电方案,分区所采用柔性过分相方案[5-6]。

组合式同相供电+分区所双边供电的特点在于组合式同相供电技术可实现采用单相变压器配合必要的、最小容量补偿装置的一种同相供电技术,能够在对负序和无功进行治理的同时,连通牵引变电所左右两侧的牵引网;新型双边供电技术能够连通分区所左右两侧的牵引网,使机车不断电过分相,配合外部电源方案,使其对电力系统的影响降到最低[7],因此,对此方案进行分析。

市域铁路采用贯通同相供电后,牵引供电系统结构改变,故障电流的大小、方向都较单边供电时不同,因此,传统保护方案不再适用于贯通同相供电系统[8]。文献[9]针对单边AT供电方式设计了牵引网的保护;文献[10]探究了铁路双边供电后对电力系统侧保护的影响;文献[11-12]探讨了贯通同相供电系统中电力电子设备的保护配置;文献[13]针对贯通同相供电系统设计了馈线保护。

但以上对牵引供电系统保护的探究均针对其中某一个环节,未对整个系统的保护进行探讨,因此,本文首先介绍了贯通同相供电方式中的组合式同相供电+分区所双边供电方案的拓扑结构,对组合式同相供电+分区所双边供电方案进行分析,通过建立该系统的数学模型,对牵引变电所高压侧及牵引网不同位置短路电流进行计算;以某市域铁路为例,利用仿真对理论分析进行验证;最后通过分析结果,在传统继电保护方案上进行改进,配置一套继电保护新方案。

1 同相供电系统结构及数学模型

贯通同相供电系统的牵引变电器采用一次侧中点抽出式单相变压器,与同相补偿装置的高压匹配变压器HMT形成不等边不等容斯科特接线,牵引变压器低压侧与低压匹配变压器并联接到27.5 kV母线上,连通牵引变电所左右两侧的牵引网和分区所左右两侧的牵引网形成全线贯通如图1所示。

图1 贯通同相供电系统结构

图2 贯通同相供电系统数学模型

2 故障分析

市域铁路发生的故障可分为系统侧故障和牵引侧故障。在电气化铁路同相供电的情况下,系统侧故障时,牵引网也会有一部分故障电流经牵引变压器流向故障点,可能会对继电保护装置产生影响;牵引侧故障时,故障点左右两牵引变电所都会向故障点注入短路电流。系统侧故障和牵引测故障时短路电流都较单边供电时不同,因此,分别对系统侧和牵引侧进行故障分析(系统侧以牵引变电所高压侧进线故障为例,牵引侧以牵引网故障为例)。

2.1 牵引变压器进线单相接地短路

当采用贯通同相供电方案后,牵引变压器高压侧进线发生故障时,变压器低压侧也成为电源侧,向短路点注入电流;牵引变电所27.5 kV馈线故障时,牵引变压器低压侧、相邻牵引变电所馈线均会向短路点注入电流。以高压侧进线故障为例进行短路分析,当发生单相接地短路时,短路点将进线阻抗分割为Zjk1和Zjk2,如图3所示。

图3 单相接地短路模型

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 牵引变压器进线两相接地短路

如图4所示,牵引变压器的进线发生两相接地短路故障,同样变压器低压侧与高压侧均会向短路点注入电流。

图4 两相接地短路模型

(8)

在故障瞬间,C相为非故障相,依然在为系统提供补偿电流。因此,当牵引网空载运行,求得牵引网电流折算到高压侧如式(9)所示,具体公式分析同单相接地短路。

(9)

(10)

(11)

2.3 牵引变压器进线两相相间短路

图5 两相相间短路模型

(12)

(13)

(14)

2.4 牵引网短路

当牵引网发生金属性短路时,牵引网上无均衡电流通路,因此,同相供电系统的短路电流可看作单边供电系统故障电流的叠加。如图6所示,设牵引变电所SSk与故障点d点的距离为Lk,牵引变电所SSk+1与故障点d点的距离为Lk+1,两牵引变电所之间的距离为L。接触网和钢轨等效阻抗的单位阻抗为Zq[16]。

图6 牵引网短路模型

(15)

(16)

(17)

3 仿真分析

针对某市轨道交通设计一条3个牵引变电所实施贯通同相供电的线路如图7所示。

图7 贯通供电线路

图中1、2、3号三个牵引变电所通过组合式同相供电+双边供电方案,在原分区所的位置通过合断路器实施双边供电来达到3个牵引变电所两两贯通同相供电运行的目的,4号牵引变电所作为备用,以此结构为例进行具体的实例故障分析,根据上文贯通同相供电系统的理论分析以及线路的系统电网架构图在软件etap中建立相应的故障仿真模型[17],如图8所示。

图8 某轨道交通线路供电系统故障仿真模型

在牵引网空载的情况下,对系统中不同位置的母线发生三相接地短路、相间短路、两相接地短路、单相接地短路进行了仿真分析,以表1所示的1号变电站线路仿真结果为例。

表1 某市域铁路供电系统故障仿真结果

通过仿真结果可以发现,牵引变电所27.5 kV母线发生故障时,牵引网流过的故障电流占故障电流的百分比最大为55.50%;牵引变电所110 kV母线发生故障时,牵引网流过的故障电流占故障电流的百分比最大为10.53%;牵引变电所上级变电站110 kV母线发生故障时,牵引网流过的故障电流占故障电流的百分比最大为3.26%;牵引变电所上级变电站220 kV母线发生故障时,牵引网流过的故障电流占故障电流的百分比最大为0.44%;牵引变电所上级变电站110 kV侧带的其他电力负荷发生故障时,牵引网流过的故障电流占故障电流的百分比最大为3.26%。

根据故障分析和仿真结果,得出当牵引侧发生故障时,牵引网流过的故障电流占故障电流的百分比相对较大,需配置牵引供电系统的保护方案;而系统侧发生故障时,牵引网流过的故障电流占故障电流的百分比很小,系统侧继电保护装置的动作不会受到影响,不需要调整电力系统的继电保护装置。因此,需针对线路中不同位置、不同电压等级的母线、馈线确定相应的保护配置。

4 保护配置方案

在市域铁路采用贯通同相供电的情况下,通过上文计算可以发现,发生故障时对牵引供电系统继电保护装置有一定影响,而电力系统基本不受影响,因此,牵引供电系统传统的保护方案将不再适用,贯通同相供电方式下,牵引供电系统继电保护配置如表2所示。

表2 贯通同相供电保护配置方案

实施贯通同相供电后,继电保护配置的原则如下。

(1)牵引变电所进线保护配置

牵引变电所进线在贯通同相供电方式下较单边供电增加了差动保护[18]、距离保护(备自投启动逻辑改为故障启动)。

牵引变电所在贯通同相供电方式下,牵引变电所高压侧进线发生短路时,变压器低压侧也成为电源侧,向短路点注入电流,需同时使相邻牵引变电所馈线断路器和牵引变电所内的进线断路器跳闸,因此,可以在牵引变电所内为进线增设差动保护、距离保护。同时,由于单边供电时牵引变电所进线故障为失压启动备自投,但在贯通同相供电方式下,牵引变电所进线故障时牵引变压器高压侧依然有电压,故需要将牵引变电所进线的备自投启动逻辑改为故障启动备自投,且投切后的进线所连接的电源也需满足补偿后相位一致的要求。如果无法满足或备自投失败,则建议将该牵引变电所退出贯通运行,由备用牵引变电所启动,继续进行贯通供电。

(2)牵引变电所27.5 kV母线保护配置

牵引变电所27.5 kV母线在贯通同相供电方式下较单边供电增加了母线差动保护。

当牵引变电所27.5 kV母线发生短路时,由于与母线相连的进、馈线均会向母线注入短路电流,需跳开与母线相连的所有回路断路器。而馈线注入的短路电流实际为相邻牵引变电所越区时的末端短路电流,一般不会太大,系统短路容量较小时,短路电流甚至比机车电流还小,因此,馈线的过电流保护灵敏度很低,在母线发生短路时不能确保保护动作。需设置低电压启动的带方向的过电流保护、母线差动保护[19-20]作为27.5 kV母线的保护。同时,当主变低压侧电流互感器与断路器间发生短路时,同样需利用母线差动保护将与母线连接的所有回路断路器跳开,断路器动作后,备用变压器自动投入,若仍然发生故障,则退出当前牵引变电所,由备用牵引变电所代替进行贯通供电。

综上,贯通同相供电时需在牵引变电所27.5 kV母线上设置低电压启动的带方向的过电流保护、母线差动保护。

(3)牵引变压器保护配置

既有牵引变压器设有差动保护作为牵引变压器主保护,正常运行时,变压器高低压侧折算电流仍相等,差动保护范围内发生故障时,两侧注入故障点的电流差值增大,变压器差动保护仍能可靠动作,因此,维持既有变压器保护不变。

(4)牵引变电所27.5 kV馈线保护配置

牵引变电所27.5 kV馈线在贯通同相供电方式下较单边供电增加了距离I段联跳保护。

距离I段联跳保护整定可到2个牵引变电所距离的80%[21],当故障在两个牵引变电所距离I段范围内时,两个牵引变电所都会立即跳闸,且不受通信限制;当故障在1个牵引变电所距离I段范围内时,该所馈线保护动作的同时通过所间通信通道向相邻分区所发送联跳信号。检查出故障位置后,由备用馈线投入运行,两回馈线都检修时,由备用牵引变电所投入继续实施贯通供电。

(5)牵引网保护配置

贯通同相供电能够连通分区所和牵引变电所左右两侧的牵引网,牵引网上只要有一个地方发生故障,整条线路都会受到影响,情况严重时,甚至还会使牵引网停止运行,这不利于列车安全可靠运行。因此,能够快速且准确地判断牵引网故障的类型,以及其发生故障的位置十分重要,这有利于故障的快速切除,使牵引网上非故障区段的供电尽快恢复,能够提高牵引网的可靠性。将采用牵引网分段供电与测控技术,在(采用)贯通同相供电以后,将其作为牵引网的主要保护方案[8]。

牵引网分段示意如图9所示,分段可根据具体情况进行划分,常见方式如下。

图9 牵引网分段示意

(1)自然分段处:分区所、复线铁路上下行、AT供电方式的AT段。

(2)以10 km左右的区间为单元对牵引网进行分段。

(3)接触网锚段可视为一个最小分段。

(4)贯通同相供电的两个牵引变电所之间可视为一个最大分段。

分段的两端设置分段所,分段所内设并联电压互感器,其测量电压为Ui和Uo,分段器Si与So上并接断路器Ki与Ko和对应的串联电流互感器,其测量电流为Ii和Io,利用以上数据,就可以对牵引网分段进行测与控。

使用纵联差动保护作为后备保护,当电压互感器检测到电压降低时计算两个相邻牵引变电所的电流和,整定值按躲过供电臂最大负荷电流整定确保保护能够可靠动作。

5 结论

实施贯通同相供电不仅可从根本上解决电分相和电能质量问题,还可带来提高供电能力、保障运输能力、提高系统可靠性等多方面效益。

本文主要对市域铁路实施贯通同相供电方式中的组合式同相供电+双边供电方案进行保护配置分析,通过对系统不同位置发生故障进行理论与仿真分析,得出结论:当牵引供电系统发生故障时,牵引网流过的故障电流占故障电流的百分比相对较大,因此,需配置牵引供电系统的保护方案;而电力系统发生故障时,牵引网流过的故障电流占故障电流的百分比很小,电力系统继电保护装置的动作不会受到影响,不需要调整电力系统的继电保护配置。

致谢：论文得到广州地铁设计研究院股份有限公司科技项目(R110421H01090)的大力支持,在此表示衷心感谢。