西宝客专牵引供电方式及牵引网故障测距.doc

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西宝客专牵引供电方式及牵引网故障测距
一、 概述
牵引供电系统是影响实现高速、重载运输的主要因素之一,牵引网的供电方式及合理的牵引变压器接线形式决定了牵引供电系统的供电质量和效果。
为满足客运专线线路空气阻力大，线路负荷高的客观实际要求，西宝客专牵引供电方式采用全并联AT供电方式.除牵引变电所外,AT所和AT分区所上、下行供电臂通过馈线断路器和隔离开关分别接入所内并联母线;接入各所同一方向供电臂上的自耦变压器采用一主一备运行方式，并设置故障自投以满足供电的可靠性要求;同时，为满足故障情况下的供电灵活性，AT分区所可通过并联母线联络隔离开关实现越区供电.
为了在接触故障情况下尽量缩小故障范围、灵活切除故障线路和快速查找故障地点，全并联AT供电方式设置了故障判定和测距装置，以满足AT供电方式及直接供电方式下的故障判定和测距要求.
二、牵引供电主接线方式
西宝客专供电方式采用全并联AT供电方式，所谓全并联AT供电方式指在SS（变电所)—ATP（AT所）—SP（分区所）的供电臂中,牵引网不仅在供电臂末端的分区所进行上下行并联，而且在供电臂中间的AT所也进行上下行并联（如图1）。从而减少接触网单位长度阻抗，减少电压损失和增强供电能力，改善供电质量。

AT供电方式示意图

图1 AT供电方式原理图
自耦变压器供电方式,简称AT 供电方式。它具有以下几个特点：
①2×25kV系统，供电电压比直供方式高一倍，电压损失降为1/4，牵引网单位阻抗约为直供方式的1/4（实际略高），电能损失小，显示了良好的供电特性;
② 牵引变电所的间距大，易选址，减少了外部电源的工程数量和投资；
③ 减少了电分相数量，有利于列车的高速运行；
④牵引网回路是平衡回路，防干扰效果，可改善电磁环境，并减少防干扰费用；
⑤ 牵引网系统需设正馈线，较一般直供方式复杂，但在重负荷区段不必设加强导线，可与直供方式相当;变电系统较直供方式减少了牵引变电所的数量，但需设AT所,一般AT间距为10—20 km，开关设备需用双极；
⑥牵引网结构复杂，导线数量多,对跨线建筑物和隧道净空要求高,投资较大，保护和维护难度较大。
AT供电方式与其他供电方式对比
供电方式
直供方式
回流线+
直供方式
BT方式
AT方式
供电臂（km)
25-30
30
20
45-50
牵引网阻抗（Ω／km）
0.6-0.65
0.5-0。55
0.85—0。9
0.16-0.2
牵引网结构
由接触悬挂、钢轨组成,最简单
由接触悬挂、钢轨和回流线组成。
由接触悬挂、钢轨、回流线和吸流变压器组成。
由接触悬挂、钢轨、自耦变压器、正馈线和保护线组成，最复杂。
牵引网电压水平
较好
良好
较差
最好
牵引网电能损失
～5％
4～5%
7～8％
2～3％
防干扰特性
最差
较差
良好
良好
维护管理
最少
较少
较多
最多
牵引网造价
最少
较少
较大
最大
几种供电方式对比图示
综上所述,技术上AT和带回流线直供方式均能满足300km/h及以上高速牵引.两者相比，AT供电方式更能适应大功率负荷的供电，同时电分相数目减少.但AT供电方式接触网结构复杂，供变电设施较多，运营维护难度较大。
以下以西宝客专常兴变电所为例对西宝客专变电系统主接线情况进行简单描述。
(一）及主变接线方式（含自投及保护设置)
1、330KV侧主接线方式
常兴变电所接引电力系统两回独立、可靠的 330kV 电源供电（2回外电引自地方330kv段家变电站），两回电源互为热备用.牵引变电所 330kV 进线侧采用线路变压器组接线，不设跨条;各所两路进线隔离开关电源侧各装一组电压互感器、一组避雷器并通过手动隔离开关接引在进线电源上。牵引变压器采用单相变压器 V 接形式，设置四台40MVA单相变压器，组成两组单相V/V接线。两组变压器按照固定备用、一主一备方式运行，正常情况下1、3投运，2、4备投，并设置备用电源自投装置。如图2所示
图2常兴变电所330侧接线图
目前我国客运专线多采用单相接线和V/X 接线这两种接线方式。

v/x接线原理图 单相v/v接线原理图
VX接线
VX接线由两台用于AT供电的单相三绕组变压器组合而成，两台单相变压器的原边线圈作Ｖ形联结形成与高压电网连接的三个输入端，副边线圈各引出中间接地点,由两台单相变压器的副边线的四个端点形成Ｘ型连接的四个输出端子。其中连接接触网的次边绕组是T 绕组,接正馈线的次边绕组是F 绕组。二次绕组引出了中性点接地可兼作馈线AT。
当列车运行于第一个AT段中时，流过主变压器副边绕组的牵引电流较大，要求的主变压器计算容量也较大。主变压器副边中点直接接地，部分回流可经由大地流回，使防干扰性能降低，且副边短路时,短路电流较大。当馈电线断路器断开而牵引网仍通过开闭所或分区所越区供电时，靠近馈电线断路器断开的一个AT段的牵引网阻抗和电压损失增大三倍。当馈电线断路器断开而牵引网仍通过开闭所或分区所越区供电时,靠近馈电线断路器断开的一个AT段的牵引网阻抗和电压损失增大三倍。故这种接线方式正渐渐被单相接线方式所替代.
单相v/v接线
原边绕组接入三相电力系统的A、B 相。副边绕组出线端子分别接到2×27。5kV 上下行牵引母线上。牵引母线分别通过馈电线向变电所两侧供电臂的牵引网供电。目前的单相变压器都已经集成了自耦变压的功能，从而减少了二次出口侧的自耦变压器,简化了牵引供电系统的接线和设备投资。
单相接线优缺点：
采用单相接线的牵引变压器，接触网电分相的数量是其他牵引变压器的一半，适应高速铁路列车运行速度高的要求.
西宝客专牵引变电所多采用330kV的进线电压等级，较之110 kV 电网系统阻抗小、短路容量大，牵引负荷所引起的谐波、负序和电压波动问题可望得到较大缓解。从而在一定程度上克服了单相变压器的缺点，为采用单相变压器的使用创造了条件。
单相变压器具有结构简单、一次侧设备数量少、容量利用率高、电能损耗小、有效利用列车再生电能、运营费用低、运营维护方便和工程投资较低、占地面积小等优点，这是其他接线形式的牵引变压器所不具备的。
单相接线牵引变压器也存在一定缺点，安装容量过大时，负序治理和变电所设计均比较困难。
西宝客专牵引主变设计采用单相V/V接线，有效的减少了接触网电分相的数量；提高了容量利用率；减小了电能损耗，是现阶段客运专线比较常见的接线方式。
2、保护设置
牵引变压器设置：变压器保护主要用于牵引变压器内部、外部故障及超出允许范围内的过负荷保护。
主变压器由差动保护单元、后备保护单元及测控单元组成。设有重瓦斯保护、差动保护、高压侧进线电源失压保护和低压侧低电压过电流保护等，保护动作将使牵引变压器高压侧和低压侧的断路器分闸并作用于事故信号；设有轻瓦斯保护、过负荷保护和过热保护等，保护动作将作用于预告信号.
自耦变压器的本体保护，设有重瓦斯保护,差动保护和过电流保护等;保护动作将使断路器跳闸并作用于事故信号；设有轻瓦斯保护、压力保护和过热保护等,保护动作将作用于预告信号。
3、自投方式（进线失压和主变故障启动备自投）
330KV的1号进线与2号进线相互备用，1、3号主变与2、4号相互备用。
以下以1号进线受电,1、3号主变运行,1021在分位的情况进行分析。
1号进线失压：先依次分开101、201、203、2011、2031、1011,然后检2号进线是否有压，若有压则合2021、2041、102、202、204。
1、3号主变故障:先依次分开101、201、203、2011、2031、1011，然后检2号进线是否有压，若有压则合2021、2041、102、202、204.
(二)馈线侧主接线方式
1、主接线方式

常兴变电所馈线侧接线图
西宝客专牵引变电所馈线侧采用馈线断路器互相备用方式。上下行由一个断路器供电，另一个备用。两馈线之间设置联络开关。当运行断路器故障退出运行后,通过联络开关投入备用断路器。
馈线侧设备：
2×27.5kV 侧接线采用单母线带隔离开关分段的接线型式。主变压器 2×27.5kV 侧的 T 和 F 线通过双极断路器、电流互感器和双极手动隔离开关接至 2×27。5kV 母线上。同一供电臂馈线之间设置一台上、下行联络电动隔离开关,可使所接的上、下行馈线断路器和隔离开关互为备用。
2、馈线保护设置
设置电流速断保护、过流保护、电流增量（高阻接地）保护和距离保护等；具有重合闸功能和直供方式测距功能。
对于有AT供电馈线的供电臂设有故障测距装置，当牵引网AT供电方式时采用AT中性点吸上电流比原理实现故障测距；当AT解列后变成直供方式时则由馈线保护装置自带的测距功能以线性电抗逼近法原理实现测距，两者相结合完成不同运行方式下的测距功能.
AT所、AT分区所:馈线设有失压跳闸和失压后检有压自动合闸功能。
3、馈线自动重合闸及与AT所、分区所保护配合
在AT供电正常运行方式下，当发生瞬时故障时，牵引变电所同一侧供电臂上、下行馈线断路器保护跳闸， AT所、分区所馈线断路器先后因失压保护动作，延时跳闸;经过重合闸整定延时后，牵引变电所同一侧供电臂上、下行馈线断路器发出重合闸指令，若重合成功，AT所、分区所馈线断路器检有压并延时后自动合闸，此时恢复为AT供电方式供电。
当发生永久性故障时，牵引变电所同一侧供电臂上、下行馈线断路器重合闸失败，因未到整定时限，AT所、分区所馈线断路器无法检有压合闸,故上、下行解列,短时供电方式为直接供电方式。
4、接触网供电线接线方式
牵引变电所主变输出电压为55kV，经AT（自耦变压器,变比2：1）向接触网供电,一端接接触网,另一端接正馈线（简称AF线，架在田野侧，与接触悬挂等高)，其中点抽头则与钢轨相连.AF线的作用同BT供电方式中的NF线一样，起到防干扰功能，但效果较前者为好.此外，在AF线下方还架有一条保护（PW）线，当接触网绝缘破坏时起到保护跳闸作用，同时亦兼有防干扰及防雷效果.
三、故障测距
（一）中性点吸上电流比测距原理
AT吸上电流比原理是20世纪60年代末日本提出的,其基本原理如下：
假设AT为理想变压器、钢轨对地全绝缘，且沿线路阻抗参

数均匀分布，则当故障发生在第k至第k+1个AT之间时，有：
式中：
——-第K个AT所距变电所的距离（km);;
-—-第k个和第k+1个AT中性点吸上电流（A）；
D——-第k至k+1个AT间距（km）。
上面式中 称为吸上电流比，简称Q值。

说明：由于各厂家在用吸上电流比计算时,Q值的倍率选取和计算公式的不同。从Q值的计算公式可以看出Q<1，但为了传输和计算的方便，可能会将Q值放大100倍。
由于故障时，吸上电流比 会受到站场、大地泄漏、AT漏抗等因素的影响,所以在程序设计中，不采用整个AT段的直线测距公式，而是采用分段线性法，

分段线性测距法

举例：图中短路点的计算

AT吸上电流比缺陷
装置一次投资高：为了保证故障点两侧AT中性点吸上电流的同步采集，必须敷设专用的传输数据和控制信号通道;必须在每个AT处都设置一套数据采集与发送装置。
原理适用性较差：发生T-F故障时，AT被旁路,无法采集AT吸上电流；AT供电方式解列，AT退出运行，无法抽取AT中性点吸上电流。
装置可靠性低：当专用通道、AT处安装的数据采集与发送装置有任意一处故障则无法测距.
(二）电抗逼近法测距原理
牵引网短路时存在一定的过渡电阻,所以利用电抗和距离关系进行故障定位。

接线示意图
计算公式：
注意:供电臂上区间和站场的的单位阻抗不同，需分段线性整定，站场的单位电抗一般按区间电抗的1/3整定。
（三）故障测距数据采集过程
当AT牵引网发生故障后,变电所馈线保护启动的同时,通过专用通道下发一个数据采集命令，在故障电流切断前，同步采集每个AT中性点吸上电流，将每个AT中性点吸上电流通过专用通道传送到牵引变电所，比较各AT中性点电流的大小，电流最大的两个电流所在的AT段即为故障点所在区域，再通过软件计算出具体测距位置。
各AT所馈线均装有电压互感器，利用电压互感器测得的电压启动低电压元件启动AT中性点电流采集，一直持续到电流截断为止（电流截断由变电所馈线保护跳闸完成）.
（四）故障判定及测距
在正常运行方式下(AT所并联：两个馈线断路器合位、联络开关合位)，当发生瞬时性故障,收集AT所、分区所故障数据，主要采用吸上电流比测距原理;当发生永久性故障，直接采用变电所测距装置电抗法测距（数据采用重合闸失败后的测量电抗）。
首先判断是否TF线故障。当变电所、AT所和分区所的吸上电流小于TF型故障判断的电流整定值， 则为TF型故障；当不是TF故障时，故障AT段为吸上电流最大处所和最大相邻的次大值处所之间,采用AT中性点吸上电流比原理可判断复线AT牵引供电系统的T—R,F-R,F-PW线路短路故障。
四、结束语
本文主要以西宝客专常兴变电所主接线方式为依据，简单介绍了客专全并联AT系统在全并联运行方式下的主接线方式及故障判定及测距原理,包括保护配置及动作方式。
单相v/v全并联AT供电方式由于拓扑结构复杂，给故障判断和测距带来很多不确定因素，还需要根据工程施工情况及带电试运营阶段的调试情况进行进一步的研究,以满足实际运行和维护实际需要。