双线四角形接线分区亭及其改造.doc

双线四角形接线分区亭及其改造
钱植之
摘　要　论述了双线电气化分区亭的接线方式、保护及其特点。
关键词　电气化铁路　牵引供电　分区亭　微机保护
Section Post with Double—line Quadripole Wiring and its Refermation
Qian Zhizi
(Locomotive Depot, Xian Branch of Zheng Zhou Railway Bureau)
　　Abstract:The paper discussed the wiring pattern,protection and characteristics of electified section post with double line quadripole wiring.
　　Keywords:electrified railway, traction feeding,section post,microcomputer protection
1　前言
　　位于双线电气化铁路牵引变电所间的分区亭，具备越区供电、迂回供电及上下行并联供电的功能。它在减少牵引变电所进线电源、设备故障对牵引供电的影响，增加供电灵活性，提高牵引网电压水平，减少电能损耗等方面起着至关重要的作用。
　　80年代以来，随着京秦、大秦、西陇海、兰新、京广等双线电气化铁路的投运，分区亭数量剧增。从多年运行中所暴露的问题来看，既有分区亭接线及其保护在操作稳定性、运行灵活性、越区速度、切除短路故障的灵敏度等方面存在不足。因此有必要寻求一种理想的分区亭接线和保护模式加以替代。
　　从1995年起，西安铁路分局与西安勘测设计院、铁道部科学研究院机辆所合作，对西陇海电气化铁路窑村分区亭实施了主接线和继电保护的改造。1996年改造完成投运后至今取得了比较满意的效果。现将改造的关键技术进行介绍，并就理想的分区亭主接线模式及保护模式一同进行探讨。
2　理想接线模式——四节点完全接线最小联络通道数M的确定
　　众所周知，分区亭的主要作用是实现各进线的开关联络。为确保联络的可靠性、灵活性和简捷性，各进线(节点)间的联络通道的数量需满足“完全接线”的理想模式——N个节点的最小通道数M应等于N边形边数的对角线之和，以满足每两个节点间有一直捷通道、N-2条迂回通道的要求。计算公式为M=N.(N-1)/2。由此可推算双线电气化铁路常用的四进线分区亭完全接线的通道数M应为6。但在实际运行中，分区亭的对侧上下行供电臂的直捷通道极少应用，取消后几乎不影响使用效果。从而导出了这种分区亭的理想接线模式是由顺次连接各进线端的通道设备构成的四角形接线。
　　参考文献［2］指出：“由多角形构成的主接线，节点联系灵活，互备性好，……但当节点数量多时存在相互牵制大的缺点。当N小于5时，这种牵制大为减少，接线优越性显著。……四角形接线具备了多角形接线的各种优点，而基本克服了它的不足。”本文的推导结果与这个结论是相符的(图1)。

图1　完全接线及四角形接线的导出
3　不完全四角形接线及其不足
　　理想的接线模式不仅仅取决于通道构架的形式，还取决于通道设备的性能。既有直供方式下的分区亭接线（图2），由于在对侧上行及下行供电臂间使用了电动越区隔离开关，使这种接线的联络功能大大下降。

图2　不完全四角形分区亭典型主接线
281、282—上下行并联断路器；
2811、2812、2821、2822—进线电动隔离开关；
2801、2802、—下行、上行越区电动隔离开关；
1YH、2YH—单相电压互感器；
1ZB、2ZB—单相自用变；
1YJ、2YJ、3YJ、4YJ—监视四角电压的电压继电器。
这种接线存在以下不足：
　　这种接线在同侧上下行供电臂间接并联断路器，在断路器支路接入电流互感器配置低电压闭锁电流速断保护。四条进线通过各自的电动隔离开关与角端相连。一对角端装设一组单相电压互感器，另一对角端装设一组单相自用变。
　　由于同侧角间、对侧角间装设不同设备，我们称这种接线为“不完全四角形接线”。
　　（1）操作联锁复杂
　　由于使用了越区隔离开关和装设于并联支路的简单保护，为确保运行和操作安全，设置了包括进线隔离开关、越区隔离开关、并联断路器位置、进线带电状态等一系列复杂联锁（图3），由于联锁复杂，在越区操作过程中稍不注意就会因错步进入死区而延误时机。

图3　不完全四角形分区亭的联锁条件
　　（2）越区困难
　　由于越区隔离开关的操作条件为两端无电，故实施和解除越区时，需将电源侧有车供电臂前后停电两次。这对事故处理无疑是雪上加霜。加之繁忙干线只能利用列车间隙进线停电，等待时间长，严重耽误事故处理。
　　为解决上述越区困难，在郑洛电化设计时，设计部门编制了一套越区程控卡。在解除分区亭的操作联锁以后，通过多达11步的操作，可在电源侧供电臂不停电的情况下实施和解除越区。其关键思路是避免所有隔离开关开合负荷，操作过程见图4。

图4　不完全四角形分区亭的越区过程
　　上述操作是在无联锁情况下由计算机控制的。由于操作步数多，出现错步的概率也相应增大。长达1min倒闸过程易受运行状态变化的干扰。错步、短路或保护动作轻则会使整个操作失败，重则会导致设备损坏。因此，这种操作，即使逻辑上可行，也要慎重对待。
　　(3)越区情况下切除故障的选择性差
　　由于分区亭无越区断路器，当一条进线短路，在跳开并联断路器后，将由电源侧变电所同时切除分区亭两侧的上行或下行供电臂，造成直供方式的60km，AT方式的100～120km长的大范围停电(图5)。

图5　不完全四角形分区亭越区状态下的短路切除
4　完全四角形接线
　　针对不完全四角形接线存在的问题，我们将越区隔离开关改为真空断路器，形成了由四台断路器顺次连接的四角形接线。同时将位于断路器套管一侧的电流互感器二次进行和电流连接，并研制了分区亭专用的WXB-72带方向阻抗和电流速断的四馈线微机保护与之配套，从而构成了四条通道设备配置基本一致的完整四角形接线(图6)。

图6　完全四角形分区亭主接线及二次电流接线
　　与原接线相比，这种接线具有以下优点：
　　（1）简化联锁
　　由于完全接线用的和电流方式对进线电流取样，在越区供电时禁止两台并联断路器同处合闸位的限制就不复存在了。再加上越区断路器不受两端无电的操作限制，因此四台断路器可实行分合闸无条件操作。保留的仅为四台进线隔离开关与背侧两台断路器的位置联锁了。
　　必须指出，在确定新接线的联锁时，我们没有引入两侧供电臂有电时禁止越区断路器合闸的并列联锁。避免联锁过多降低二次接线的可靠性。为了进行探讨，提供了越区情况下并联断路器两侧并列联锁以及考虑了上下行不同时越区情况的并联断路器联锁的接点逻辑（图7）。
正常联锁(必用)

两侧并列联锁(选用)

上下行并联联锁(选用)

图7　完全四角形分区亭的联锁条件
　　(2)满足了快速越区的要求
　　由于越区断路器在一侧供电臂无电时可立即合闸，并在任何情况下无条件分闸，原接线对电源侧供电臂先行停电的越区操作要求不复存在，实现了即时快速越区（图8）。

(1)越区前

(2)越区侧馈线无电并断开

(3)和分区亭越区断路器、越区

图8　完全四角形分区亭的越区过程
　　（3）具有良好的切除短路进线的选择性，缩小了事故影响范围
　　完全四角形接线即四台断路器全投方式实行越区时，具有最佳短路切除选择性。它利用和电流接线和四套馈线方向阻抗和速断保护，能对电源侧上行、下行、负载侧上行、下行任一条进线的短路独立切除，并保留剩余三条正常进线按上下行并联的理想方式运行。这是任何其他接线方式无法做到的。由于有选择地切除短路进线，事故影响范围也比原接线缩小了一半（图9）。

图9　完全四角形分区亭越区时的短路切除
　　(4)具有极大的运行灵活性
　　这种接线在不操作任何进线隔离开关的情况下，能实现多达12种的越区方式，而且操作十分便捷。
　　在特殊情况下，可拉开有关的进线隔离开关后，通过两台断路器迂回实行上下行间的交叉越区。
　　由于可以随意调整断路器的推入位置，因此可以根据需要对运行断路器进行配置（图10）。

图10　完全四角形分区亭运行方式举例
5　几点说明
　　（1）和电流接线及其保护范围
　　窑村分区亭利用了既有接线断路器同侧的两台电流互感器与相邻断路器的电流互感器二次接成和电流接线。这种接线不仅能反映角外的电流大小和方向，而且能反映相连互感器至进线角端范围内的电流大小和方向。四组和电流接线基本覆盖了整个高压室，使微机进线保护具备了极好的内部保护性能。但与两台电流互感器在断路器异侧分布的完全和电流接线相比，前者的保护重叠范围较小，切除断路器本体故障不彻底。
　　为了回避复杂的和电流接线，可将电流互感器置于角外，将分区亭内部保护转给牵引变电所或者利用偏移阻抗的反向特性或四台电流互感器构成差动保护配以逻辑重合闸进行分区亭内部短路的选择性切除。
　　（2）分区亭接线方式
　　除完全四角形接线外，四角形接线的改型目前主要有以下两种：
　　1)利用真空负荷开关取代越区隔离开关的不完全四角形接线
　　这种接线同样具备快速越区功能，但无越区时独立切除进线故障的能力。在短路切除后，尽管也能利用拉开进线隔离开关扩大送电范围，但由于倒闸烦琐而增加了事故处理的复杂性，效果有限。
　　2)三断路器式接线
　　利用两台上下行并联断路器、一台越区断路器和四台电动隔离开关能实现 上下/上上/上下、上下/下下/上下、上下/上下/上下、上下/下上/上下四种基本越区方式。这种接线方式由于采用8台电动隔离开关和3台断路器，投资要超过完全四角形接线。与完全接线相比联锁复杂，切除短路进线的选择性略差。
　　（3）保护方式
　　窑村分区亭改造采用了新研制的WXB-72型分区亭保护装置。该装置通用于普通接线（不完全四角形接线）的分区亭，也能适用于象窑村那样的完全四角形接线的分区亭。该装置已于1999年4月通过铁道部级鉴定。它由三段四边形方向偏移阻抗、电流速断和一次自动重合闸组成，具有故障标定功能。能满足各种供电方式和各种接线的分区亭使用，并有效地解决了在完全四角形接线配套应用的关键问题。其主要特点如下：
采用越区真空负荷开关

三断路器接线之一

三断路器接线之二

图11　分区亭的其它接线方式
　　1)理想地解决了分区亭保护的相继动作问题。变电所出口附近短路时，分区亭保护与变电所故障供电臂的保护间，存在相继动作。其后果是延长短路切除时间，增加了变压器的短路冲击，并有可能引起非故障供电臂保护误动，扩大事故范围。WXB-72型保护大幅度地降低了阻抗保护的精工电流，使相继动作区缩至供电臂全长的2％，基本消除其不良后果。
　　2)针对目前分区亭接线只在对角安装一组电压互感器的实际情况，采用断路器位置检测和状态记忆推断的方法，解决了非电压测量端的电压选取问题。
　　3)实施线路保护动作无条件断开同角两台断路器的分闸逻辑。并采用位置记忆，有压检测、单独启动等重合闸逻辑，单独对四台断路器进行重合闸控制。
　　4)具备故障探测功能，弥补了变电所侧无法对越区供电臂进行快速故障测距的不足。并可对变电所的馈线故障探测装置进行补充和修正。
6　结论
　　由四节点完全接线演化而成的四角形分区亭接线，具有节点联系紧密、灵活、简练等特点，是双线电气化铁路四进线分区亭的一种理想模式。完全四角形接线采用了越区断路器及和电流接线，具有联锁简单、运行灵活、保护范围大、可快速越区、能有选择地切除故障进线、缩小事故范围等优点，整体性能上比不完全四角形接线提高了一大步。配用WXB-72型分区亭专用保护后，解决了长期困扰分区亭保护运用的相继动作问题，弥补了变电所无法对越区供电臂进线故障标定的不足，并使完全四角形接线的各项功能得到充分发挥。对不具备和电流接线的条件的，可采用较为简单的角外电流互感器取样方式，同样能达到满意的效果。
　　这种完全四角形接线及WXB-72型微机馈线保护已于1996年4月起在西陇海线电气化铁路西安分局管内的窑村分区亭投入试运行。经33次短路考验，效果良好。目前已在三桥、渭南、蔡家坡、杨陵等四个分区亭推广使用。此外，阳平关—上西坝双线电气化铁路的两个分区亭也将采用这种接线和保护，计划于1999年下半年投运。
　　这种新型分区亭接线和保护的推广应用，对提高双线电气化铁路的现代化水平，保障运行安全，发挥越区供电的效用，加速事故抢修，缩小事故的影响将起到举足轻重的作用。
作者简介：钱植之　高级工程师
作者单位：钱植之(西安铁路分局机务分处　西安　710054)
参考文献
1　电气化铁道设计手册.牵引供电系统.北京：中国铁道出版社，1988.
2　钱植之，符德川.四角形接线在牵引供电系统中的应用.纪念电气化铁路30周年论文集——运营分册，1991.
收稿日期：1999-04-30