黃華學(xué)

0 引言

組合式同相供電技術(shù)是在有源濾波器同相供電技術(shù)基礎(chǔ)上提出來的，該供電技術(shù)導(dǎo)致了變電所主接線和牽引電流分布的變化，原有的繼電保護(hù)配置不能完全滿足“四性”要求，而合理的繼電保護(hù)配置是鐵路安全、高速運(yùn)行的關(guān)鍵。本文在研究組合式同相供電的基礎(chǔ)上，提出了一套適用于該供電方式的繼電保護(hù)方案。

1 組合式同相供電

組合式同相供電技術(shù)放棄了原同相供電技術(shù)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴的平衡變壓器，以單相牽引變壓器為基礎(chǔ)，配以適量的同相對(duì)稱補(bǔ)償裝置。該技術(shù)不僅繼承了基于有源濾波器同相供電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，取消了牽引變電所出口電分相，從根本上解決了諧波、無功和負(fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，除此之外，它還可以最大程度地減少價(jià)格昂貴的同相補(bǔ)償裝置中交直交變流器的容量及其所占比重，有效減少同相供變電裝置的一次性投資，提高牽引變壓器利用率及牽引變電所運(yùn)行的靈活性。 主變壓器和高壓匹配變壓器通過電氣連接，等 效于一臺(tái)次邊電壓相互垂直的平衡變壓器。根據(jù)高壓匹配變壓器接線方式的不同，其可以分為單三相 組合式同相供電和單相組合式同相供電2 種方式；根據(jù)供電方式的不同，其可分為直供和AT 供電方式，綜合考慮實(shí)際鐵路運(yùn)行情況，本文研究組合式同相AT 供電，如圖1所示。

圖1 單相組合式AT 同相供電系統(tǒng)示意圖

圖1中，TT 為單相牽引變壓器，TB 為備用牽引變壓器，HMT 為高壓匹配變壓器，ADA 為交直交變流裝置，TMT 為牽引匹配變壓器，其中HMT、ADA 和TMT 構(gòu)成平衡變換裝置。單相牽引變壓器繞組中點(diǎn)和高壓匹配變壓器原邊一端連接，形成不等邊的Scott 變壓器，牽引變壓器次邊采用中點(diǎn)接地方式。

2 組合式同相供電保護(hù)配置方案

組合式同相AT 供電配置保護(hù)主要分為3 部分：牽引變壓器、平衡變換裝置、牽引網(wǎng)。由于補(bǔ)償母線的存在，導(dǎo)致保護(hù)配置必須做出調(diào)整。

2.1 牽引變壓器保護(hù)配置

2.1.1 牽引變壓器保護(hù)

牽引變壓器TT 承擔(dān)著大部分的牽引供電任務(wù)，為了保障其能正常運(yùn)行，快速準(zhǔn)確地切除變壓器內(nèi)外部故障，使損失降到最低，對(duì)組合式同相供電主變壓器設(shè)置了比率差動(dòng)保護(hù)、復(fù)合電壓過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、接地保護(hù)、非電量保護(hù)等。差動(dòng)保護(hù)裝置作為牽引變壓器的主保護(hù)裝置，能夠準(zhǔn)確地區(qū)分變壓器內(nèi)外部故障，整定值按躲過最大不平衡電流整定，保護(hù)配置見表1。

表1 牽引變壓器保護(hù)配置一覽表

值得注意的是，上述保護(hù)裝置母線M1提供保護(hù)，因此為M1設(shè)置母線低壓過電流保護(hù)和母線失壓保護(hù)，當(dāng)母線M1出現(xiàn)短路故障時(shí)，斷路器動(dòng)作流程：斷路器K1和K4可靠動(dòng)作，由于采用聯(lián)動(dòng)方式，所以斷路器K2同時(shí)斷開，切除故障母線；此時(shí)，平衡變換裝置檢測(cè)到斷開故障母線，故斷路器K3和K7聯(lián)動(dòng)斷開，平衡變換裝置退出運(yùn)行；經(jīng)過延時(shí)，自動(dòng)合上斷路器K5和K6，備用變壓器投入運(yùn)行，然后合上斷路器K3和K7，平衡變換裝置投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)同相供電。為了保證母線故障后實(shí)現(xiàn)同相供電，以投入備用牽引變壓器為代價(jià)，斷路器K4安裝于靠近平衡變換裝置側(cè)。兩側(cè)母線同時(shí)故障概率很小，故K5斷路器安裝位置無特別要求。

2.1.2 組合式同相供電備投方案

一個(gè)平衡裝置出現(xiàn)故障退出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，牽引變壓器二次側(cè)的電流就為負(fù)荷電流，此時(shí)，通過平衡變換裝置的電流為0，電流失去平衡，同時(shí)產(chǎn)生負(fù)序電流，考慮嚴(yán)重情況，即多個(gè)變電所同時(shí)故障，各個(gè)牽引變電所產(chǎn)生的負(fù)序電流就會(huì)疊加；另一方面，當(dāng)同相變換裝置故障時(shí)，只能運(yùn)行在牽引變壓器單相供電狀態(tài)，失去了同相供電的優(yōu)勢(shì)。綜上考慮，對(duì)補(bǔ)償母線和平衡變換裝置增加“冗余”配置，如圖2所示。

斷路器高低壓側(cè)采用聯(lián)動(dòng)，所以本文考慮斷路器開斷時(shí)只闡述高壓側(cè)斷路器開斷情況，如K1和K2聯(lián)動(dòng)，只闡述K1斷路器開斷情況。正常情況下，斷路器K1、K4、K6處于閉合狀態(tài)，K3、K5、K8、K10、K11、K12、K13處于斷開狀態(tài)，由圖2可知，100%備用組合式同相供電備投情況如下：

（1）母線M1故障，母線失壓保護(hù)動(dòng)作，K4、K6斷開，隔離故障母線，經(jīng)過一定時(shí)間延遲，K3、K5閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復(fù)同相供電。

（2）牽引變壓器故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，K1、K4、K6依次斷開，切除故障變壓器，經(jīng)過延時(shí)，備用牽引變壓器投入運(yùn)行，K13、K12、K8依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復(fù)同相供電。

（3）平衡變換裝置故障，有功功率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，K6斷開，經(jīng)過一定延時(shí)，K8閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復(fù)同相供電。

（4）牽引變壓器和母線M1同時(shí)故障，失壓保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，K1、K4、K6依次斷開，經(jīng)過延時(shí)，K13、K11、K5依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復(fù)同相供電。

圖2 100%備用組合式同相供電示意圖

（5）牽引變壓器和平衡變換裝置同時(shí)故障，差動(dòng)保護(hù)和有功功率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，K1、K6、K4依次斷開，切除故障牽引變壓器和平衡變換裝置。經(jīng)過延時(shí)，K13、K12、K8依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復(fù)同相供電。

（6）母線M1和平衡變換裝置同時(shí)故障，失壓保護(hù)和有功功率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，K4，K6依次斷開，切除故障母線和平衡變換裝置。經(jīng)過延時(shí)，K3、K10依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復(fù)同相供電。

（7）3 個(gè)裝置同時(shí)故障，差動(dòng)保護(hù)裝置、失壓保護(hù)及有功功率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，K1、K6、K4依次動(dòng)作，切除故障牽引變壓器、母線M1和平衡變換裝置。經(jīng)過延時(shí)，K13、K11、K10依次閉合，牽引供電系統(tǒng)恢復(fù)同相供電。

2.2 平衡變換裝置保護(hù)配置

2.2.1 平衡變換裝置

平衡變換裝置作為同相供電技術(shù)的核心部件，可以實(shí)現(xiàn)平衡變換，補(bǔ)償諧波、負(fù)序和無功。在組合式同相供電系統(tǒng)中，平衡變換裝置主要由高壓匹配變壓器、交直交變流器和牽引匹配變壓器構(gòu)成。高壓匹配變壓器把母線220 kV（或110 kV）等級(jí)的電壓降壓10 kV，供給交直交變流器ADA，把交流變成直流，再經(jīng)過逆變器把直流變成單相交流，電壓經(jīng)牽引匹配變壓器升壓到55 kV 給機(jī)車供電，如圖3所示。

圖3 單相背靠背平衡變換裝置示意圖

實(shí)際工程中的平衡變換裝置單個(gè)模塊受容量的限制（一般一個(gè)模塊為1.25 M），交直交變流器由圖3所示的多個(gè)相同模塊構(gòu)成，多個(gè)模塊變流器的一側(cè)與高壓變壓器的次級(jí)相連，構(gòu)成多重并聯(lián)變流器；各模塊次邊串聯(lián)后通過連接電感與牽引匹配變壓器繞組并聯(lián)，構(gòu)成多個(gè)級(jí)聯(lián)逆變器。

2.2.2 平衡變換裝置保護(hù)方案

由2.2.1 節(jié)可知，平衡變換裝置主要由隔離變壓器（包括高壓匹配變壓器和牽引匹配變壓器）和變流器兩部分組成，分別給高壓匹配變壓器設(shè)置與主變壓器相同的本體保護(hù)方案，如電流差動(dòng)保護(hù)，過流保護(hù)，過熱保護(hù)等，由于牽引匹配變壓器靠近ADA 側(cè)為多繞組（工程運(yùn)用中有15 繞組的情況），電流電壓信息量采集過多，電流互感器造價(jià)過高，差動(dòng)保護(hù)難以實(shí)現(xiàn)，所以采用非電量保護(hù)瓦斯保護(hù)作為其主保護(hù)，配以其他后備保護(hù)；交直交變流器保護(hù)類似于有源濾波器保護(hù)，設(shè)置電力電子脈沖封鎖保護(hù)，過流保護(hù)，過壓保護(hù)，直流側(cè)過壓/欠壓保護(hù)、IGBT 智能旁路等。保護(hù)配置參見表2。

表2 平衡變換裝置保護(hù)配置一覽表

把設(shè)備分開考慮設(shè)置的保護(hù)存在動(dòng)作死區(qū)，如高壓匹配變壓器和交直交變流器之間連接電纜出現(xiàn)接地故障都會(huì)判定為是設(shè)備外部故障而拒動(dòng)，所以，以平衡變換裝置整體考慮，為其設(shè)置有功功率差動(dòng)保護(hù)和反時(shí)限過電流保護(hù)。有功功率差動(dòng)保護(hù)可以很好地區(qū)分內(nèi)外部故障，原理與電流差動(dòng)保護(hù)類似，整定值主要受2 方面的影響：高壓匹配變壓器、牽引變壓器及交直交變流器的有功損耗；電壓互感器和電流互感器正常工作時(shí)存在的誤差。有功功率差動(dòng)保護(hù)設(shè)置如圖4。反時(shí)限過電流保護(hù)主要是作為有功功率差動(dòng)保護(hù)的后備保護(hù)，在平衡變換裝置外部故障和過負(fù)荷時(shí)啟動(dòng)，使系統(tǒng)安全退出運(yùn)行。無論是有功功率差動(dòng)保護(hù)，還是反時(shí)限過電流保護(hù)，在直流側(cè)充電過程中都有可能引起保護(hù)誤動(dòng)，所以應(yīng)該增加充電閉鎖功能。

圖4 有功功率差動(dòng)保護(hù)原理圖

2.3 饋線保護(hù)

在組合式同相供電中，雖然取消了牽引變電所出口處電分相，但基于牽引網(wǎng)的阻抗特性不變，所以組合式同相供電饋線保護(hù)和原來的同相供電饋線保護(hù)原理相同，故障時(shí)基于縮小停電范圍的原則，需給牽引變電所出口處設(shè)置分相斷路器。本文以AT 供電方式為例，饋線保護(hù)配置見表3。

表3 饋線保護(hù)配置一覽表

3 結(jié)論與展望

以單相變壓器構(gòu)成的組合式同相供電系統(tǒng)，不僅繼承了原有同相供電裝置的優(yōu)點(diǎn)，與之相比，它還解除了牽引變壓器和平衡變換裝置之間的捆綁，提高了牽引變壓器的利用率，是未來同相供電技術(shù)實(shí)際工程運(yùn)用的方向。

本文僅從理論上設(shè)計(jì)了一套組合式同相供電系統(tǒng)繼電保護(hù)方案，為了進(jìn)一步完善組合式同相供電繼電保護(hù)配置，還需要進(jìn)行大量仿真驗(yàn)證和保護(hù)整定計(jì)算，使其更適用于工程實(shí)踐。

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