基于电容耦合电压的全并联AT供电牵引网故障性质识别

李 原，林国松，郭海涛，李志宇

0 引言

当前，我国高速铁路牵引网故障跳闸均采用一次重合闸，如果发生永久性故障，重合闸后加速保护动作跳开馈线断路器，由电力调度再进行一次强送操作，尽量消除故障。这种不识别故障类型的自动重合闸在永久性故障时会对牵引变电所等电气设备造成又一次的短路电流冲击。因此，正确识别瞬时性与永久性故障，实现自适应重合闸功能，可以减少重合闸对电气设备的二次冲击，对牵引供电系统稳定性具有重要的意义。

文献[1]提出了应用于同杆双回线路的故障性质识别方法及判断故障点熄弧的方法。文献[2]提出了无并联电抗器补偿的线路三相跳闸后的自适应分相重合闸的实用判据。文献[3]提出了750 kV输电线路的单相重合闸方案与重合过电压的抑制方法。这些自适应重合闸、综合重合闸功能主要应用于电力系统，根据三相系统故障特征，识别故障相别、故障性质，有助于电力系统故障后的快速恢复供电，优化了故障后的供电策略。上述方法主要应用于高压输电线路，但牵引供电系统牵引网供电与电力系统三相供电有本质的不同。针对电气化铁路直供方式复线供电牵引网，有学者提出了基于耦合电压的牵引网瞬时与永久性故障的识别方法[4，5]，但该方法需要在牵引变电所额外安装线路侧的电压互感器及其他附属开关设备等。

我国高速铁路牵引供电系统主要采用全并联AT供电方式[6]，广域保护测控系统也在新建京张、京沈、赣深等高铁上得到了应用。在具备广域保护测控系统的条件下，可以借助广域保护测控通信通道，利用变电所、AT所和分区所实时采集的数据，实现传统牵引变电所综合自动化系统不具备的牵引网故障性质识别，最终实现牵引网保护的自适应重合闸功能。

1 故障类型与故障性质

典型高速铁路全并联AT供电牵引网简化示意如图1所示。图中CB1、CB2分别为变电所下行、上行馈线断路器，CB3、CB4为AT所下行、上行馈线断路器，CB5、CB6为分区所下行、上行馈线断路器，AT1、AT2分别为AT所、分区所的自耦变压器，T1、R1、F1分别为下行接触网、钢轨和正馈线，T2、R2、F2分别为上行接触网、钢轨和正馈线。

图1 高速铁路全并联AT供电牵引网简化示意图

牵引变电所、AT所和分区所配置广域保护测控系统，系统通过专用光纤通道连接，实现广域保护测控功能。根据广域保护测控系统供电臂保护功能，故障行别断路器在2 s后进行重合闸，若为瞬时性故障，馈线断路器重合闸成功，若为永久性故障，馈线保护后加速跳闸，从而实现当高速铁路全并联AT牵引网中某行别发生永久性故障时，系统选择性跳开故障行别，另一行别仍能正常供电[7]。

无论瞬时性故障还是永久性故障，在故障行别跳闸后的2 s内，非故障行别与故障行别分开后，电压将快速恢复，并通过导线间耦合电容对故障行别导线产生电容耦合电压，对于不同的故障类型，耦合电压各不相同。在故障时，动车组由于牵引网故障，电压降低，牵引动力回路封锁，此时非故障行别没有负荷电流，因此在本文分析中，不需要考虑负荷电流在非故障行别对故障行别导线产生的电感耦合电压。

牵引网故障类型有接触网-钢轨地（T-R）、正馈线-钢轨地（F-R）、接触网-正馈线（T-F）和接触网-钢轨地-正馈线（T-R-F）4种短路故障形式。根据牵引网结构可知，大地与钢轨等电位。故障行别与非故障行别分开后，如果为永久性T-R接地故障，则接触网与钢轨地回路等电位，正馈线存在与非故障行别的感应电压；如果为永久性F-R接地故障，则正馈线与钢轨地回路等电位，接触网存在与非故障行别的感应电压；如果为永久性T-F接地故障，则接触网与正馈线等电位，并存在与非故障行别的感应电压；如果为永久性T-R-F接地故障，则接触网与正馈线与钢轨地回路等电位；如果为瞬时性故障，无论何种故障类型，接触网、正馈线均处于孤立悬空状态，均存在与非故障行别的感应电压。

2 故障特征分析

2.1 瞬时性故障耦合电压

假设下行侧发生瞬时性故障，故障跳闸后下行侧牵引网导线处于悬空状态，非故障行别的自耦变压器、T线以及F线正常供电运行。考虑导线间耦合电容的故障跳闸后全并联AT牵引网如图2所示。

图2 考虑耦合电容的故障跳闸后全并联AT供电牵引网

根据叠加原理，上行线路对下行线路产生的电容耦合电压为

通过对图2所示电路的详细推导可得式（1）中系数为

2.2 永久性故障耦合电压

当下行牵引网发生永久性T-R故障时，下行T线电容通过故障点对地放电，下行T线电压将接近于 0。根据式（1）、式（2）得到下行正馈线 F线电压：

当下行牵引网发生永久性F-R故障时，下行F线电容通过故障点对地放电，下行F线电压将接近于 0。根据式（1）、式（2）得到下行接触网T线电压：

当下行牵引网发生T-F故障时，下行T线与F线短接，二者耦合电压相同，结合图2和式（2）可以得到下行接触网、正馈线电压：

当下行牵引网发生T-R-F故障时，下行T线与F线短接且对地放电，两者耦合电压均接近于0。

根据文献[9]对选定导线型号的AT供电牵引网进行电容参数计算，得到了其单位电容参数。但现实中，由于受到地理、环境等因素的影响，导线参数会发生变化，根据在某供电区段现场测试数据，修改参数使其符合实际情况。牵引网单位电容矩阵如表1所示。

当考虑永久性故障带过渡电阻时，牵引网导线间耦合电容的容抗远大于过渡电阻，过渡电阻的存在起到短接导线和对导线间耦合电容放电的作用。

2.3 故障性质识别

基于式（3）—式（5）及表2结论和特征，可根据式（6）判断故障性质，当式（6）中3个不等式全部满足，即可判定为瞬时性故障。

式中：UTi、UFi为故障行别T线和F线电压有效值，i= 1代表下行，i= 2代表上行；k为可靠系数，取1.2；电压整定值UTset为瞬时性故障时最低T线电容耦合电压，电压整定值UFset为瞬时性故障时最低F线电容耦合电压，电压差整定值UTFset为瞬时性故障时T线、F线电压差的最小值。

3 仿真分析

3.1 仿真模型搭建

为验证上述瞬时性与永久性故障识别方法的正确性，基于 Matlab/Simulink仿真平台搭建全并联AT供电系统模型进行仿真，模型基本参数如表3所示。供电臂总长24 km，两个AT段长度分别为11 km和13 km。牵引网单位阻抗矩阵为

表3 全并联AT供电系统模型参数

3.2 仿真结果

基于前述牵引网模型仿真下行牵引网发生瞬时性故障时的情况。由于在跳闸后故障行别的故障消失，也就不存在过渡电阻，此时仿真得到UT1、UF1、UT1-UF1的值分别为 3 022、790 和 2 232 V，仿真结果与计算结果基本一致。

在不同过渡电阻下，分别仿真下行牵引网发生永久性T-R故障、永久性F-R故障、永久性 T-F故障以及永久性T-R-F故障，测量变电所处T线、F线端口电压有效值及差，结果如图3所示。

图3 故障耦合电压

图3所示的仿真结果表明，发生不同故障类型的永久性故障时，电容耦合电压与计算结果一致，且基本不受过渡电阻的影响。

根据瞬时性故障的计算和仿真结果，设置式（6）整定值UTset、UFset、UTFset分别为 3 020、789、2 231 V。可以看出：线路发生瞬时性故障时，式（6）成立；当线路发生永久性故障时，式（6）中至少会有一组电压不等式不成立。因此，通过判别式（6）可正确判断故障性质。

在仿真和现场实测中，故障行别牵引变电所、AT所和分区所的牵引网侧T线电压和F线电压基本一致。如果牵引变电所牵引网侧未安装电压互感器，在广域保护测控系统条件下，可以采用AT所或分区所牵引网侧电压完成式（6）判据。

4 结语

本文分析了全并联AT供电牵引网在不同故障类型下故障行别导线耦合电压的特征，提出了一种基于供电臂故障行别导线电容耦合电压有效值识别瞬时性与永久性故障的方法，并仿真验证了所提识别方法的合理性。本文研究结果有助于高速铁路牵引网馈线自适应重合闸功能的实现。