應(yīng)急狀態(tài)下多種牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式適應(yīng)性試驗(yàn)研究*

楊斯泐，李 強(qiáng)

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

為了掌握在應(yīng)急狀態(tài)下牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式和供電能力，對接觸網(wǎng)或變電設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急狀態(tài)下運(yùn)輸方式提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，有必要對應(yīng)急狀態(tài)下牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式和供電能力開展研究驗(yàn)證。

國內(nèi)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式分為正常運(yùn)行方式和故障運(yùn)行方式，正常運(yùn)行方式下一般牽引變電設(shè)備均有備用，接觸網(wǎng)無備用。當(dāng)牽引變電所內(nèi)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以投入備用設(shè)備，仍維持正常供電。當(dāng)牽引變電所全所退出時(shí)，就需要通過越區(qū)供電，延長供電范圍，但區(qū)間供電能力將有所降低。而當(dāng)接觸網(wǎng)設(shè)備故障時(shí)，則是完全退出整個供電臂，導(dǎo)致行車中斷。這種運(yùn)行方式的運(yùn)用靈活性差，在故障情況下恢復(fù)送電時(shí)間長，影響行車秩序，這與高速鐵路要求的快速、便捷相矛盾［1］。

當(dāng)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行異常情況下，由正常的AT供電方式變化為直接供電、越區(qū)供電等應(yīng)急狀態(tài)下的牽引供電系統(tǒng)不同運(yùn)行方式，驗(yàn)證應(yīng)急狀態(tài)下供電方式對應(yīng)的供電能力、保護(hù)設(shè)置等，為接觸網(wǎng)或變電設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急狀態(tài)下運(yùn)輸方式提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，并為其他客運(yùn)專線的運(yùn)輸提供技術(shù)支撐。

1 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式

1.1 正常運(yùn)行方式運(yùn)行現(xiàn)狀分析

我國高速鐵路主要采用全并聯(lián)AT供電方式作為正常運(yùn)行方式。并聯(lián)自耦變壓器形成的AT供電方式，能夠有效降低電氣化鐵路對通信線路的干擾，因?yàn)殡妷旱燃壍奶岣撸嗤瑺恳β氏禄芈穬?nèi)電流減小，電壓及功率損失都有所降低，從而全并聯(lián)AT供電方式具有良好的運(yùn)營適應(yīng)性。AT供電方式供電質(zhì)量高，牽引網(wǎng)阻抗小，電壓損失低，可以延長供電臂長度，增加牽引變電所間距。［2］

全并聯(lián)AT供電方式在供電臂末端投入AT分區(qū)所、供電臂中部投入AT所，保證供電系統(tǒng)以AT方式正常運(yùn)行。AT供電系統(tǒng)全并聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方式由上下行鋼軌、保護(hù)線每隔一定距離進(jìn)行一次橫向連接。上下行的接觸懸掛于AT所進(jìn)行連接。AT全并聯(lián)運(yùn)行方式網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 AT全并聯(lián)運(yùn)行方式網(wǎng)絡(luò)圖

1.2 牽引供電系統(tǒng)故障狀態(tài)分析

（1）牽引變電所一次設(shè)備故障

牽引變電所、AT所和分區(qū)所一次設(shè)備，包括220 kV側(cè)高壓設(shè)備、主變壓器、自耦變壓器、進(jìn)線斷路器等，均為一主一備方式，當(dāng)其中一組設(shè)備有故障后，故障組設(shè)備退出運(yùn)行，倒閘操作，備用組設(shè)備投入運(yùn)行，牽引變電所能夠繼續(xù)恢復(fù)正常工作。

變電所饋線斷路器一般采用上下行互為備用方式，當(dāng)一臺斷路器故障后，另一臺斷路器向上下行所有負(fù)荷供電。

AT所和分區(qū)所設(shè)置上下行并聯(lián)隔離開關(guān)柜，開關(guān)柜故障后，上下行解列運(yùn)行，備用自耦變壓器投入，運(yùn)行方式改變?yōu)樯舷滦蟹珠_運(yùn)行方式。

（2）供電區(qū)間接觸網(wǎng)短路故障

第1AT供電區(qū)間，上下行線路T-R短路、F-R短路或T-F短路。

第2AT供電區(qū)間，上下行線路T-R短路、F-R短路或T-F短路。接觸網(wǎng)分區(qū)間短路示意如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)分區(qū)間短路示意圖

2 應(yīng)急狀態(tài)下的多種故障運(yùn)行方式

2.1 AT供電方式下的應(yīng)急運(yùn)行方式

2.1.1 AT供電上下行分開供電方式

供電區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)方案：AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關(guān)打開；AT分區(qū)所一方向上下行分別投入1AT、2AT自耦變壓器，AT分區(qū)所另一方向上下行分別投入3AT、4AT自耦變壓器；AT所下行線投入1AT自耦變壓器，上行線投入2AT自耦變壓器，實(shí)現(xiàn)上下行線路分開運(yùn)行的AT供電方式。AT供電上下行分開供電方式網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 AT供電上下行分開供電方式網(wǎng)絡(luò)圖

2.1.2 半AT半直供供電方式

（1）下行直供、上行AT方式

供電區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)方案：變電所下行F線隔離開關(guān)斷開，AT所和分區(qū)所下行F線隔離開關(guān)斷開，AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關(guān)閉合。下行直供、上行AT供電方式網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 下行直供、上行AT供電方式網(wǎng)絡(luò)圖

（2）第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT

供電區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)方案：變電所上下行F線隔離開關(guān)斷開，AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關(guān)閉合。第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 直接供電方式下的應(yīng)急運(yùn)行方式

2.2.1 直接供電全并聯(lián)供電方式

供電區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)方案：變電所上下行F線隔離開關(guān)斷開；AT所及分區(qū)所全部自耦變壓器與母線間斷路器斷開；AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關(guān)閉合。直接供電全并聯(lián)供電方式網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 直接供電全并聯(lián)供電方式網(wǎng)絡(luò)圖

2.2.2 直接供電分開供電方式

供電區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)方案：變電所上下行F線隔離開關(guān)斷開；AT所及分區(qū)所全部自耦變壓器與母線間斷路器斷開；AT所及分區(qū)所上下行斷路器間的隔離開關(guān)斷開。直接供電分開供電方式網(wǎng)絡(luò)如圖7所示。

圖7 直接供電分開供電方式網(wǎng)絡(luò)圖

2.3 越區(qū)供電方式

2.3.1 AT越區(qū)供電方式

首端牽引變電所越過中端AT分區(qū)所供電至末端牽引變電所，末端變電所饋線斷路器斷開，首末端牽引變電所間AT所及AT分區(qū)所自耦變壓器與母線間斷路器閉合，上下行斷路器間的隔離開關(guān)閉合。AT越區(qū)供電方式網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。

圖8 AT越區(qū)供電方式網(wǎng)絡(luò)圖

2.3.2 直供越區(qū)供電方式（上下行不并聯(lián)）

首端牽引變電所越過中端AT分區(qū)所供電至末端牽引變電所，末端變電所饋線斷路器斷開，首末端牽引變電所間AT所及AT分區(qū)所自耦變壓器與母線間斷路器斷開，上下行斷路器間的隔離開關(guān)斷開。直供越區(qū)供電方式網(wǎng)絡(luò)如圖9所示。

圖9 直供越區(qū)供電方式網(wǎng)絡(luò)圖

3 適應(yīng)性能力試驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 AT應(yīng)急供電方式運(yùn)行參數(shù)測試

3.1.1 AT上下行分開供電方式

AT上下行分開供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 AT上下行分開供電方式電壓數(shù)據(jù)（全天）

表2 AT上下行分開供電方式電流數(shù)據(jù)（全天）

注：THD為電壓綜合畸變率參數(shù)。

AT上下行分開供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間變化如圖10所示。在此種工況下動車組能夠正常運(yùn)行和取流，電流的分配情況與動車組運(yùn)行在上行線、還是下行線相關(guān)。如果動車組運(yùn)行在下行線，動車組取流流經(jīng)下行T線和F線（上行線同理）。此種供電方式供電能力相較于AT全并聯(lián)供電，會造成饋線負(fù)荷電流的成倍增加。

圖10 AT上下行分開供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間變化圖

3.1.2 下行直供、上行AT供電方式

下行直供、上行AT供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3 下行直供、上行AT供電方式電壓數(shù)據(jù)

表4 下行直供、上行AT供電方式電流數(shù)據(jù)（全天）

下行直供、上行AT供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間的變化如圖11所示。在此種工況下動車組能夠正常運(yùn)行和取流，直供區(qū)段變電所電流主要分布于T線，相同負(fù)荷下載流量成倍增加，AT區(qū)段電流分布于T線和F線，載流能力較強(qiáng)，能夠臨時(shí)采用此種方式進(jìn)行供電。

圖11 下行直供、上行AT供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間變化圖

3.1.3 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式

第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表5、表6。

表5 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式電壓數(shù)據(jù)

表6 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式電流數(shù)據(jù)（全天）

第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間的變化如圖12所示。在此種工況下動車組能夠正常運(yùn)行和取流，直供區(qū)段變電所電流主要分布于T線，造成變電所出口T線載流明顯增大，會增加變壓器繞組容量要求。AT區(qū)段電流分布于T線和F線，載流能力較強(qiáng)。

圖12 第1網(wǎng)孔直供、第2網(wǎng)孔AT供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間變化圖

3.2 直接應(yīng)急供電方式運(yùn)行參數(shù)測試

3.2.1 直接供電上下行分開供電方式

牽引變電所直接供電上下行分開供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表7、表8。

表7 牽引電所直接供電上下行分開供電方式電壓數(shù)據(jù)

表8 牽引變電所直接供電上下行分開供電方式電流數(shù)據(jù)

直接供電上下行分開供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間的變化如圖13所示。此種工況下動車組能夠正常運(yùn)行和取流，電流的分配在T線上，由于上下行分開供電，導(dǎo)致饋線電流較大。

圖13 直接供電上下行分開供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間變化圖

3.2.2 直接供電全并聯(lián)供電方式

直接供電全并聯(lián)供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表9、表10。

表9 直接供電全并聯(lián)供電方式電壓數(shù)據(jù)

表10 直接供電全并聯(lián)供電方式電流數(shù)據(jù)

直接供電全并聯(lián)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間的變化如圖14所示。此種工況下動車組能夠正常運(yùn)行和取流，電流的分配在T線上，由于采用全并聯(lián)方式，電流分配在上下行2條T線上。增加了整個牽引供電系統(tǒng)的承載能力。

圖14 直接供電全并聯(lián)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間變化圖

3.3 越區(qū)應(yīng)急供電方式運(yùn)行參數(shù)測試

3.3.1 直接供電越區(qū)供電方式

直接供電越區(qū)供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表11、表12。

表11 直接供電越區(qū)供電方式電壓數(shù)據(jù)

表12 直接供電越區(qū)供電方式電流數(shù)據(jù)

直接供電越區(qū)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間的變化如圖15所示。對直供越區(qū)供電方式應(yīng)急工況下測試結(jié)果的分析可知，末端電壓對比首端電壓在未取流時(shí)略有升高，動車組牽引取流時(shí)電壓變化很大，電壓波動可能會造成動車組在越區(qū)供電運(yùn)行時(shí)意外跳主斷，當(dāng)天由于取流造成電壓波動導(dǎo)致動車組降速運(yùn)行停止其他試驗(yàn)。

圖15 直接供電越區(qū)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間變化圖

3.3.2 AT供電越區(qū)供電方式

AT供電越區(qū)供電方式電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)見表13、表14。

表13 AT供電越區(qū)供電方式電壓數(shù)據(jù)

表14 AT供電越區(qū)供電方式電流數(shù)據(jù)

AT供電越區(qū)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間的變化如圖16所示。對測試結(jié)果的分析可知，末端電壓對比首端電壓在未取流時(shí)略有升高，動車組牽引取流時(shí)電壓變化較大，電壓波動可能會造成動車組在越區(qū)供電運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)跳主斷故障。

圖16 AT供電越區(qū)供電方式下，變電所饋出電壓、饋線電流隨時(shí)間變化圖

4 牽引供電系統(tǒng)應(yīng)急狀態(tài)運(yùn)行分析

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)主要采用單相牽引變壓器的方式進(jìn)行電能變換，當(dāng)線路中發(fā)生正饋線（F線）短路故障，自耦變壓器所內(nèi)部故障等特殊工況時(shí)，全并聯(lián)AT供電方式下的牽引供電系統(tǒng)會降級或局部降級為直接供電方式。整個供電臂內(nèi)供電能力將會下降，同一列車負(fù)荷下的饋線電流會成倍地增加。在正常的供電負(fù)荷下，供電方式的降級使用會降低接觸網(wǎng)電壓水平，造成供電能力不足的情況發(fā)生。

在應(yīng)急供電方式下，全并聯(lián)AT供電方式變換為全部的帶回流線的直接供電方式時(shí)，直接供電方式的牽引網(wǎng)單位阻抗明顯大于全并聯(lián)方式，在相同負(fù)荷條件下，動車組取流造成的牽引網(wǎng)壓波動更為顯著，最低工作電壓下降明顯，但此種方式作為臨時(shí)應(yīng)急供電方式能夠滿足需求，但在滿圖運(yùn)行或載流量較大情況下，應(yīng)考慮保護(hù)定值的適應(yīng)性配置，防止誤動發(fā)生［3］。

部分區(qū)段采用直供，其他區(qū)段采用AT供電方式的應(yīng)急供電方式，故障區(qū)段無法利用正饋線進(jìn)行載流，從而造成接觸網(wǎng)載流量明顯增加，對直供區(qū)段接觸網(wǎng)載流能力也提出了更高的要求，這種方式能夠在盡可能縮小故障范圍和區(qū)段的條件下完成供電。

不同故障狀態(tài)造成了應(yīng)急狀態(tài)供電方式的特殊情況，不同應(yīng)急供電方式的供電能力也有較大區(qū)別。根據(jù)對多種應(yīng)急供電方式實(shí)測數(shù)據(jù)分析，供電能力大小排序一般為AT全并聯(lián)供電方式，半直供電半AT供電方式，全并聯(lián)直接供電方式，上下行分開直接供電方式，AT越區(qū)供電方式，直接供電越區(qū)供電方式等［4-5］。為了提高高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的適應(yīng)性，采用應(yīng)急工況方式供電時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循盡可能減少接觸網(wǎng)停電范圍和盡可能提供較大供電能力的原則；盡量將供電能力大的供電方式和運(yùn)行方式應(yīng)用到供電臂首端。

目前智能牽引供電系統(tǒng)廣域保護(hù)的運(yùn)用，層次化保護(hù)功能和自愈重構(gòu)功能，能夠在故障發(fā)生時(shí)盡可能地減小停電范圍，并通過自愈方式實(shí)現(xiàn)最佳應(yīng)急供電方式的匹配功能。在應(yīng)急工況下，要根據(jù)供電能力的實(shí)際情況，調(diào)整運(yùn)行列車的行車計(jì)劃和取流負(fù)荷情況，配合牽引供電系統(tǒng)應(yīng)急工況的調(diào)整，避免超過設(shè)計(jì)能力限值的情況發(fā)生。

5 結(jié)論及建議

當(dāng)牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行異常情況下，由正常運(yùn)行時(shí)的全并聯(lián)AT供電方式變化為直接供電、越區(qū)供電等應(yīng)急狀態(tài)下的牽引供電系統(tǒng)不同運(yùn)行方式，基本能夠滿足運(yùn)行，驗(yàn)證了不同應(yīng)急狀態(tài)下供電方式對應(yīng)的供電能力、保護(hù)設(shè)置能夠滿足各類應(yīng)急工況的需求。直接供電越區(qū)和AT供電越區(qū)動車組牽引取流時(shí)末端電壓波動較大，可能會對動車組整車運(yùn)行產(chǎn)生影響。為適應(yīng)應(yīng)急工況要求，應(yīng)當(dāng)遵循盡可能減少接觸網(wǎng)停電范圍和盡可能提供較大供電能力的原則；對牽引供電系統(tǒng)加強(qiáng)技術(shù)升級力度，采用廣域保護(hù)系統(tǒng)等新技術(shù)，保障高速鐵路牽引供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。