牵引供电网断线接地故障的阻抗模拟计算与仿真试验



牵引供电网断线接地故障的阻抗模拟计算与仿真试验

主要研究软件工程和通信工程。

魏化永，欧志新

(安徽交通职业技术学院，合肥 230051)

摘要：当客运专线AT供电牵引网发生接地故障时，馈线保护装置会发生拒动现象。针对这一现象，利用电路基本原理，采用数学方法建立故障模型并进行理论推导计算，将其与短路故障的阻抗进行比较分析，得出断线接地故障是一种高阻状态时的接地故障，阻值远大于短路时的阻抗，超出了馈线保护阻抗的整定值范围。利用Matlab/Simulink软件建立牵引网故障模型并进行了仿真验证，证明了本文理论推导计算的准确性，找到发生断线接地故障时馈线保护装置拒动的原因。

关键词：全并联AT供电；断线接地故障；测量阻抗；馈线保护；Matlab仿真

0引言

客运专线的电力机车受电，是通过受电弓和接触网之间的滑动来实现的，接触网是牵引网最重要的组成单元，其工作条件的恶劣性决定了故障的易发性。牵引网在露天条件下其牵引供电系统与电力系统相比，具有供电方式多样、结构复杂等特点。

牵引网的故障主要类型有高阻短路故障和金属性短路故障，断线接地故障属于一种高阻短路故障[1]。馈线保护装置作为常规故障保护的装置，对于金属性短路故障能可靠动作，但是由于断线接地故障的测量阻抗的特殊性，经常会发生拒动或误动现象。因此，分析断线接地故障的阻抗，对安全可靠供电模式的选择和应用具有重要的现实意义。

1全并联AT供电方式的特点

客运专线列车行车密度大、运行速度高，需要列车具有大牵引功率、供电分区尽可能少、可靠性要求高。

全并联AT 供电方式具有受流大、供电区段长、适应高速、可靠性更高安全性能好的特点，因而在铁路运行中受到广泛应用。全并联AT供电方式是在AT供电方式的基础上，将上、下行牵引网的接触线(T)、钢轨(R)和正馈线(AF)在变电所出线处及AT处通过横联线并联起来，其结构形式如图1所示[2]。

T.接触网；R.轨道；AF.正馈线；AT.自耦变压器

牵引变电所的主电路接线模式采用上、下行T接触线和F正馈线、2×27.5 kV的供电模式。其特点是在变电所内牵引馈线上均安装AT。

AT供电系统具有以下特点：1) AT分布间距为8～12 km，容量2 000～5 000 kVA；2)实际工程现场应用还加保护线(PW线)，保护线与钢轨隔段加连线，保证不间断通电；3)电源电压为2×27.5 kV。

在牵引网供电范围内，通过AT供电回路实现电流在接触网T与负馈线F之间的分配(按自耦变压器变比分配，通常n1∶n2为1∶1。即通过AT电磁回路实现牵引负荷能量的传递，它具有抑制通信干扰的全程防护作用。

回流线为正馈线T，间隔约10 km加一个AT变压器，供电电压为2×27.5 kV。这样可以使供电电压成倍提高，网上电压损失和电能损失小，钢轨电位低，抑制通信干扰效果好。牵引网阻抗小，供电距离长，为直接供电的170%～200%[3]。

2全并联AT馈线断线接地阻抗计算

馈线断线接地有2种情况：一种是远离电源侧端头悬空，靠近电源侧的端头接地；另一种情况是靠近电源侧的端头悬空，远离电源侧的端头接地。

由于全并联AT供电电路网络的复杂性和对称性，电源侧接地和非电源侧接地，这两种情况的计算方法几乎相同，原理也是一致的。

本文以电源侧接地、非电源侧悬空为例进行阻抗推导计算并构建仿真模型进行演示。

假设自耦变压器AT为理想变压器，接地为金属性短路接地，忽略上、下行之间的互感和钢轨的漏抗。全并联AT牵引网发生断线接地情况下的电流分布(方向箭头指向与大小正负)的规律和电压关系如图2 所示。

图2　AT馈线 (F) 断线接地

其中，参数定义：lA为变电所到AT侧(故障点靠近变电所侧的AT)的距离(km)；x为AT(故障点靠近变电所侧的AT)到故障点的距离(km)；D为故障点所在AT段的长度(km)；lB为故障点远离变电所侧的AT 到供电臂末端的距离(km)；ZT、ZR、ZF、ZTR、ZRF、ZTF分别为接触线(T)、钢轨(R)和正馈线(F)的单位自阻抗及它们之间的单位互阻抗(Ω /km)。

列节点电流方程得：

(1)

(2)

(3)

列网孔电压方程得:

-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)

则网孔电压方程化简为：

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

(6)

(7)

其中，对于式(1)～(7)，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7、Z8的含义分别为：

(8)

(9)

由式(8)和(9)得出，变电所处测得的阻抗值为：

3 AT供电方式故障测距原理

根据文献[4]推演的常规短路故障的公式，牵引变电所(lA+x)的牵引网T-R短路阻抗为：

(10)

此时Z1、Z2、Z3表示的意义如下：

(11)

F-R短路和T-R短路的故障分析与电路原理基本相同。因此，F-R短路阻抗表达式与T-R的相同，需要注意一点，当参数波动或改变时，需要在当量等值电路分析时将等值阻抗的参数T和F互换。

当T-F短路时，可忽略钢轨电流，从实际的牵引网电流网络中求得：

(12)

图3　AT供电方式断线接地故障点测距

将公式(12)进行修正如下：

这是为了克服AT漏抗、线路不均衡的影响。分析牵引网断线故障原因有以下两点：1)一方面消除衰减直流分量的影响；一方面可以确保同步。在电流截断前一个周波采样点作为计算电流幅值的基础， AT牵引网断线接地故障将使阻抗急剧增大，常规原理的保护(以距离为主保护)拒动。2)当供电臂(牵引变电所和接触网的连接线)发生故障时，沿线接触网工作电压降低，启动每个AT站的电流采集单元进行电流采集，持续至电流截断。

4试验模拟和仿真结果

牵引网断线接地仿真模型由4个模块构成：牵引变电所(主变压器)模块、牵引网模块、牵引网阻抗测量模块和牵引网断线故障模块。

需要说明的是，由于仿真是基于系统的节点导纳矩阵进行的，因此在处理外部电源出现的不稳定不均衡现象时，应把电压源与系统阻抗进行串联组合(或等效于电流源与系统导纳的并联组合)。

图4　仿真原理结构图

假设牵引变电所的节点导纳矩阵为Y，可列出方程组：

式中：A、B、C为变电所一次侧各个节点；a、b、c为二次侧对应的各个节点。

表1 统计出了10个采样点的理论计算值和仿真值，将表1 用图像表示为图5～7。理论数据指理论计算值，仿真值为仿真出的采样阻抗值，误差量为仿真值与理论值间的误差率。

表1　阻抗的理论值与仿真值比较

在AT供电区段，牵引负荷电流将沿正馈线(AF)回输到牵引变电所，在牵引变电所处，接触线、正馈线经架空线(供电线)接至牵引变压器55 kV母线上，PW线经供电线接至牵引变电所内AT的中间抽头上并经接地保护装置与接地网相连。

牵引负荷电流由电力机车所在位置经钢轨，保护线用连接线(CPW)，保护线(PW)流向AT的中心抽头。相邻两AT的间距通常在15～20 km左右。

图5　上下行钢轨与PW线每1 km纽接并接地，

1)回流线为正馈线T，可以和BT一样吸上地中电流，抑制通信干扰效果好；

2)供电电压为2×27.5 kV，供电电压成倍提高，牵引网阻抗小，供电距离长，为直接供电的170%～200%；

图6　吸上线间距3 km，上下行钢轨在牵引变电所、

图7　上下行钢轨、PW线每1km纽接，沿线铺设一根

图8　吸上线间距3 km，上下行钢轨在牵引变电所、

断线接地的故障电流与负荷电流的区别在于：断线接地故障电流是突变的，而负荷电流是渐变的。电流增量保护原理：

ΔI =I1h-I1q-KAKΣhI1h≥(1+KΣh)ΔIZD。

通过仿真图7～8得出，加上保护线PW后网上电压损失和电能损失小；可克服BT(吸流变压器)串入电网中的缺点，适合高速、重载机车运行；缺点是电流分布复杂、保护算法难度大、投资相对较大。

5结语

1)通过仿真验证，证明了全并联AT 断线接地阻抗公式推导的正确性，误差在-3%～5%之间，在误差允许的范围内(模型中的自耦变压器不是理想的)。T和F短路的阻抗成正比例递增，T和R短路的阻抗成马鞍型递增，由断线和短路故障阻抗的特性曲线(图6)可以看出，断线时的阻抗在每个AT 段均出现骤然增大的现象。

2)图7中，AT 段的某些地方会超过馈线保护阻抗的整定值，从而会使以距离保护为主保护的馈线保护装置拒动。通过阻抗计算得出，断线时的阻抗大于短路时的阻抗，甚至可以达到10倍。

3)通过断线阻抗的计算，如图8所示，对于馈线保护仅仅用距离作为主保护是不够的，还要增加针对于断线接地故障的后备保护，如文献[5]中提出的用电流的关系来整定，从而达到保护的目的。电流增量保护，可以避开阻抗的关系，将会对供电线路和设备起到更安全的保障作用。

参考文献

[1] 曹建猷.电气化铁道供电系统[M].北京:中国铁道出版社, 1983.

[2] 李群湛,贺建闽.牵引供电系统分析[M] . 成都:西南交通大学出版社,2007.

[3] 王继芳.全并联供电牵引网故障测距研究[D].成都：西南交通大学,2006.

[4] 贺建闽, 李群湛.用于同相供电系统的对称补偿技术[J].铁道学报,1998 ,20 (6) :47-51.

[5] 缪耀珊.AT 牵引变电所结线方式的技术经济分析[J].铁道学报,1986(4) :27-31.

[6] 曾晓红,高仕斌.AT 供电牵引网断线接地故障及其馈线保护动作分析[J].铁道学报，1996，18(2)：87-91.

[7] 高仕斌.高速铁路牵引供电系统新型保护原理研究[D].成都：西南交通大学，2004.

[8] 雍静.10kV变配电站低压自动无功补偿装置控制方式的选择[J].电工技术, 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

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0040-05

中图分类号：TP273.3

作者简介：魏化永(1976-)，男(汉)，安徽宿州，讲师

基金项目：2013年安徽省级质量工程项目：教学研究项目(2013jyxm409)

收稿日期：2015-11-25

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.010