新型AT供电牵引网故障测距方案

李岗，林国松，韩正庆

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

新型AT供电牵引网故障测距方案

李岗，林国松，韩正庆

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

全并联自耦变电器AT（auto transformer）供电方式在我国高速铁路、客运专线得到了大规模的应用。基于牵引变压器采用次边无中心抽头的单相变压器，在变电所处变压器次边中心不接入钢轨和地。采用广义对称分量法分析短路阻抗特性，绘制AT供电方式下T-R故障的短路阻抗与距离的曲线。证明常用的AT中性点吸上电流比测距原理不能完全适用于该供电方式，并提出了基于AT吸上电流比原理和上下行电流比原理的综合故障测距方案，基于Matlab/Simulink的仿真分析表明，测距原理准确、有效。

供电牵引网；供电方式；故障测距；中性点吸上电流比

近年来，高速铁路、客运专线在我国得到了飞速的发展，大量采用复线全并联自耦变压器AT（auto transformer）供电方式。此供电方式与传统的复线AT供电方式最大的不同在于其在上下行首末端并联的基础上，将AT变压器上下行对应线路并联起来，起到满足维持网压、提高运输能力等的作用[1]。此供电方式主变压器采用的是次边线圈带中心抽头的单相变压器，文献[2]对此从经济性和供电效果方面进行了分析，并指出其设计制造难度大和造价高的缺点，然后提出了一种新型的AT供电方式。本文采用广义对称分量法对新型AT供电方式模型进行研究，分析其短路阻抗和特性，绘制短路阻抗-距离曲线，指出既有应用于高速铁路的故障测距原理在新型AT供电方式下受到的影响，并提出适用于其运行方式的故障测距方案。

1 新型AT供电牵引网简介

全并联AT供电牵引网的采用上下行共用AT方式，将所有AT所处的上下行接触网T（trolly line）、正馈线F（feedback line）和钢轨R（rail）并联连接，供电方式可简化如图1所示，其中Tr为带中心抽头的单相变压器，CB1、CB2分别为下行、上行双极断路器，AT1、AT2分别为AT所、分区所的自耦变压器，T1、F1、R1分别为下行线路的接触网、正馈线、钢轨，T2、F2、R2分别为上行线路的接触网、正馈线、钢轨。文献[2]提出的新型AT供电方式见图2。其中，单相变压器次边输出电压2Eq=55 kV，AT1、AT2为线路上的自耦变压器，其他设备与全并联AT供电牵引网相同。在既有应用的全并联AT供电牵引网中，故障测距普遍采用AT中性点吸上电流比测距原理[3～6]。

图1 全并联AT供电牵引网Fig.1AT power traction network with parallel connection

2 新型AT供电方式短路阻抗分析

新型AT供电方式短路阻抗采用母线电压U˙TF和馈线电流-的比值计算端口阻抗，当供电网络发生金属性短路的时候，端口阻抗即为牵引网阻抗，即

由于线路横向元件AT和横联线的存在，除大地和钢轨外的上下行T、F线纵向元件在电路参数上并不完全对称，分析该新型AT供电方式牵引网，线路仍然具有相对的对称性，其中上行的T、F线可以认为是互相对称的两相，下行的T、F线也可以认为是互相对称的两相，基于该类型牵引网特点，可以采用广义对称分量法进行短路阻抗分析。以下分别把下行T、F线，上行T、F线称为2× 2相系统的A、B、C、D相。把T线、F线间电压看成两个Eq电势串联而成的中点不接地对称的两相理想电源，其中EA=-EB=Eq，所以有

对比新型AT供电牵引网与文献[6]所述的全并联AT牵引网，二者的区别在于变电所处是否存在自耦变压器，序网如图3所示。其中，z0′、z1′、z2′和z3′分别为0序、1序、2序、3序回路的单位阻抗[4]。两个串联的电源Eq无中点引出线，因此有

图3 复线运行方式序网Fig.3Sequence net at double lines running mode

根据新型AT供电牵引网序电流通路和电源序分量，当发生T1-R1短路故障，可以得到如图4的A相对地短路复合序网。其中，x为故障点距离故障AT段始端距离；L1、L2分别为第一、第二AT段的长度。设线路两个AT分段长度分别为9 km、15 km，新型全并联AT供电方式发生T1-R1短路故障时的短路阻抗－距离曲线[7]如图5所示。根据2×2相系统的对称性，当线路发生T2-R2、F1-R1、F2-R2故障时，其阻抗表现形式与T1-R1短路故障一致。可以看出，当发生T1-R1故障时，变电所出口测量短路阻抗与距离关系在第一AT段呈现递减特性，在第二AT段呈现AT供电牵引网的鞍型特性。新型AT供电方式与文献[8]所述的全并联AT供电方式的第一AT段的短路阻抗曲线不同之处在于前者为递减特性，后者为鞍型特性。短路阻抗参数为

图5 阻抗－距离特性曲线Fig.5Characteristics of the impedance-distance

3 故障测距方案与仿真

3.1 故障测距方案

对于图1所示的全并联AT供电方式，文献[8]验证了AT吸上电流比测距原理依然有效；当图1中的AT1、AT2退出运行，上下行处于非并联状态时，当线路发生故障，可以采用常规的电抗法测距[5]。以上两种测距原理已经在我国高速铁路和客运专线得到了广泛的综合性应用。

对于图2所示的新型全并联AT供电牵引网，由图5所示的阻抗-距离曲线可以看出，当牵引网发生故障，短路阻抗与故障距离不是单调增长的曲线，并且也不同于图1供电方式的鞍型曲线[8]。当线路AT1、AT2退出运行时，钢轨和大地与牵引变压器次边无电气连接，即使发生钢轨与T线或F线短接，也不会发生短路故障。因此，不能采用电抗法测距原理，又由于变电所无AT或由主变“虚拟”出的AT，所以不能采用AT中性点吸上电流测距原理。

考察如图2所示的新型全并联AT供电牵引网，可以分成两个AT段，其中T与AT1之间构成第一AT段，AT1与AT2之间构成第二AT段。考察第一AT段馈线出口处下行馈线电流和上行馈线电流分别为

根据前述T1、F1、T2、F2分别对应复合序网的A、B、C、D四相。当T故障发生在第一AT段下行线路（T1-R1故障），根据广义对称分量原理，有

考察第二AT段，可以看出，其结构与图1所示的全并联AT供电牵引网一致。采用的AT中性点吸上电流比测距原理[5]为

当新型AT供电方式AT段数量增加的时候，增加的各段属性和第二AT段相同，同样可以采用AT中性点吸上电流比测距原理。

3.2 仿真分析

根据图2，构建基于Matlab/Simulink的复线新型全并联AT供电方式仿真模型，主要元件所采用的参数为系统电源电压：220 kV；系统阻抗：0.5+ j4.71Ω；单相变压器容量：40 MVA，220/55 kV；AT变压器容量：32 MVA；AT漏抗：0.15+j0.6Ω；AT段线路长度：9 km、15 km；过渡电阻：10 Ω。

根据式（11）、式（12）计算的仿真结果如表1所示。

表1 T1-R1故障测距结果Tab.1Results of T1-R1 fault locationkm

在不同的过渡电阻、不同的故障类型（T2-R2、F1-R1、F2-R2故障）条件下，得到同样的故障测距结果，在此不再赘述。

根据表1仿真结果表明，当线路发生T1-R1故障时，AT中性点吸上电流比原理测距结果较上下行电流比误差大，这主要是由于AT吸上电流比测距原理受AT漏抗和线路参数影响相对大些[5]，但总体说来，仿真测距误差不超过0.05 km。

4 结语

本文采用广义对称分量法分析了具有两个AT段的新型AT供电方式牵引网，简化该供电方式的AT和横联线，并对线路去耦。分析新型AT供电方式牵引网短路阻抗距离特性表明，第一AT段呈现递减特性，第二AT段呈现鞍型特性，第二AT段与常规的全并联AT供电方式类似。

根据对新型AT供电方式故障复合序网图的分析，推导上下行电流比测距原理公式。最后提出在第一AT段采用上下行电流比原理，第二AT段采用AT吸上电流比原理的测距方案。基于Matlab/Simulink的仿真分析表明，该测距方案准确、有效。

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[8]林国松（Lin Guosong）.牵引供电系统新型保护与测距原理研究（Study on Novel Protection and Location Schemes for Traction Power Supply System）[D].成都：西南交通大学电气工程学院（Chengdu：School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University），2010.

Fault Location of Novel AT Power Traction Network

LI Gang，LIN Guo-song，HAN Zheng-qing
（School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The AT（Auto Transformer）power supply mode with parallel connection is applied on high railway and dedicated passenger lines in our country on a large scale.The traction transformer is single phase without neutral terminal in secondary side and the mid-point in secondary side is not connected with the rails and earth.Based on the generalized method of symmetrical components，the short-circuit impedance was analyzed.The impedance characteristic curves of T-R fault are plotted.The usual fault location principle based on ratio of AT boosting currents at mid-point is not perfectly adapted to this power supply system.A new fault location comprehensive scheme based on ratio of AT boosting currents and ratio of up-down line currents is put forward.Simulation analysis on Matlab/Simulink indicates that the fault location principle is accurate and effective.

power traction network；power supply mode；fault location；ratio of boosting currents at mid-point

TM773

A

1003-8930（2013）03-0031-04

李岗（1972—），男，博士研究生，讲师，研究方向为变电站综合自动化系统和智能信号处理。ligang@home.swjtu.edu.cn

2012-03-29；

2012-06-07

国家自然科学基金项目（50907055）；铁道部科技研究开发计划项目（2011J023-C）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（SWJTV12CX034）

林国松（1974—），男，博士，副教授，研究方向为继电保护、故障测距和变电站自动化系统。Email：linguosong@tom.com

韩正庆（1977—），男，博士，副教授，研究方向为继电保护与变电站综合自动化。hanzhengqing@swjtu.cn