基于车-网同步测试的牵引变电所馈线保护误动分析
2020-11-03王双全于海顺刘晓华
王双全，于海顺，刘晓华
（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266000）
0 引言
2019年末，我国铁路运营里程达到13.9万km，其中高速铁路运营里程达到3.5万km，保持世界第一的运营规模［1］。牵引供电系统作为电气化铁路的唯一动力来源，决定着电力机车能否安全稳定运行。随着2019年京张高铁、成贵高铁等51条新线建成投运，“八纵八横”高速铁路网日益完善。随着大量动车组跨线运行，车-网耦合系统电气匹配问题日益凸显，可能影响牵引供电系统的安全稳定运行［2-4］，例如，引起牵引网压波动造成的低频振荡、牵引网高次谐波谐振引起避雷器损毁等问题［5-7］。
以某高铁线路典型区段为例，基于车-网耦合系统同步测试，研究动车组牵引负荷特性变化规律，分析其对牵引变电所馈线出口处等效测量阻抗的影响，探究牵引变电所馈线保护阻抗Ⅰ段误动的原因，以更好地提升车-网耦合系统的匹配性能，保证高速动车组安全并高质运行。
1 高铁牵引供电系统保护原理
高速铁路AT供电方式牵引供电系统结构见图1。当供电臂上发生故障时，牵引供电系统中各位置的断路器将会执行以下动作［8］：
（1）牵引变电所出口处的QF1、QF2断路器迅速跳闸，此时上下行供电臂失压；
（2）AT所与分区所内的QF3、QF4、QF5、QF6断路器全部跳闸，此时上下行供电臂解列为单线直供方式；
（3）牵引变电所出口处的QF1和QF2断路器重合闸；
（4）AT所与分区所内的QF3、QF4、QF5和QF6断路器按一定次序进行检有压合闸。
通过上述4个步骤，既有牵引网保护系统可实现对故障线路的隔离和对非故障线路的供电恢复。目前高速铁路牵引变电所出口处断路器主要配置阻抗Ⅰ段保护、电流速断保护、电流增量保护和自动重合闸装置。阻抗Ⅰ段保护用于保护整个供电臂全长，电流速断保护和电流增量保护作为后备保护［9-10］。
图1 高速铁路AT供电方式牵引供电系统结构
2 车-网同步测试
车-网同步测试分为牵引变电所测试和动车组跟车测试。牵引变电所牵引变压器采用由2台单相接线变压器组成的V/x接线变压器。在测试过程中，分别对高压侧三相电压与电流、牵引侧母线电压、各条馈线电流等进行实时监测（见图2，▲为测点位置）。
动车组对总输入网流和网压进行检测，以CRH某型动车组为例的测试装置安装示意见图3（▲为测点位置）。
图2 牵引变电所测试示意图
图3 动车组测试装置安装示意图
3 案例分析
3.1 录波数据分析
某新型动车组进入高速铁路典型区段牵引变电所至分区所供电区间运行时，变电所内T母线电压、上行T线与F线电流分布见图4。T母线电压跌落持续时长22 s，此时上行T线电流有效值为1 500 A，上行F线电流有效值为563 A，牵引变电所T母线电压有效值最低为20.03 kV，分区所T母线瞬时电压最低仅为17.52 kV，引起牵引变电所阻抗保护动作。
在发生跳闸故障时，该牵引变电所上行测量阻抗为Z=10.14Ω，上行测量阻抗变化曲线见图5。根据获得的牵引变电所阻抗保护整定值，阻抗模值Zset=12.95Ω，电阻Rset=8.76Ω，电抗Xset=9.55Ω。故障发生时阻抗小于阻抗整定值12.95Ω，导致阻抗Ⅰ段保护启动。
图4 牵引负荷过程录波数据
图5 故障时刻牵引变电所上行测量阻抗变化曲线
当动车组处牵引网压跌落至最低值时，也会引起车载变流器过流保护，此时网侧电压和牵引电流瞬时波形见图6，对应的瞬时功率因数分布见图7。
图6 动车组牵引绕组过流保护前电压和电流波形
图7 动车组牵引绕组过流保护前瞬时功率因数
经查询运行图，该供电区段短时出现了6列动车组，各在线运行列车信息见表1，多列车同时运行造成牵引负荷显著增大，导致牵引网首端和末端测试电压均明显跌落，造成跟踪测试的动车组牵引绕组过流故障。
表1 在线各次列车运行工况信息
可见，由于牵引变电所输出功率不断增大，馈线保护装置测量阻抗值不断减小。当满足牵引变电所馈线阻抗Ⅰ段保护整定值对应的启动条件时，将引起馈线断路器跳闸。
3.2 其他时间段牵引网阻抗变化分析
为了研究不同负荷分布下的牵引网测量阻抗，选择其他时间段进行测试。该区段内牵引网导线空间分布见图8，接触线CW为CTAH-150，承力索MW为JTMH-120，加强线AW为LBGLJ-240，负馈线NF为LBGLJ-185/25，钢轨为P60。
选择该天另一时间段，当动车组进入牵引变电所至分区所区间上行供电臂时，牵引变电所上行测量阻抗变化趋势见图9。本段时间内阻抗最小值为Z=13.35Ω，R=13.00Ω，X=3.07Ω，此时动车组处于满功率牵引工况。与保护整定值比较可知，测量阻抗Z>Zset，X
图8 牵引网导线空间分布
图9 牵引变电所上行测量阻抗变化曲线
选择其他日期开展测试，当测试动车组进入牵引变电所至分区所区间下行供电臂时，牵引变电所下行测量阻抗变化趋势见图10。在本段时间内阻抗最小值为Z=14.04Ω，R=13.79Ω，X=2.66Ω，此时动车组处于满功率牵引工况。与保护整定值比较可知，测量阻抗Z>Zset，X
与此相对比，对该变电所进行24 h录波。当牵引负荷接近空载时，由牵引变电所馈线处测得的阻抗特性曲线见图11，此时Z=3 174.0Ω，R=2 060.3Ω，X=2 413.9Ω，牵引网电压为28.73 kV。
当牵引负荷较大时，由牵引变电所馈线处测得的阻抗特性曲线见图12。此时Z=56.210Ω，R=55.930Ω，X=5.623Ω，牵引网电压为28.12 kV，牵引负荷电流为400.91 A。
图10 牵引变电所下行测量阻抗变化曲线
图11 牵引变电所小负荷时上行测量阻抗变化曲线
图12 牵引变电所大负荷时上行测量阻抗变化曲线
可见，动车组在线运行时导致牵引负荷的波动性，直接影响牵引变电所馈线处牵引网测量阻抗的大小。若存在与阻抗保护Ⅰ段整定值的重叠，容易引起馈线保护误动。
4 结论
通过对车-网同步测试数据进行分析，揭示了某高速铁路牵引变电所馈线保护误动的原因。由于牵引变电所输出功率不断增大过程中，牵引母线电压同时下降，馈线保护装置测量阻抗值会不断减小。当满足牵引变电所馈线阻抗保护Ⅰ段整定值对应的启动条件时，将引起馈线断路器误动跳闸。特别是当高速动车组通过分区所电分相后重新取流时，应避免最大功率牵引，以减少对牵引供电系统的负荷冲击，避免造成车-网系统匹配问题。
