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牽引供電網(wǎng)斷線接地故障的阻抗模擬計算與仿真試驗

主要研究軟件工程和通信工程。

魏化永，歐志新

(安徽交通職業(yè)技術學院，合肥 230051)

摘要：當客運專線AT供電牽引網(wǎng)發(fā)生接地故障時，饋線保護裝置會發(fā)生拒動現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象，利用電路基本原理，采用數(shù)學方法建立故障模型并進行理論推導計算，將其與短路故障的阻抗進行比較分析，得出斷線接地故障是一種高阻狀態(tài)時的接地故障，阻值遠大于短路時的阻抗，超出了饋線保護阻抗的整定值范圍。利用Matlab/Simulink軟件建立牽引網(wǎng)故障模型并進行了仿真驗證，證明了本文理論推導計算的準確性，找到發(fā)生斷線接地故障時饋線保護裝置拒動的原因。

關鍵詞：全并聯(lián)AT供電；斷線接地故障；測量阻抗；饋線保護；Matlab仿真

0引言

客運專線的電力機車受電，是通過受電弓和接觸網(wǎng)之間的滑動來實現(xiàn)的，接觸網(wǎng)是牽引網(wǎng)最重要的組成單元，其工作條件的惡劣性決定了故障的易發(fā)性。牽引網(wǎng)在露天條件下其牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)相比，具有供電方式多樣、結(jié)構(gòu)復雜等特點。

牽引網(wǎng)的故障主要類型有高阻短路故障和金屬性短路故障，斷線接地故障屬于一種高阻短路故障[1]。饋線保護裝置作為常規(guī)故障保護的裝置，對于金屬性短路故障能可靠動作，但是由于斷線接地故障的測量阻抗的特殊性，經(jīng)常會發(fā)生拒動或誤動現(xiàn)象。因此，分析斷線接地故障的阻抗，對安全可靠供電模式的選擇和應用具有重要的現(xiàn)實意義。

1全并聯(lián)AT供電方式的特點

客運專線列車行車密度大、運行速度高，需要列車具有大牽引功率、供電分區(qū)盡可能少、可靠性要求高。

全并聯(lián)AT 供電方式具有受流大、供電區(qū)段長、適應高速、可靠性更高安全性能好的特點，因而在鐵路運行中受到廣泛應用。全并聯(lián)AT供電方式是在AT供電方式的基礎上，將上、下行牽引網(wǎng)的接觸線(T)、鋼軌(R)和正饋線(AF)在變電所出線處及AT處通過橫聯(lián)線并聯(lián)起來，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[2]。

T.接觸網(wǎng)；R.軌道；AF.正饋線；AT.自耦變壓器

牽引變電所的主電路接線模式采用上、下行T接觸線和F正饋線、2×27.5 kV的供電模式。其特點是在變電所內(nèi)牽引饋線上均安裝AT。

AT供電系統(tǒng)具有以下特點：1) AT分布間距為8～12 km，容量2 000～5 000 kVA；2)實際工程現(xiàn)場應用還加保護線(PW線)，保護線與鋼軌隔段加連線，保證不間斷通電；3)電源電壓為2×27.5 kV。

在牽引網(wǎng)供電范圍內(nèi)，通過AT供電回路實現(xiàn)電流在接觸網(wǎng)T與負饋線F之間的分配(按自耦變壓器變比分配，通常n1∶n2為1∶1。即通過AT電磁回路實現(xiàn)牽引負荷能量的傳遞，它具有抑制通信干擾的全程防護作用。

回流線為正饋線T，間隔約10 km加一個AT變壓器，供電電壓為2×27.5 kV。這樣可以使供電電壓成倍提高，網(wǎng)上電壓損失和電能損失小，鋼軌電位低，抑制通信干擾效果好。牽引網(wǎng)阻抗小，供電距離長，為直接供電的170%～200%[3]。

2全并聯(lián)AT饋線斷線接地阻抗計算

饋線斷線接地有2種情況：一種是遠離電源側(cè)端頭懸空，靠近電源側(cè)的端頭接地；另一種情況是靠近電源側(cè)的端頭懸空，遠離電源側(cè)的端頭接地。

由于全并聯(lián)AT供電電路網(wǎng)絡的復雜性和對稱性，電源側(cè)接地和非電源側(cè)接地，這兩種情況的計算方法幾乎相同，原理也是一致的。

本文以電源側(cè)接地、非電源側(cè)懸空為例進行阻抗推導計算并構(gòu)建仿真模型進行演示。

假設自耦變壓器AT為理想變壓器，接地為金屬性短路接地，忽略上、下行之間的互感和鋼軌的漏抗。全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)發(fā)生斷線接地情況下的電流分布(方向箭頭指向與大小正負)的規(guī)律和電壓關系如圖2 所示。

圖2　AT饋線 (F) 斷線接地

其中，參數(shù)定義：lA為變電所到AT側(cè)(故障點靠近變電所側(cè)的AT)的距離(km)；x為AT(故障點靠近變電所側(cè)的AT)到故障點的距離(km)；D為故障點所在AT段的長度(km)；lB為故障點遠離變電所側(cè)的AT 到供電臂末端的距離(km)；ZT、ZR、ZF、ZTR、ZRF、ZTF分別為接觸線(T)、鋼軌(R)和正饋線(F)的單位自阻抗及它們之間的單位互阻抗(Ω /km)。

列節(jié)點電流方程得：

(1)

(2)

(3)

列網(wǎng)孔電壓方程得:

-U1+I1ZRx+I5ZTRx-IZRFx+IZFx-I1ZRFx-I5ZTFx=0，

(4)

-U1+I6ZTD+I0ZTRD-I7ZTFD+U2-I0ZRD-I6ZTFD+I7ZRFD=0,

-U+I3ZTlA-I3ZTFlA+2U1+I3ZFlA-I3ZTFlA=0，

I5ZTD+I1ZTRD-I2ZTR(D-x)-IZTFx=I6ZTD+I0ZTRD-I7ZRFD，

-U1+I0ZRD+I6ZTRD-I7ZRFD+U2+I7ZFD-I0ZRFD-I6ZTFD=0，

-U1+I5ZTD+I1ZTRx-I2ZTR(D-x)-IZTFx+U2+I2ZR(D-x)-I5ZTR(D-x)-I1ZRx-I5ZTRx+IZRFx=0。

(5)

則網(wǎng)孔電壓方程化簡為：

I2D(ZT-2ZTR-ZTF)+I0D×(ZT-2ZTR+ZTF)-2Ix(ZTF-ZTR)+4IT2D=0。

(6)

(7)

其中，對于式(1)～(7)，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8的含義分別為：

(8)

(9)

由式(8)和(9)得出，變電所處測得的阻抗值為：

3 AT供電方式故障測距原理

根據(jù)文獻[4]推演的常規(guī)短路故障的公式，牽引變電所(lA+x)的牽引網(wǎng)T-R短路阻抗為：

(10)

此時Z1、Z2、Z3表示的意義如下：

(11)

F-R短路和T-R短路的故障分析與電路原理基本相同。因此，F(xiàn)-R短路阻抗表達式與T-R的相同，需要注意一點，當參數(shù)波動或改變時，需要在當量等值電路分析時將等值阻抗的參數(shù)T和F互換。

當T-F短路時，可忽略鋼軌電流，從實際的牽引網(wǎng)電流網(wǎng)絡中求得：

(12)

圖3　AT供電方式斷線接地故障點測距

將公式(12)進行修正如下：

這是為了克服AT漏抗、線路不均衡的影響。分析牽引網(wǎng)斷線故障原因有以下兩點：1)一方面消除衰減直流分量的影響；一方面可以確保同步。在電流截斷前一個周波采樣點作為計算電流幅值的基礎， AT牽引網(wǎng)斷線接地故障將使阻抗急劇增大，常規(guī)原理的保護(以距離為主保護)拒動。2)當供電臂(牽引變電所和接觸網(wǎng)的連接線)發(fā)生故障時，沿線接觸網(wǎng)工作電壓降低，啟動每個AT站的電流采集單元進行電流采集，持續(xù)至電流截斷。

4試驗模擬和仿真結(jié)果

牽引網(wǎng)斷線接地仿真模型由4個模塊構(gòu)成：牽引變電所(主變壓器)模塊、牽引網(wǎng)模塊、牽引網(wǎng)阻抗測量模塊和牽引網(wǎng)斷線故障模塊。

需要說明的是，由于仿真是基于系統(tǒng)的節(jié)點導納矩陣進行的，因此在處理外部電源出現(xiàn)的不穩(wěn)定不均衡現(xiàn)象時，應把電壓源與系統(tǒng)阻抗進行串聯(lián)組合(或等效于電流源與系統(tǒng)導納的并聯(lián)組合)。

圖4　仿真原理結(jié)構(gòu)圖

假設牽引變電所的節(jié)點導納矩陣為Y，可列出方程組：

式中：A、B、C為變電所一次側(cè)各個節(jié)點；a、b、c為二次側(cè)對應的各個節(jié)點。

表1 統(tǒng)計出了10個采樣點的理論計算值和仿真值，將表1 用圖像表示為圖5～7。理論數(shù)據(jù)指理論計算值，仿真值為仿真出的采樣阻抗值，誤差量為仿真值與理論值間的誤差率。

表1　阻抗的理論值與仿真值比較

在AT供電區(qū)段，牽引負荷電流將沿正饋線(AF)回輸?shù)綘恳冸娝跔恳冸娝?，接觸線、正饋線經(jīng)架空線(供電線)接至牽引變壓器55 kV母線上，PW線經(jīng)供電線接至牽引變電所內(nèi)AT的中間抽頭上并經(jīng)接地保護裝置與接地網(wǎng)相連。

牽引負荷電流由電力機車所在位置經(jīng)鋼軌，保護線用連接線(CPW)，保護線(PW)流向AT的中心抽頭。相鄰兩AT的間距通常在15～20 km左右。

圖5　上下行鋼軌與PW線每1 km紐接并接地，

1)回流線為正饋線T，可以和BT一樣吸上地中電流，抑制通信干擾效果好；

2)供電電壓為2×27.5 kV，供電電壓成倍提高，牽引網(wǎng)阻抗小，供電距離長，為直接供電的170%～200%；

圖6　吸上線間距3 km，上下行鋼軌在牽引變電所、

圖7　上下行鋼軌、PW線每1km紐接，沿線鋪設一根

圖8　吸上線間距3 km，上下行鋼軌在牽引變電所、

斷線接地的故障電流與負荷電流的區(qū)別在于：斷線接地故障電流是突變的，而負荷電流是漸變的。電流增量保護原理：

ΔI =I1h-I1q-KAKΣhI1h≥(1+KΣh)ΔIZD。

通過仿真圖7～8得出，加上保護線PW后網(wǎng)上電壓損失和電能損失小；可克服BT(吸流變壓器)串入電網(wǎng)中的缺點，適合高速、重載機車運行；缺點是電流分布復雜、保護算法難度大、投資相對較大。

5結(jié)語

1)通過仿真驗證，證明了全并聯(lián)AT 斷線接地阻抗公式推導的正確性，誤差在-3%～5%之間，在誤差允許的范圍內(nèi)(模型中的自耦變壓器不是理想的)。T和F短路的阻抗成正比例遞增，T和R短路的阻抗成馬鞍型遞增，由斷線和短路故障阻抗的特性曲線(圖6)可以看出，斷線時的阻抗在每個AT 段均出現(xiàn)驟然增大的現(xiàn)象。

2)圖7中，AT 段的某些地方會超過饋線保護阻抗的整定值，從而會使以距離保護為主保護的饋線保護裝置拒動。通過阻抗計算得出，斷線時的阻抗大于短路時的阻抗，甚至可以達到10倍。

3)通過斷線阻抗的計算，如圖8所示，對于饋線保護僅僅用距離作為主保護是不夠的，還要增加針對于斷線接地故障的后備保護，如文獻[5]中提出的用電流的關系來整定，從而達到保護的目的。電流增量保護，可以避開阻抗的關系，將會對供電線路和設備起到更安全的保障作用。

參考文獻

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[2] 李群湛,賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M] . 成都:西南交通大學出版社,2007.

[3] 王繼芳.全并聯(lián)供電牽引網(wǎng)故障測距研究[D].成都：西南交通大學,2006.

[4] 賀建閩, 李群湛.用于同相供電系統(tǒng)的對稱補償技術[J].鐵道學報,1998 ,20 (6) :47-51.

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[7] 高仕斌.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)新型保護原理研究[D].成都：西南交通大學，2004.

[8] 雍靜.10kV變配電站低壓自動無功補償裝置控制方式的選擇[J].電工技術, 2000 (6) : 8.

The simulation calculation and simulation test on the impedance of

grounding fault with interruption in traction power supply network

WEI Hua-yong, et al.

(AnhuiCommunicationsVocational&TechnicalCollage,HefeiAnhui230051,China)

Abstract：The feeding-line protection equipment will not operate when the all-parallel AT traction network is interrupted with grounding. Aiming at this phenomena, fault method has been established and calculated by mathematics method, the basic principle on circuit. The impedance got is compared to the impedance of short fault with the result that the grounding fault with interruption is a high-impedance grounding one. The impedance value is too much bigger than the short fault impedance, and exceeds the setpoint range of feeding-line protection impedance. In the paper, the using Matlab / Simulink software to establish traction network fault model and the simulation prove the accuracy of theoretical derivation and calculation in this article, and find the refuse reasons for feeding-line protection equipment when grounding fault with interruption.

Key words：all-parallel AT traction system; grounding fault with interruption; measured impedance;feeding-line protection; Matlab simulation

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)04-0040-05

中圖分類號：TP273.3

作者簡介：魏化永(1976-)，男(漢)，安徽宿州，講師

基金項目：2013年安徽省級質(zhì)量工程項目：教學研究項目(2013jyxm409)

收稿日期：2015-11-25

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.010