同相供电系统的牵引供电分区保护方案*

赵云云 解绍锋 张 凯

(1. 广州地铁设计研究院有限公司， 510010， 广州；2. 西南交通大学电气工程学院， 610031， 成都∥第一作者， 高级工程师)

贯通式同相供电系统包括3大关键技术[1-5]，其主要特点分别为：组合式同相供电能够在对负序和无功进行治理的同时取消牵引变电所出口处的电分相；新型双边供电技术能够取消分区所处的电分相，配合外部电源方案，使其对电力系统的影响降到最低；牵引网分段供电与测控技术可实现对牵引网的分段，同步测控技术能更及时、更准确地判断出牵引网的故障类型及其发生位置，以减小故障影响范围，使牵引网安全、稳定运行，提高其可靠性。

本文对牵引网分区段供电测控技术进行研究，对测控方案各部分建模，模拟牵引网短路故障时保护动作的情况，并以某市的地铁18号线和22号线为案例，验证该测控方案的可行性与准确性。

1 牵引网分段供电与测控方案原理

牵引网分区段供电与测控方案的原理为：基于故障潮流符号法判断法则，在每个分段处增设分段所(QD)和电分段(FD)；在每个分段所内分别安装断路器(DL)、电压互感器(YH)、电流互感器(LH);采集该分段所内的电压幅值Urms及其相位φu、电流幅值Irms及其相位φi，以及该区段内的潮流符号值(f)，再将Urms和f传送到该分段所的控制室。双线直供末端并联牵引网的供电分段如图1所示。

2 牵引网故障识别

牵引网分段供电技术能够将牵引网进行区段划分，使牵引网故障能够被限定在较小范围内。通过采用相应保护措施可以防止故障扩大，最大限度地保证牵引网非故障区段的正常运作。牵引网分段供电技术采用故障潮流符号值法对牵引网发生的各种故障进行定位，并判断其故障类型[6-7]。

注：区间xy中,x指线路的方向，1为上行，2为下行；y指具体编号。如区间23表示下行的第3个区间。QD、DL、LH、FD、YH的标号规则类同。

2.1 潮流符号值的标定

如图2所示，在牵引网发生短路故障的情况下，根据不同的牵引网结构，标定接触网支路的空载潮流符号值为0，流入支路的故障潮流符号值为1，流出支路的故障潮流符号值为-1[8]。

图2 故障潮流标定示意图

2.2 短路故障辨识方法

由直供牵引网的结构可知，当牵引网发生T-R(接触网-钢轨)短路故障时，若为一端接地、一端断路，则故障潮流符号值和的绝对值为1；若为两端接地故障，则故障潮流符号值和的绝对值为2。由此可知，当发生短路故障时，通过计算线路故障潮流符号值和绝对值，就可以判断出该分段所内的断路器是否需要断开。同时，分段所上传的数据还可由控制室内的基于故障潮流符号值的集中式测控系统进行再次判断，以作为分段所内分布式保护的后备保护，提高该测控方案的可靠性[9-11]。

3 案例线路的供电分段方案

考虑到某市地铁18号线、22号线的实际工程情况，将分段所设置在车站，以降低工程的实施难度，减少电力电子设备的占地面积，减少成本开支。18号线、22号线的供电分段分别如表1和表2所示。其中：18号线将万顷沙站、横沥站、番禺广场站、沙溪站、琵琶西站、石榴岗站、冼村站设置为分段所;22号线将白鹅潭站、东沙工业园站、陈头岗站、广州南站、番禺广场站设置为分段所。

表1 18号线的分区段供电方案

表2 22号线的分区段供电方案

4 牵引网分段测控系统故障仿真

4.1 短路故障仿真

通过仿真可以得到18号线万顷沙站—横沥站、番禺广场站—沙溪站区段的两端电压分别如图3～4所示。横沥站—番禺广场站区间两端的断路器控制信号如图5所示。

图3 万顷沙站—横沥站供电区段末端电压波形

图4 番禺广场站—沙溪站供电区段首端电压波形

图5 横沥站—番禺广场站区间断路器控制信号

由图3～4可以看出，牵引网在0.20 s时发生短路故障，牵引网电压跌落。若此时的故障潮流符号值和的绝对值大于等于1，则应立即断开断路器。由图5可以看出，在0.24 s时断路器断开，将故障支路暂时隔离。

4.2 后备动作保护仿真

仿真模拟在短路故障情况下牵引网部分主保护失效、后备保护动作的情况。在番禺广场站—沙溪站上行牵引网区段加入1个断路器，令其在0.10 s时闭合，同时将番禺广场站分段所内的保护不投入来模拟主保护部分失效。由于番禺广场站分段所内QD13的保护未投入，则短路故障发生后分段所内的断路器不动作，而沙溪站分段所内的断路器QD14正常工作。具体仿真结果如图6～7所示。

由图6～7分析可知，在0.14～0.28 s期间，沙溪站分段所内的断路器QD14断开，但石榴岗站—琵琶西站供电区段未恢复正常供电。这是由于番禺广场站分段所内的断路器QD13还未断开，故上行牵引网万顷沙站—横沥站供电区段和横沥站—番禺广场站供电区段仍然处在短路状态，从而导致牵引变电所出口处电压降低。该情况直至沙溪站分段所的断路器QD14在0.35 s断开后才解除，此时故障区段牵引网也被完全切除。

a) 左侧

b) 右侧

a) 番禺广场站QD13断路器控制信号

b) 沙溪站QD14断路器控制信号

5 结语

本文系统地阐述了贯通式同相供电系统的3个关键技术。基于牵引网分段供电方案，以及故障潮流符号值法的测控系统原理，以某市地铁18号线和22号线工程为案例，利用MATLAB和Simulink软件搭建了双线直供末端并联的测控方案仿真模型。通过在牵引网中加入断路器来模拟牵引网发生短路故障，同时将测控系统的主保护部分不投入，仿真了牵引网部分主保护失效、后备保护动作的情况，验证了该测控技术对故障区段的识别及自动隔离的正确性。