新型電纜貫通供電系統的保護方案

張麗艷 ，羅 博 ，鄭 興 ，劉逾霄 ，王 杰

（1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學唐山研究院，河北 唐山 063000）

電分相一直是既有高速鐵路供電系統的供電瓶頸[1-2]，西南交通大學李群湛教授等[3-4]將電力電纜和組合式同相供電技術相結合，提出一種新型電纜貫通供電系統，取消了牽引變電所出口處和分區所處電分相，從根本上解決了電分相問題，實現全線貫通供電，并且電纜波阻抗小，供電距離長，大大提升了供電性能.

新型電纜貫通供電系統自提出以來，大量文獻集中于研究該系統在正常運行時的潮流計算建模[5-6]、電壓電流特性分析[7-8]、諧波傳遞規律[9]、再生能量利用[10]等，并取得了較大的進展，但該系統短路情況卻少有研究.

為保證系統服役期間安全可靠運行，深入研究該系統短路故障的繼電保護方法意義重大.由于新型電纜貫通供電系統較既有牽引供電系統增加了牽引電纜，并且接觸網也由單邊供電變成了一種特殊的雙邊供電模式，導致短路電流與正常負荷電流流向一致[6-7]，使繼電保護方案的研究變得困難和復雜.目前，新型電纜貫通供電系統接觸網現有短路保護的研究均將其視為單邊供電形式，提出低電壓啟動的縱差電流保護方案，并且高壓牽引電纜的保護也是忽略分布電容電流，直接沿用現有接觸網的保護方案[3,11-12]，顯然，接觸網和牽引電纜保護的準確性和可靠性大大降低.

因此，為了使新型電纜貫通供電系統接觸網和牽引電纜在發生短路故障時，保護準確可靠，并且使故障范圍降到最低，本文對接觸網和牽引電纜的分段保護展開研究.首先，針對雙邊受電模式下負荷電流會使接觸網現有保護方案誤動作的問題，探討采用故障分量電流構成接觸網的短路保護，以此消除雙邊供電下正常負荷電流的影響；然后，針對空載時電容電流會使高壓牽引電纜現有保護方案誤動作的情況，擬尋求一種消除電容電流影響的方法來構成牽引電纜的短路保護；最后，仿真驗證本文所提接觸網和牽引電纜保護方案的準確性和可靠性，為該系統的繼電保護方案提供理論指導.

1 系統組成與分段保護結構

1.1 電纜貫通供電系統

電纜貫通供電系統如圖1 所示.圖中：GC、HC分別為供電電纜和回流電纜；D1、D2為回路；T、R 分別代表接觸網和鋼軌；TT1、TT2和TT3為牽引變壓器.主變電所一次側與電力系統220 kV 或者更高電壓等級相連，二次側連接110 kV 牽引電纜（供電電纜和回流電纜），所內配置組合式同相供電裝置[2]，取消出口處電分相.牽引電纜和27.5 kV 接觸網-鋼軌沿電氣化鐵路鋪設，牽引變壓器一次側和二次側每隔一定距離連接牽引電纜和接觸網-鋼軌，實現全線貫通供電.

1.2 接觸網和牽引電纜分段保護結構

接觸網和牽引電纜采用分段保護方案，接觸網和牽引電纜既可分開分段，也可集中分段[3].本文對接觸網和牽引電纜采用集中在每個牽引變壓器處進行分段，相鄰的兩個牽引變壓器之間形成一個分段回路（簡稱回路）.如圖1，回路D1、D2又分別包含對應回路的接觸網回路和牽引電纜回路.牽引電纜和接觸網的分段保護結構一樣，以接觸網為例介紹分段保護結構和原理，如圖2 所示.

圖2 接觸網分段保護結構示意Fig.2 Catenary sectional protection structure

在牽引變壓器處形成牽引所，每個牽引所包括牽引變壓器（TT）、電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）、斷路器（QF）和分段器（S）.電流互感器和斷路器安裝在每個分段線路左右兩側的分饋線上.斷路器正常運行時處于閉合狀態，短路故障時斷開用于切除故障回路.每個牽引所的電流和電壓互感器型號和變比均相同.每個回路設置一個測控單元（CK），用于每個回路左右兩側的電流電壓采集、短路故障判斷和控制斷路器動作.測控單元可以借助微機保護裝置實現對故障的判定.為實現線路兩端電流電壓的同步采樣，可以借助于GPS 技術[13].

2 接觸網分段保護

2.1 現有保護方案

2.1.1 故障判據

文獻[3]忽略接觸網對地分布電容，提出新型系統接觸網采用低電壓啟動的輸電線路電流縱差保護，具體保護判據為

式中：Ux為第x個牽引所的接觸網電壓模值，x=1,2,···；Udz 為設定的整分別為第x個牽引所右側接觸網電流和第x+1 個牽引所左側接觸網電流，以流入線路為正（下同），為差動電流，為制動電流.

文獻[3]取制動電流為0，若滿足式（1）則認定牽引所x和牽引所x+1 之間的接觸網分段發生短路.

2.1.2 正常負荷對現有保護方案的影響

1）正常負荷對本回路的影響

文獻[3]指出，若Ux0也成立，因此，新型系統接觸網如果繼續采用式（1）作為短路保護判據，那么正常負荷情況下可能造成斷路器誤動作.

2）正常負荷對非故障回路的影響

以圖2 為例，假設回路D1存在負荷，D2靠近牽引所TT2處發生接觸網短路，因為D1中的機車由TT1和TT2共同供電，滿足U20.因此，當D2發生故障時，D1的斷路器會誤動作.

2.2 故障分量電流縱差保護

由以上分析可見，正常負荷電流成為了影響電流縱差保護方案的干擾因素，為了使接觸網帶負荷非短路運行時保護可靠不動作，而在發生短路故障時準確動作，就要找到一種新的保護方法，此方法需要消除負荷電流的影響，針對新型供電系統，本文提出采用故障分量電流構成縱差保護方法.

2.2.1 故障判據

故障分量電流定義為發生故障后出現的電流，故障分量電流的原理如圖3 所示.圖中：分別為線路兩側的電源；ZSM、ZSN分別為兩側等值系統阻抗；為短路故障狀態（正常運行狀態）時的電流；分別為正常運行狀態、故障附加狀態下流經電壓源的電流.假設在點f發生短路故障，如圖3（a）所示，這種狀態稱為短路故障狀態.在點f串聯2 個大小相等方向相反的電壓源U˙f等效為短路點，是短路發生前點f的電壓.利用疊加原理可將圖3（a）短路故障狀態分解為圖3（b）正常運行狀態和圖3（c）故障附加狀態.將圖3（c）僅在短路故障后由產生的電流稱為故障分量電流.由疊加原理可知，在接觸網帶負荷正常運行時，均為0，而在短路故障后不為0，因此，用故障分量電流構成的縱差保護可以消除負荷電流的影響，使接觸網在帶負荷正常運行時保護可靠不動作.但在接觸網某回路發生短路后能否準確切除故障回路，而非故障回路可靠不動作還需要進一步討論.

圖3 故障分量電流原理Fig.3 Principle of fault component current

根據故障分量電流形式不同，可分故障分量相量電流縱差保護和故障分量瞬時值電流縱差保護2 種[14]，則本文由故障分量電流構成的接觸網保護判據由式（1）改寫為式（2）和式（3）.

這2 個判據除了電流形式不同，保護性能并無差別[14].假設圖1 中D2分段回路接觸網某位置f發生短路故障，附加電源對于故障回路D2是區內電源，而對于非故障回路D1是區外電源，則D1、D2的故障附加狀態如圖4 所示.圖中：ZTT1、ZTT2、ZTT3分別為牽引變壓器等效到二次側阻抗； ?I˙zg1、 ?I˙yg1（ ?I˙zg2、 ?I˙yg2）分別為D1（D2）左、右兩側的故障分量電流.

圖4 D1、D2 故障附加狀態Fig.4 D1 and D2 fault additional status

將圖4 中D1、D2故障分量電流的相量關系繪制在圖5 中.

圖5 D1、D2 故障分量電流相量Fig.5 D1 and D2 fault component current phasor

由圖5 可知：回路D2（D1）故障分量差動電流模值大于（小于）制動電流模值，則保護裝置能夠準確隔離故障回路D2，而非故障回路D1的斷路器可靠不動作.

2.2.2 故障分量的提取

故障分量電流由式（4）采樣提取[14].

式中：Δi(k)為第k次的故障分量電流采樣值；i(k)為第k次的電流采樣值；G為每個工頻周期采樣次數.

可見在接觸網帶負荷正常運行時，Δi(k)=0，而在接觸網發生短路故障時Δi(k)≠0.

2.3 接觸網保護動作流程

基于以上分析，本文所提的接觸網保護方案的動作步驟和流程如圖6 所示.

圖6 接觸網保護動作程序框圖Fig.6 Procedure of catenary protection action

3 牽引電纜分段保護

3.1 現有保護方案

3.1.1 故障判據

文獻[3]指出新型系統電纜分段保護沿用2.1.1 節的接觸網分段保護，此時式（1）中接觸網的電壓電流變為電纜的電壓電流，然而，式（1）是忽略分布電容推導的，但是高壓電纜的分布電容不容忽視，直接將式（1）用到電纜保護顯然是不合理的.

3.1.2 分布電容對現有保護方案的影響

新型電纜貫通供電系統空載情況下電纜容性效應明顯，電容電流使電纜兩端電流大小和相位發生變化[15]，從而影響式（1）的準確性.而該系統在帶負荷運行時電容對電流縱差保護影響不大[8]，所以，本文重點研究空載情況下電纜電容對式（1）的影響.類似于2.1.2 節，分別針對Ux

1） 空載非短路運行

空載電纜貫通供電系統Ux

圖7 D1 電纜回路等值電路Fig.7 Equivalent circuit of D1 cable loop

圖8 D1 電纜回路電流、電壓相量Fig.8 Current and voltage phasors of D1 cable loop

2） 空載短路運行

假設該系統空載情況下，回路D1發生牽引電纜短路故障，分析非故障回路D2牽引電纜電容對保護的影響.D2電纜回路等值電路如圖9 所示.

圖9 D2 電纜回路等值電路Fig.9 Equivalent circuit of D2 cable loop

圖9 中各變量的物理意義跟圖7 同理，不再贅述.

空載D1電纜短路情況下，同樣以為基準相量，將圖9 中D2電纜回路各電流、電壓的相量繪制在圖10 中.

圖10 D2 電纜回路電流、電壓相量Fig.10 Current and voltage phasors of D2 cable loop

3.2 空載下牽引電纜短路保護方法

分析可見，空載情況下電纜分布電容會使保護誤動作，因此要采取相應措施，補償掉空載情況下的電容電流，以此來構成牽引電纜的電流縱差分段保護，使空載情況下的斷路器接收到正確的動作指令.

一條高壓電纜輸電線路可等效成一個π 型等值電路[16]，Z01為線路的阻抗，Y1為線路導納，為了補償電容電流，可以在線路首末兩端分別產生一個與電容電流大小相等、方向相反的感性電流.因此，本文采用在空載時牽引電纜首末兩端并聯電抗器，負載時切除電抗器的方法補償空載下的電容電流，然后再構成電流縱差保護，電容電流補償原理如圖11所示.圖中：TCR 為晶閘管控制的電抗器；L1、L2為線路首末兩端并聯電抗器的電感大??；為電抗器提供的感性電流；為空載時的電容電流；為空載時線路首末兩端的電壓.

通過控制晶閘管的觸發延遲角α實現電抗器的并聯和退出，當α= π/2 時，電抗器并聯在系統中；當α= π 時，電抗器退出運行.

全補償空載電容電流時電抗器電感的大小由式（5）計算，以L1為例.

為了避免系統發生諧振，通常對電容電流采取過補償的方法，通常過補償運行時的脫諧度不大于10%[17].

則本文牽引電纜保護判據由式（1）改寫為

式中：UTx為第x個牽引所的電纜電壓模值；分別為牽引所x到牽引所x+ 1 分段牽引電纜左側和右側補償電容電流后的電流.

3.3 牽引電纜保護動作流程

基于本文所提的牽引電纜保護方案，其保護動作的步驟和流程如圖12 所示.

圖12 牽引電纜保護動作流程Fig.12 Procedure of traction cable protection action

4 仿真驗證

iβ和isβ分別是單相主變電所和組合式同相供電裝置提供的電流.組合式同相供電裝置只是通過不同端口的電流來對負序、無功、諧波進行補償，但是不會改變總的負荷電流.iLD由圖13 可知，流過牽引電纜和接觸網電流互感器的電流就是的iLD分量，而iLD只由負荷確定，跟有無組合式同相供電裝置無關，所以本文為了使仿真變得簡單但又不失準確性，就不考慮組合式同相供電裝置模塊.

圖13 負荷電流和組合式同相供電補償電流關系Fig.13 Relationship between load current and compensation current of combined in-phase power supply

在MATLAB/Simulink 中搭建圖1 所示的電纜貫通供電系統，牽引電纜和接觸網-鋼軌的線路參數引用文獻[5]，電力系統短路容量取18000 MV?A[18]，單相主變壓器容量取120 MV?A，牽引變壓器容量取40 MV?A，機車功率為20 MW，功率因數0.98，回路 D1、D2長度分別取25、30 km[7]， D1、D2各一輛機車，分別位于距離TT15 km、TT210 km 處，仿真模型如圖14 所示.

圖14 電纜貫通供電系統仿真模型Fig.14 Simulation model of continuous cable power supply system

4.1 接觸網短路保護驗證

分別建立工況1 （電壓異常導致Ux

圖15 工況1 電壓電流波形Fig.15 Voltage and current waveforms under condition 1

圖16 工況2 電壓電流波形Fig.16 Voltage and current waveforms under condition 2

考慮計算量，本文采用故障分量瞬時值電流縱差保護，將圖15、16 中D1、D2接觸網回路左右兩側的故障分量電流瞬時值進行一周波6 次采樣[14].記錄下牽引所TT1～TT3二次側接觸網電壓模值U1～U3和D1、D2回路接觸網的差動電流模值和制動電流模值.工況1 和工況2 的數據分別如表1 和表2所示，因為表1 中本文方法6 次采樣的結果一樣，所以只記錄1 次的數據即可.

表1 工況1 數據Tab.1 Data under working condition 1

由表1 可知：當電壓Ux

由表2 可知：當回路D2發生接觸網短路故障時，現有方法非故障回路D1滿足式（1），導致非故障回路的斷路器誤動作，而本文所提方法非故障回路D1的故障分量差動電流模值均小于制動電流模值，不滿足式（3），非故障回路斷路器可靠不動作，繼續運行；本文方法在第5 次采樣時，故障回路D2滿足式（3），斷路器準確動作，切除故障.結果驗證了采用故障分量電流構成接觸網縱差分段保護方案的正確性和可靠性.

4.2 牽引電纜短路保護驗證

空載運行時回路D1、D2供電電纜左右兩側電容電流的大小如表3 所示.

表3 空載電容電流Tab.3 Capacitance current without loadA

由表3 可知：空載下電纜會流過較大的容性電流，影響電流縱差保護的正確動作，不容忽視.將表3數據代入式（5）便可求出完全補償電容電流時回路D1、D2左右兩側電抗器大小分別為5.269、4.388 H，本文脫諧度取5%，則仿真時電抗器的大小分別取5.561、4.621 H.

建立負載正常運行、負載運行回路D1發生供電電纜接地短路、負載運行回路D1發生電纜相間短路、空載非短路運行（將主變電所輸出電壓由110 kV降為70 kV 來模擬）、空載回路D1發生供電電纜接地短路和空載回路D1發生電纜相間短路等各種工況，以上空載分為并聯電抗器（現有方法）和并聯電抗器（本文方法）2 種情況，短路時刻均為0.06 s，短路點均距離主變電所10 km 處.給出上述空載未并聯電抗器時回路D1供電電纜接地短路（工況3）和空載并聯電抗器時回路D1供電電纜接地短路（工況4）2 種情況的電壓電流波形，如圖17、18 所示，其他情況的電壓電流波形限于篇幅，不再給出.

圖17 工況3 電壓電流波形Fig.17 Voltage and current waveforms under working condition 3

圖18 工況4 電壓電流波形Fig.18 Voltage and current waveforms under working condition 4

記錄上述所有情況的TT1～TT3一次側供電電纜電壓模值UT1～UT3和回路D1、D2 供電電纜左右兩側的差動電流模值和制動電流模值，數據如表4所示，供電電纜UTdz取40 kV[11].

表4 各種工況下回路D1、D2 供電電纜數據Tab.4 Data of power supply cables in D1 and D2 loops under various working conditions

由表4 可知：負載各種工況下，回路D1、D2斷路器均能根據式（6）收到正確的動作指令.現有方法空載各種工況下：電壓異常但未發生短路時，回路D1、D2供電電纜電壓和電流（電容電流）均滿足式（1），保護誤動作；回路D1發生電纜短路時，非故障回路D2供電電纜電壓和電流也滿足式（1），保護誤動作.本文方法空載各種工況下：電壓異常但未發生短路時，回路D1、D2供電電纜電流不滿足式（6），保護可靠不動作；回路D1發生電纜短路時，故障回路D1供電電纜電壓和電流滿足式（6），保護準確動作，非故障回路D2供電電纜電流不滿足式（6），保護可靠不動作.結果驗證了空載情況下并聯電抗器、負載情況下切除電抗器所構成牽引電纜電流縱差分段保護方案的準確性和可靠性.

5 結 論

新型電纜貫通供電系統的保護方案由于接觸網類似于雙邊供電形式和牽引電纜電容的存在較既有牽引供電系統更加復雜，因此本文對電纜貫通供電系統的接觸網和牽引電纜短路保護進行研究，總結如下：

1） 接觸網和牽引電纜采用分段保護方案，發生短路故障時對應回路被切除，而非故障回路繼續運行，將故障范圍降到最低.

2） 該系統的接觸網類似于雙邊供電，負荷電流會引起現有保護方案誤動作，采用故障分量電流構成縱差保護能有效消除負荷影響，使接觸網帶負荷正常運行時保護可靠不動作，當某回路發生故障時能夠正確切除故障回路，而非故障回路斷路器可靠不動作.

3） 牽引電纜電容會在空載情況下引起現有保護方案誤動作，采用空載時電纜首末兩端并聯電抗器，及負載時切除電抗器構成電流差動保護可以有效解決這個問題，使空載和負載時斷路器都能正確動作.并且該方案在空載時投入電抗器可很好抑制電纜電壓抬升，負載時切除電抗器也不影響系統性能.