高速铁路牵引供电系统短路试验及试验数据分析

汪国林

0 引言

高速铁路接触网采用带PW线的全并联AT供电方式，该供电方式的网络结构复杂，故障类型多，各种故障特性不尽相同。为全面掌握牵引供电系统特征，在联调联试期间选取合适的接触网短路故障类型进行试验，获取具有代表性的试验数据，对牵引供电系统综合自动化保护装置以及接触网故障测距评估具有十分重要的意义。

1 全并联AT供电方式故障类型

全并联AT供电方式为在牵引变电所、AT所和分区所等处将上、下行线路的接触网T线和F线分别进行并联，当不考虑AT变压器漏抗及励磁电流时，简化后全并联AT网络当量图见图1。

图1 全并联AT供电网络当量图

从当量图中可见，接触网发生故障时有T-R、F-T和F-R以及T-R-F等短路形式，本节对各种短路形式特性进行分析。

1.1 T-R短路

接触网任何一个网孔发生T-R短路时，依据AT网络当量电路，将全并联供电方式的当量电路转换为图2所示的电路。其中，Z1、Z2和Z3分别 为接触网、钢轨和正馈线当量阻抗，L为短路点至牵引变电所的距离，x为故障点至网孔起点距离，D为列车所在AT段的长度，I为故障点的短路电流。

图2 T-R短路时电路

由图2可得

解得

式中：I∑R1、I∑R2分别为故障点前后AT变吸上总电流。

根据上式可求得T-R短路故障时牵引变电所出口的牵引网总阻抗如式（4）所示。可以看出，全并联AT供电方式的长回路阻抗是AT供电方式的长回路阻抗的一半，而段中阻抗有其自身特点。

1.2 F-R短路

当发生接触网F-R短路故障时，将当量电路图中的接触网和正馈线当量阻抗互换，即将Z1和Z3互换，代入式（4）可得F-R短路阻抗为

1.3 T-R-F短路

当发生T-R-F短路故障时，在图1中增加虚线r、f连线，将图2中的xZ2、（D-x）Z2及0.5DZ3分别换成和DZ3，求得T-R短路阻抗如下：

而求F-R短路阻抗时将接触网当量阻抗和正馈线当量阻抗互换即可。由式（6）可知，全并联AT供电方式T-R-F短路故障的长回路阻抗、段中阻抗分别为AT供电方式长回路阻抗的一半。

1.4 T-F短路

发生接触网T-F短路故障时，图3为其网孔电路电流分布图。在第2个AT位置，忽略AT励磁电流及钢轨电流，可得IT=I2，IF=I4，根据网孔电流分布可得式（7），求解式（7）可得式（8）。

图3 T-F短路时网孔电流分布

根据上式可求得T-F短路故障时牵引变电所出口牵引网总阻抗如式（9）所示。可以看出，全并联AT供电方式T-F短路的长回路阻抗、段中阻抗为AT供电方式阻抗的一半。

1.5 各种故障类型的牵引网阻抗

依据短路试验的接触网结构参数及前文的推导计算可计算全并联AT供电方式下各故障类型工况下的接触网单位阻抗，见表1。牵引变电所供电线单位阻抗0.11 + j0.62，AT所、分区所供电线单位阻抗0.165 3 + j0.72，直供方式接触网单位阻抗0.109 3 + j0.331，直供方式正馈线单位阻抗0.113 3 + j0.48，直供T-R-F短路的T对地回路与F对地回路的单位互阻抗0.021 6 + j0.102。

表1 AT供电方式各故障类型下的接触网单位阻抗 Ω

2 牵引变压器阻抗分析

全并联AT供电方式同一侧上、下行线路的供电系统接线如图4所示，根据变压器（容量20 000/ 16 000/16 000 kV·A）的试验报告可计算阻抗X1、X2和X3，其中X12、X13、X23为变压器线圈阻抗，则有

图4 同侧上下行供电系统接线

3 短路电流

针对图4所示的单相电力系统，根据文献[1]可计算各种故障情况下的短路电流：

式中：X1∑、X2∑、Xb和Xq分别为供电系统的正序、负序、变压器以及接触网的阻抗。本次试验的牵引变电所接入电力系统大方式阻抗为0.052 Ω，小方式阻抗为0.07 Ω，短路试验时为计算方便按照小方式选择系统阻抗进行计算。

4 全并联AT供电方式运行安全

4.1 保护装置

为确保铁路运行安全，在牵引变电所设置保护装置，当接触网发生故障时能够快速切断故障点电源，牵引变电所馈线设过流、电流增量和阻抗保护等保护类型。

（1）距离保护。图5所示为馈线保护的多边形动作特性，按照前文讨论供电范围内各种故障最大电抗整定Xdz，原点到C点直线的相位角通常由接触网的短路阻抗角确定。

图5 馈线保护的多边形动作特性

（2）电流保护整定值按照躲过最大负荷或分区所处最大短路电流整定。

（3）电流增量保护整定值按躲过线路负荷电流一个周期内最大增量整定。

4.2 故障测距

当发生接触网故障时，应迅速组织人员对故障接触网进行修复，及时、准确判定故障点对高速铁路运行尤其重要。

（1）全并联AT供电方式测距。由式（4）～式（6）、式（9）可知，全并联AT供电方式的阻抗中含有x阻抗部分，馈线阻抗呈非线性；依据式（3），全并联AT供电方式的T-R、F-R故障仍可采用吸上电流比测距，但通常误差稍大；当发生全并联AT供电方式的T-F故障或全并联AT供电方式解列时，吸上电流比测距就不再适用。

（2）根据文献[2]可采用横连线电流比方式测量全并联供电方式下T-R、F-R和T-F的故障距离。

（3）当全并联AT供电方式解列时，接触网电抗与距离呈线性关系，可采用线性电抗法进行故障测距。

因此，在故障测距装置中，通常上述3种测距方式并存。

5 短路试验

在联调联试期间对接触网开展金属性短路试验，试验参数和测试结果见表2。表中斜杠左侧为T线电流，斜杠右侧为F线电流。由于受现场试验条件限制，测试期间未启用重合闸功能。根据以往故障精度测试经验，本次对全并联故障测距采用横连线电流比测距法，AT解列后采用电抗法测距。

表2 金属性短路试验参数及测试结果

本次共进行了20次接触网短路试验，测试数据涵盖了实际运行中可能发生的全部故障类型，通过理论分析和实际试验数据比较，对掌握供电系统特性十分有益。

保护装置：馈线保护装置的过流、阻抗Ⅰ段及电流增量保护动作时限均为0.1 s，表2记录了保护动作出口情况。依据保护整定数据，在上述故障情况下，保护均正常启动，仅在保护出口的动作时限方面稍有差别，出口记录不尽相同。

短路电流：根据式（11）反映故障短路电流比较直观，在试验数据表中仅计算了各种故障情况下的短路电流。从试验数据来看，实际短路电流和理论计算值基本相符。在第1次和第9次全并联AT供电方式下试验时，第1次试验故障点距牵引变电所距离较第9次远，但其短路试验测试电流和计算电流均比第9次大，这是段中阻抗起了作用；而第2次试验直供方式下短路电流和计算电流比第10次试验短路电流和计算电流小，这是阻抗按照线性分布所致；从表1及直供阻抗来看，其阻抗角在73°左右，与表2实际测量阻抗角相差不大。

故障测距：本次短路试验涵盖了实际运行可能发生的接触网短路故障类型，从实际数据分析来看，基本满足运营需求。

（1）全并联AT供电方式下采用馈线电流比测试金属性短路故障的测距最大误差为474 m；直供F-R故障测距最大误差为189 m，测量误差均满足规范要求（不超过±500 m）。

（2）直供T-R-F故障：第8、16次试验故障测距显示故障点公里标为K288.822（牵引变电所供电线上网点公里标），由于同时存在T-R、F-R两种故障类型，测距装置本身无法测量。

（3）直供T-R故障：第2次试验故标测量误差为1 483 m，电压采样数据是16 373 V；同期保护装置本体测距显示故障点公里标为K314.469，误差仅144 m，电压采样数据是17 860 V。继续试验发现第10、18次试验结果满足要求，第2、10次试验短路点间距离为3.865 km，而测量误差近1.5 km，实际接触网结构没有变化，初步推断第2次故障测距误差大是测距装置本体电压采样不稳定所致，因此不对测距定值进行修正。

（4）直供T-F故障：对T-F故障测距定值进行整定（第2点定值0.208 Ω，0.578 km；第3点定值3.774 Ω，12.465 km；第4点定值7.969 Ω，26.447 km），接触网T-F间单位阻抗经验值为0.3 Ω左右。第6次短路试验测距误差474 m；第14次短路试验误差9 105 m。经查，故障测距装置已经判定为T-F短路，但误差却大大超出允许范围，在试验过程中未能找出原因，鉴于实际运营中单纯发生接触网T-F短路概率较小，故对定值未做修改，后续对装置加强观察。

在第5、13次的全并联T-F短路试验中，实际测试的IT、IF并不相等，而牵引变电所、AT所和分区所处吸上电流分别为I5g= 292 A、I5g1= 17 A、I5g2= 274 A、I13g= 247 A、I13g1= 270 A、I13g2= 41 A，说明在全并联AT供电方式下发生T-F故障时钢轨电流仍然存在，但其与短路电流相比较小，工程计算的短路电流和测量值差别不大。

6 结语

本文对全并联AT供电方式的接触网进行理论分析，按照实际运营中可能发生的接触网故障类型开展短路试验，收集牵引供电系统试验数据，结合理论计算结果和试验数据比较研判牵引供电系统的保护装置配置及故障测距参数选取是否合理，探索提高牵引供电系统保护可靠性及故障测距精度的途径，为牵引供电系统运行安全及接触网故障处置提供参考借鉴。