复线电气化铁路供电臂控制保护方案研究

摘 要：针对兰新线某牵引变电所试运行期间的一起馈线保护跳闸事故，介绍了采用直接供电方式的复线电气化铁路的特点，在分析传统的牵引变电所和分区所供电臂控制保护方案不足的基础上，提出了一种新型的供电臂控制保护方案。通过在全线各所亭之间增设专用数字通信通道，实现牵引变电所与分区所之间信息共享，达到快速切除供电臂故障和防止供电臂上各开关误操作的目的，提高了供电可靠性和调度自动化水平。

关键词：电气化铁路；牵引供电系统；供电臂；控制；保护

引言

2011年7月19日，兰新线某牵引变电所在试运行期间，变电所馈线断路器213距离保护I段动作，900ms后馈线断路器214电流增量保护动作，分区所上下行并联断路器272保护未动作。故障发生在213断路器对应的供电臂下行，按理说该故障应由馈线断路器213和分区所上下行并联断路器272之间的保护配合迅速切除，而不应影响上行供电臂的正常供电。变电所保护装置的跳闸报告显示，213馈线保护装置测出的短路阻抗为：R=14.52Ω，X=0.98Ω，距离保护电阻边界值整定为16.38Ω。供电臂全长18.41km，故障点距变电所2km左右，所以短路点的接地电阻值可近似为14.52Ω，接地故障性质为非金属性接地。分区所距短路点的距离较远，加之接地为非金属性接地，其测量到的短路阻抗值在距离保护的动作区域外，距离保护无法启动，导致事故范围扩大。

在复线电气化铁路中，变电所与分区所之间的距离通常在20公里左右，两所之间的开关无法采用电气闭锁防止误操作。所以牵引变电所V停作业时，经常由于误操作分区所的上下行并联断路器而将电送至停电区段，轻则烧毁接地封线，重则会危及人身安全，这种事故在很多铁路局都曾发生过。

为避免接触网故障时上下行相互影响和防止误操作分区所断路器，在复线电气化铁路开通初期，只要接触网末端电压能够满足规范要求，运营单位大多选择将分区所上下行并联断路器退出运行。

针对上述问题，文章提出了一种新型的复线电气化铁路供电臂控制保护方案，通过实现变电所与分区所之间信息共享，达到快速切除供电臂故障的目的和防止供电臂上各开关误操作。

1 复线电气化铁路的特点

在复线电气化铁路中，主要采用直接供电方式、BT（Booster Transformer）供电方式和AT（Autotransformer）供电方式。铁路沿线一般每40至50公里设置一座牵引变电所，牵引变电所之间设置分区所，上下行供电臂在分区所通过断路器实现并联。当供电臂上发生故障时，通过牵引变电所馈线断路器和分区所上下行并联断路器对应的保护装置在保护定值和动作时限方面的配合实现故障的快速隔离和恢复供电[1-3]。

以兰新线乌西至阿拉山口段电气化改造工程所采用的直接供电方式为例，其供电臂示意图如图1所示。当断路器211、212合闸向接触网正常供电时，合分区所上下行并联断路器271；当相邻两牵引变电所的211、212、213、214馈线断路器均处于分闸状态时，分区所2001、2002越区隔离开关可进行分合闸操作。分区所的运行方式完全由相邻的牵引变电所决定。

图1 直接供电方式供电臂示意图

2 传统控制保护方案及其缺点

2.1 传统控制保护方案

传统的保护方案是在牵引变电所和分区所中分别设置馈线保护测控装置，直接动作于对应的断路器。牵引变电所和分区所的馈线保护测控装置通过保护定值和动作时限的配合来满足继电保护的选择性，同时，牵引变电所的馈线保护作为分区所馈线保护的远后备保护。

目前电气化铁道牵引供电系统的控制方案一般都是通过继电器逻辑回路实现对开关设备的控制、断路器与隔离开关的联动和联锁。

2.2 传统控制保护方案的缺点

由于各牵引变电所、分区所等所亭的控制保护装置各自构成一个独立的系统，相互之间没有信息交换，只与牵引调度中心进行信息交换[4-6]。因此，必然会存在以下几个问题：（1）在某些故障情况下，分区所馈线保护易拒动，导致故障范围扩大；（2）缺乏供电臂内牵引变电所馈线断路器与分区所开关的联锁，易误操作；（3）缺乏供电臂内牵引变电所馈线断路器与分区所开关的条件控制能力，系统不具备自动工况控制功能，供电臂运行方式的改变只能通过人工完成。

3 新型控制保护方案

为了解决传统控制保护方式存在问题，文章提出了一种新型的复线电气化铁路供电臂控制保护方案，基本思想是：利用远动通道或专用数字通道实现牵引变电所和分区所之间的信息共享，使分区所上下行并联断路器与变电所的馈线断路器实现联跳，达到快速切除故障线路的目的，防止事故范围扩大；增加软件闭锁功能实现牵引变电所馈线断路器和分区所开关之间的联动和联锁，防止误操作。

变电所馈线断路器通过远动通道或专用通信通道与分区所上下行并联断路器实现联跳，即变电所馈线保护或分区所保护装置任何一方在接收到对方发出的动作信号后，即启动跳闸回路。断路器联跳保护在地铁馈线保护中已经得到了广泛的应用[7-8]，只是实现的方式与文章所采用的不同。为保证控制保护的可靠性，笔者推荐采用2M专用通信通道将全线牵引变电所和分区所贯通，不必成环网。该控制保护方案的网络结构如图2所示。

图2 网络结构图

3.1 保护方案

以图1所示的供电臂为例，分正常供电变电所馈线断路器先动作、正常供电分区所上下行并联断路器先动作和越区供电三种情况说明。

3.1.1 正常供电变电所馈线断路器先动作

当下行方向供电臂上发生故障且变电所馈线保护测控装置先检测到故障，供电臂的保护方案如下：

（1）211馈线保护测控装置检测到故障信息，给211断路器发出跳闸命令，同时通过专用通道给271断路器保护测控装置发跳闸信号；

（2）271断路器保护测控装置收到变电所馈线跳闸信号后，控制271断路器跳闸；

（3）211馈线保护测控装置启动一次重合闸，如重合闸成功，则给271断路器保护测控装置发重合闸信号启动271断路器重合闸；反之，则不启动。

如上行方向供电臂上发生故障时，212馈线保护测控装置给212断路器发出跳闸命令，同时通过专用通道给271断路器保护测控装置发跳闸信号，其保护方案与下行供电臂故障时相同。

3.1.2 正常供电分区所上下行并联断路器先动作

（1）271馈线保护测控装置检测到故障信息，给271断路器发出跳闸命令，由故障电流的方向判断故障发生在上行还是下行，通过专用通道给相应的变电所馈线保护测控装置发跳闸信号；

（2）变电所馈线保护测控装置收到分区所保护跳闸信号后，控制馈线断路器跳闸；

（3）变电所馈线保护测控装置启动一次重合闸，如重合闸成功，则给271断路器保护测控装置发重合闸信号启动271断路器重合闸；反之，则不启动。

3.1.2 越区供电

越区供电时分区所上下行并联断路器打开，变电所馈线保护采用越区供电的整定值，供电臂发生故障时变电所馈线断路器保护跳闸切除故障的同时，不给分区所发联跳命令。

3.2 控制方案

牵引变电所和分区所之间通过专用通道实时传送各自的开关位置信息，在馈线保护测控装置里增加各开关的软件闭锁。以211、271断路器和2001越区隔离开关为例：

211断路器原合闸条件为：2111隔离开关合闸；

271断路器原合闸条件为：2711、2712隔离开关合闸；

2001越区隔离开关原来的合分闸条件为：两侧母线电压互感器无压；

在新的控制方案里将原来的电气闭锁改为软件闭锁，考虑分区所两侧两个供电臂上所有断路器、隔离开关的联锁，修改后的闭锁条件如下：

211断路器合闸条件为：2111隔离开关合闸、271断路器分闸；

271断路器合闸条件为：2711、2712隔离开关合闸，211、212断路器合闸，当合闸条件满足时271断路器自动合闸，提高调度自动化水平；

2001越区隔离开关合分闸条件为：211、213、271、272断路器分闸。

变电所和分区所之间的开关相互闭锁，从技术上杜绝误操作。同时，越区隔离开关的合、分闸操作不再与电压互感器的电压继电器闭锁，从而可以取消分区所内电压互感器的设置，减少故障点，提高分区所的供电可靠性。为实时监测接触网末端电压，则可保留1台电压互感器。

4 结束语

直接供电方式具有结构简单、投资低、运营维护工作量小的特点，是我国电气化铁路应用最为广泛的供电方式。分区所作用的正常发挥对于降低接触网压损和减少接触网电能损耗意义显著。文章针对采用直接供电方式的复线电气化铁路提出的新型供电臂控制保护方案克服了分区所传统控制保护存在的诸多缺点，在提高分区所的供电可靠性的同时提高了整个牵引供电系统的可靠性。该方案对于采用其他供电方式的复线电气化铁路同样适用。

在具体实施方面仍有许多问题需要继续研究，文章为复线电气化铁路供电臂控制保护方式的研究提供了一种新的思路，起抛砖引玉之作用。

参考文献

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[3]熊列彬.全并联AT供电方式下供电臂保护控制方案[J]. 电力系统自动化， 2006，30（22）：73-76.

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作者简介：蒋功连（1981-），男，广西桂林人，硕士，工程师，从事电气化铁道牵引变电设计的研究工作。