AT供電方式接觸網(wǎng)上下行電流比故障測(cè)距探討

葉春暉 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭黃鐵路有限公司

電氣化鐵路電力牽引供電系統(tǒng)因設(shè)備和變壓器接線方式的不同，主要包括直接供電方式、BT供電方式、AT供電方式及CC供電方式。自上世紀(jì)60年代日本新干線AT供電方式投入運(yùn)營以來，AT供電方式因其良好的供電性能和防干擾效果，逐漸替代了BT供電方式，并伴隨世界電氣化鐵路的高速發(fā)展而迅速傳播。本文主要對(duì)變壓器VX接線下的AT牽引供電方式原理及接觸網(wǎng)上下行電流比短路故障測(cè)距方法進(jìn)行探析。

1 VX接線牽引變壓器

電氣化鐵路三相-兩相制式VX接線牽引變壓器是VV接線和AT方式純單相接線的技術(shù)整合，由兩臺(tái)AT供電的單相三繞組變壓器組合而成，AT供電方式單相牽引變壓器二次側(cè)雙繞組。AT供電方式單相牽引變壓器繞組聯(lián)結(jié)如圖1，VX變壓器接線如圖2。

圖1 AT單相變壓器繞組聯(lián)結(jié)示意圖

從圖1AT單相變壓器繞組聯(lián)結(jié)示意圖可以看出，變壓器次邊為雙繞組（每組繞數(shù)相同），其中*表示同名端（也叫同極性端），低壓側(cè)出線端子標(biāo)志為a1、x1、a2、x2，將x1、a2連接后接鋼軌和接地網(wǎng)，其他兩端分別接入接觸導(dǎo)線和正饋線；或?qū)1、x2連接后接鋼軌和接地網(wǎng)，其他兩端分別接入接觸導(dǎo)線和正饋線。通過AT供電單相三繞組變壓器原、次邊繞組線圈同名端及不同組合聯(lián)結(jié)方式設(shè)計(jì)，x1、a2或a1、x2饋出電壓差可達(dá)設(shè)計(jì)的2×27.5 kV。

圖2 VX變壓器接線原理圖

圖2 VX接線變壓器由兩臺(tái)AT供電方式單相牽引變壓器組成，有T1、F1、T2、F2接觸網(wǎng)上下行4路饋出端，通過平行布線，分相兩側(cè)上下行電壓大小相等方向相反，產(chǎn)生的電磁感應(yīng)相互抵銷，降低了對(duì)沿線通信設(shè)備的干擾。

2 牽引所亭系統(tǒng)布置

圖3 VX接線變壓器AT牽引供電系統(tǒng)布置

在牽引網(wǎng)中，并聯(lián)自耦變壓器形成的AT供電系統(tǒng)主要包括3種模式，第一種為55 kV模式，在牽引變電所內(nèi)以及接觸網(wǎng)上均設(shè)置AT設(shè)備，牽引變壓器中間不設(shè)置抽頭；第二種為2×27.5 kV模式，牽引變電所二次側(cè)中間設(shè)置抽頭，并與鋼軌連接，節(jié)約了一臺(tái)AT設(shè)備；第三種為新型AT供電方式，該方式下牽引變電所內(nèi)不設(shè)置AT設(shè)備，同時(shí)牽引變壓器不需要設(shè)置中間抽頭，牽引變電所內(nèi)無軌道-回流線的布置。本文介紹第二種2×27.5kV模式。VX接線變壓器AT牽引供電系統(tǒng)布置如圖3。

為整體減少進(jìn)入電力系統(tǒng)的負(fù)序分量，牽引變電所實(shí)行換相連接，即輪換接入電力系統(tǒng)的不同相，使得兩相鄰牽引變電所間的供電分區(qū)同相，以保證變電所兩邊供電分區(qū)的分相絕緣器所承受電壓值等于牽引網(wǎng)電壓。若變電所接入電力系統(tǒng)的CA、AB、CB相，接觸網(wǎng)對(duì)地電壓分別表示為Uca、Uab、Ubc，圖3所示牽引所1和牽引所2相鄰側(cè)分相絕緣器所承受電壓值均為Uca。若牽引所2在與牽引所1相鄰側(cè)接入電力系統(tǒng)AB相，則牽引所1和牽引所2相鄰側(cè)分相絕緣器所承受電壓將是Uca與Uab的相量差，絕對(duì)值為

3 接觸網(wǎng)上下行電流比故障測(cè)距

高速鐵路AT供電方式根據(jù)線路及通信條件可采用不同測(cè)距原理，主要包括AT中性點(diǎn)吸上電流比、橫連線電流比和上下行電流比測(cè)距原理。AT中性點(diǎn)吸上電流比故障測(cè)距原理主要通過故障點(diǎn)兩邊自耦變壓器中性點(diǎn)的吸上電流之比,計(jì)算故障點(diǎn)的位置。橫連線電流比原理主要根據(jù)故障電流分配比例來比較變電所、AT所及分區(qū)所3處的橫聯(lián)線電流，計(jì)算故障點(diǎn)距離。上下行電流比故障測(cè)距原理主要是上行或下行饋線電流與上下行饋線電流之和的比值，其中饋線電流是指上行或下行饋線出口處接觸線和正饋線電流之差，以此來計(jì)算故障點(diǎn)的位置。

圖4 AT所不并聯(lián)、分區(qū)所并聯(lián)運(yùn)行

如圖4，AT所不并聯(lián)、分區(qū)所并聯(lián)方式運(yùn)行下，當(dāng)接觸網(wǎng)ITF1側(cè)某處發(fā)生短路故障時(shí)，變電所的上下行饋線會(huì)同時(shí)向故障點(diǎn)提供短路電流。根據(jù)電路基本原理，當(dāng)電壓相同時(shí)，流經(jīng)阻抗元件的電流與阻抗大小成反比，根據(jù)圖4分析則有：

同理，當(dāng)接觸網(wǎng)ITF2側(cè)某處發(fā)生短路故障時(shí)，可得：

又故障距離大于零，故上下行電流比公式可整理為：

公式中ITF1=IT1-IF1為變電所下行饋出電流，ITF2=IT2-IF2為變電所上行饋出電流；D1為第一AT段距離，D2為第二AT段距離，單位km；L為故障測(cè)距距離。上述公式是AT所不并聯(lián)、分區(qū)所并聯(lián)情況下推導(dǎo)的。在實(shí)際運(yùn)行中，AT所、分區(qū)所上下行末端通常均為并聯(lián)，如圖5。

圖5 AT所、分區(qū)所均并聯(lián)運(yùn)行

第一種情況，接觸網(wǎng)跳閘故障在變電所和AT所之間，根據(jù)電路基本原理，可得上下行電流比公式：

第二種情況，接觸網(wǎng)故障跳閘在AT所和分區(qū)所之間，根據(jù)AT供電方式電流分布特點(diǎn)及電路基本原理，得：

整理得，上下行電流比公式：

公式中ITF3=IT3-IF3為分區(qū)所下行饋出電流，ITF4=IT4-IF4為分區(qū)所上行饋出電流。根據(jù)上下行電流比故障測(cè)距方法對(duì)1#牽引所和2#牽引所不同AT區(qū)段實(shí)際接觸網(wǎng)跳閘故障案例進(jìn)行分析。

1#牽引所接觸網(wǎng)跳閘故障類型，根據(jù)系統(tǒng)故障報(bào)文可知為下行T-R故障，故障距離4.66 km，故障測(cè)距相關(guān)設(shè)計(jì)定值見表1，故障測(cè)距系統(tǒng)報(bào)文見表2。

表1 1#牽引所故障測(cè)距相關(guān)設(shè)計(jì)定值

表2 1#牽引所故障測(cè)距系統(tǒng)報(bào)文

依據(jù)表2牽引所故障報(bào)文數(shù)據(jù)建立網(wǎng)孔電流分析見圖6。

圖6 1#牽引所AT供電方式電流分布圖

通過分析網(wǎng)孔電流分布可得下行T線節(jié)點(diǎn)電流不平衡，總吸上電流和與故障電流基本平衡，接觸網(wǎng)短路故障為下行T-R故障，故障點(diǎn)為牽引所與AT所之間，與系統(tǒng)故障類型判斷一致。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4）得故障距離:

故障公里標(biāo)=牽引所公里標(biāo)+故障距離-修正距離，將數(shù)據(jù)代入得：

故障公里標(biāo)=132.104 km。

故障距離和公里標(biāo)的計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)判斷的故障距離4.660 km和公里標(biāo)132.100 km基本一致。

2#牽引所接觸網(wǎng)跳閘故障類型，根據(jù)系統(tǒng)故障報(bào)文可知為下行T-R故障，故障距離22.870 km，故障測(cè)距相關(guān)設(shè)計(jì)定值見表3，故障測(cè)距系統(tǒng)報(bào)文見表4。依據(jù)表4牽引所故障報(bào)文數(shù)據(jù)建立網(wǎng)孔電流分析見圖7。

表3 2#牽引所故障測(cè)距相關(guān)設(shè)計(jì)定值

表4 2#牽引所故障測(cè)距系統(tǒng)報(bào)文

圖7 2#牽引所AT供電方式電流分布圖

通過分析網(wǎng)孔電流分布可得下行T線節(jié)點(diǎn)電流不平衡，總吸上電流和與故障電流基本平衡，接觸網(wǎng)短路故障為下行T-R故障，故障點(diǎn)為AT所與分區(qū)所之間，與系統(tǒng)故障類型判斷一致。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6）得:

故障公里標(biāo)=牽引所公里標(biāo)-故障距離-修正距離，將數(shù)據(jù)代入得：

故障公里標(biāo)=45.99 km。

故障距離和公里標(biāo)的計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)判斷的故障距離22.870 km和故障公里標(biāo)46.100 km基本一致。

需要特別說明的是，在利用接觸網(wǎng)上下行電流比法計(jì)算故障距離時(shí)，因同一牽引所不同供電臂整定值不同，故當(dāng)先通過網(wǎng)孔電流分析判斷故障點(diǎn)在第一AT段還是第二AT段，即故障點(diǎn)是在牽引所至AT所之間還是AT所至分區(qū)所之間，其次根據(jù)系統(tǒng)顯示的故障公里標(biāo)判斷故障點(diǎn)所在供電臂。在實(shí)際故障點(diǎn)公里標(biāo)查找時(shí)，利用修正距離進(jìn)行調(diào)整，使其更加符合實(shí)際距離。在日常運(yùn)用中，還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析，如在多股道站場(chǎng)或同一供電單元有不同分支供電臂時(shí)，系統(tǒng)判斷的故障測(cè)距和故障公里標(biāo)不能同時(shí)反映多個(gè)分支供電臂的情況，現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)多方向同步查找故障點(diǎn)避免留下設(shè)備安全隱患。

4 結(jié)束語

高速鐵路AT供電方式作為目前主要的牽引供電方式，了解其基本原理，并掌握常見的接觸網(wǎng)故障測(cè)距方法，對(duì)鐵路建設(shè)和接觸網(wǎng)設(shè)備日常運(yùn)行管理都很有幫助。在故障測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，故障跳閘后，對(duì)每次故障跳閘報(bào)文進(jìn)行認(rèn)真分析，核實(shí)相關(guān)參數(shù)及定值是否正確，發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)調(diào)整，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，為故障查找提供指導(dǎo)。