基于铁路牵引网供电臂的纵差保护方案研究

葛海波，周小金，郭 华



基于铁路牵引网供电臂的纵差保护方案研究

葛海波，周小金，郭 华

提出了一种全并联AT分段供电方式下基于供电臂的纵差保护方案，该方案可选择性地切除供电臂的故障区段，提高牵引供电的可靠性和灵活性。

数据同步；纵差保护；AT供电；分段保护

0 引言

目前，我国高速铁路（客运专线）供电系统多采用“串接”的全并联AT供电方式。该供电方式能显著提高供电能力，但其复杂的结构也致使继电保护装置在故障识别和保护配合方面存在一定难度。目前针对“串接”的全并联AT供电方式，设计单位为达到继电保护设备配合简单且整定计算方便的目的，常采用供电臂有故障时，变电所上下行同时切除，AT所和分区所通过失压保护解列，最后采用重合闸方式恢复无故障侧的继电保护方案。文献[1，2]中提出一种划分缩小供电单元、分段供电的方法，提高供电灵活性。本文根据这种分段供电方式，提出一种基于铁路供电臂的纵差保护方案，该方案相比目前常用的继电保护方案具有更好的选择性和灵敏性。

1 全并联AT供电与分段供电方式比较

1.1 高铁全并联AT供电方式

目前，我国高铁（客运专线）大多采用图1所示的全并联AT供电方式。

由从图1可以看出，供电臂上下行在AT所和分区所通过断路器实现并联，且1QF—6QF均为双极断路器。该供电方式下，我国高铁（客运专线）常规继电保护装置配置及继电保护方案为：1QF—6QF每处均配置1台继电保护装置。假设在1点供电臂发生故障，AT所处牵引网并联导致1QF和2QF处安装的继电保护装置采集的故障电压、电流均相同，导致1QF和2QF处安装的继电保护装置的距离（过流）保护均动作，随后3QF—6QF处继电保护装置失压，保护动作后供电臂上下行解列，故障切除。2QF、4QF、6QF通过检有压重合闸恢复上行供电，下行线路2个AT段均失电。从上面的继电保护装置配合方案可以看出，图1所示的供电方式在1点发生故障时，1QF、2QF会同时跳闸，导致非故障侧（上行）线路失电，且为了切除AT所至分区所处的故障必须断开1QF，导致下行变电所—AT所和AT所—分区所2个区段均失电，选择性较差。

图1 全并联AT供电方式供电臂简化示意图

1.2 分段供电方式

文献[1，2]中提到的分段供电方式见图2。图2中1QF—16QF均为单极断路器，将整个供电臂划分为8个小段。假设在1点供电臂发生故障，如继电保护装置能识别故障处于第⑤分段，那么只需断开9QF和13QF即可将故障切除，其余7个小段仍可正常供电。通过对全并联AT供电和分段供电2种方式比较，可以得出分段供电方式在分段切除故障方面具有更好的灵活性。

图2 全并联AT分段供电方式供电臂简化示意图

2 分段供电方式下的纵差保护方案

2.1 故障识别

假设供电臂中存在1短路点，各分段电流及流向如图2所示。定义每个分段的差动电流为

从图2可以看出，当第⑤分段1点存在接地故障时，根据式（1）计算差动电流为

非故障分段中第①分段的差动电流为

（3）

其余非故障分段和第①分段的差动电流一样，均为0。

由上述分析得出，通过计算CD的大小即可判别各分段有无故障。可以反映分段故障的保护判据为

CD＞set1（4）

set1为整定门槛值，整定值可根据供电臂最大负荷电流并考虑可靠系数确定。

2.2 差动保护辅助判据

2.2.1 低压启动判据

在第2.1节的分析中有一种情况未考虑，即当机车在供电臂中运行取流时也会产生差动电流。CD等于负荷电流，当set1整定不匹配时就有可能造成差动保护误动。考虑机车运行取流时存在最低工作电压，当接触网电压低于机车最低工作电压时，机车无法工作。因此可增加低压启动判据如下：

＜set1（5）

set1为整定门槛值，整定值可根据机车最低工作电压并考虑可靠系数确定。

当式（4）、式（5）条件同时满足时，判定为该分段处于故障状态。

2.2.2 PT断线闭锁判据

当所内电压互感器发生断线故障时，差动保护装置采集的电压= 0，低压启动判据成立有可能保护误动，为此增加PT断线闭锁判据。当满足式（6）时，闭锁差动保护装置。

式中，set2为整定门槛值，该值可根据电压互感器断线后残压值确定；n为电流互感器二次侧额定值；set2为整定门槛值，该值可根据供电臂最大负荷电流并考虑可靠系数确定。

3 纵差保护采样数据同步解决方案

图3 “等腰梯形算法”原理图

图3中变电所差动保护装置在1时刻发送同步数据到AT所，经过网络延时在2时刻AT所差动保护装置收到对侧数据，数据处理后在3时刻由AT所返回，变电所差动保护装置在4时刻接收到返回的数据。由此可以得到数据在网络上传输时间为

D= (2-1) +(4-3) （7）

假设发送数据和返回数据在网络上传输时间相同，则单程网络延时为Δ的一半，即

差动保护装置可利用式（8）计算网络延时，通过重新采样对齐两侧采样数据，实现供电分段两端差动保护装置数据同步。

4 结语

基于上文所述的纵差保护方案研制的纵差保护装置在某客运专线进行了短路试验验证。在全并联AT供电方式下，供电臂的8个分段均进行了T-R、F-R、T-F类型的短路试验，纵差保护装置做到了某段接触线T线故障只切除该段T线，某段正馈线F线故障只切除该段F线，达到了细分供电单元，缩小故障停电范围的目的。

[1] 李群湛.论新一代牵引供电系统及其关键技术[[J].西南交通大学学报，2014，49（4）：559-568.

[2] 李群湛，陈民武，黄彦全.高速铁路全并联AT牵引网状态测控方法研究[J].电气化铁道，2014z：11-15.

[3] 王旭光，李群湛，陈民武，等. 高速铁路全并联AT牵引网状态测控方案与仿真分析[[J]. 电力系统保护与控制，2016，44（1）：128-133.

[4] 李群湛，贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 西南交通大学出版社，2007.

[5] 崔中一. 新型牵引网运行状态辨别与测控方法研究[D].成都：西南交通大学硕士学位论文，2012.

The paper proposes a scheme for differential protection of power supply arm under full parallel AT sectionalized power supply mode, the fault section in the power supply arm can be removed optionally, and the reliabilities and flexibilities of the traction power supply can be improved by implementing of the scheme.

Data synchronization; differential protection; AT power supply; sectionalized protection

U223.8+2

B

1007-936X(2017)03-0034-02

2016-08-09

葛海波.成都交大许继电气有限责任公司，工程师，电话：13540609002；周小金.成都交大许继电气有限责任公司，工程师；郭 华.成都交大许继电气有限责任公司，高级工程师。