刘大岗，谭红岩，肖楚鹏

0 引言

传统的牵引供电方式需要在牵引变电所出口及分区所处设置多个电分相，并且存在谐波、无功、负序等电能质量问题。过分相与电能质量问题都严重制约着电气化铁道向高速、重载方向发展。本文研究的同相贯通供电方式可以有效地改善电气化铁道谐波、无功及负序问题，并且能从根本上取消过电分相环节。

当然，如果电气化铁道采取同相贯通供电方式，无论是牵引变电所还是牵引网结构及阻抗特性都发生了变化，因此，同相贯通供电保护配置不能照搬原有牵引供电系统的保护方案。牵引供电系统中，合理的保护是系统安全、可靠运行的前提。研究一种新的供电方式，必须同时研究与之相适应的保护方案。本文通过对同相贯通供电系统的研究，提出了一种适用于该供电方式下的继电保护方案。

1 同相贯通供电系统特点

与电力系统相连的同相贯通供电系统是一个交直交系统，主要由三相整流、直流储能、单相逆变以及所间协调并联环节组成。贯通式同相牵引供电系统能够很好地解决电分相、负序、无功、谐波等问题，利用多个外部电源同时向牵引负荷供电，具有送电能力强、综合技术经济指标高等优点。但是，贯通式供电方式及电力电子器件的采用使外部电源的系统阻抗、短路容量和传统的牵引供电系统相比有很大变化，同时也改变了牵引负荷和故障电气量的特征，现有的牵引供电系统保护配置与测距原理已经不能满足需要，必须全面研究适合贯通式同相牵引供电系统的保护、控制与故障测距技术。

同相供电变电所出口处左右两供电臂电压相位相同，所以变电所出口取消电分相环节。另外，由于采用全线贯通的方式，理论上2个相邻牵引变电所之间不用设置分区所，但是考虑到故障时保护装置可以缩小故障范围，便于各个区段检修维护时安全可靠分离。在两相邻变电所中间保留分区所，并在分区所设置相应的保护装置。

同相贯通供电系统结构如图1所示。

2 同相贯通供电保护配置方案

2.1 交直交变电所的保护方案

交直交变电所主接线图如图2所示。高压侧双回路电源进线，电力系统高压经高压侧隔离变压器变为整流装置可以承受的4 kV交流电，再经过整流逆变环节最终变换为AT牵引网需要的55 kV交流电。

该变电所分为以下3个部分：

（1）高压侧双回路电源进线和2台互为备用的三相降压变压器，高压侧采用内桥接线方式。当2路进线中的一路发生故障时，仅故障线路的断路器跳闸，另一条线路和2台变压器仍可正常运行。当任一变压器故障时，与其直接相连的2台断路器都必须断开，从而使系统短时间内按1路电源1台变压器方式运行。因此，采用内桥接线时当任一电源进线发生故障或者检修时，2台变压器仍然能够照常并列运行。

图1 同相贯通供电系统结构示意图

图2 交直交变电所主接线图

（2）交直交变流系统。贯通供电方式下该系统主要由三相整流、直流储能和单相逆变3个单元组成。

三相整流单元是将降压变压器输出的三相交流变换为直流，为负荷提供能量；直流储能单元是实现能量的缓存，不消耗有功功率；单相逆变单元是将直流侧电能转换成单相的交流电为机车传递有功功率，同时补偿机车产生的谐波和无功。

（3）单相升压变压器。由逆变环节得到的单相交流电经过单相升压变压器得到牵引负荷需要的55 kV电压。由于变压器容易出现故障，因此该升压变压器采用固定备用。当3号变压器出现故障或者检修时，投入4号变压器，整个系统仍能正常工作。

交直交牵引变电所具体保护配置见表1。

表1 交直交牵引变电所保护配置一览表

2.2 牵引网保护方案

贯通供电由于正常情况下全线贯通，当牵引网发生故障时，势必会对相邻变电所乃至整条线路和负荷产生影响。因此，当发生故障时，首先需要考虑尽可能缩小故障范围，尽量隔离故障，其中包括相邻区段之间、上下行之间的隔离。

基于将故障最简化的原则，在变电所出口处和分区所处仍需设置103#、203#和273#、274#分相断路器。牵引供电系统正常工作情况下，变电所出口断路器和分区所断路器均闭合，实现贯通供电。另外，变电所出口处 103#断路器的动作时限小于101#、102#出口馈线断路器的动作时限，当牵引网发生短路故障时，分区所和变电所出口处的断路器先动作；为了保证选择性，101#、102#断路器需要加装方向元件，判断故障方向，以免2路馈线断路器同时动作将故障范围扩散到相邻区段。

目前，国内高速铁路牵引网均采用距离保护作为主保护，本文根据同相贯通供电故障特性，牵引网主保护采用自适应二段距离保护。距离一段保护范围从变电所到分区所，距离二段保护范围为变电所到最后一个AT区段（不包括最后一个AT段）。

当距离保护采用四边形特性时，如果故障发生在变电所出口处，对应的是动作特性图的原点，也是距离保护的死区，为了消除距离保护死区，增加电流速断保护与距离保护配合。电流速断保护一般整定值较大，保护范围很小。

距离保护一般是按躲过线路最大负荷整定，所以整定值较小。当牵引网发生高阻接地故障时，距离保护不能正确动作。因此，配置电流增量ΔI保护作为后备保护。分区所断路器与变电所出口断路器设置同样的保护，只是整定值有所区别。

同相贯通供电牵引网、变电所出口、分区所断路器设置如图3所示。

图3 同相贯通供电牵引网结构图

牵引网具体保护配置如表2所示。

表2 牵引网保护配置一览表

3 结论与展望

以电力电子器件和控制理论为基础的贯通供电系统可以实现电气化铁路内部的同相联网，消除或大大减轻对电力系统电能质量影响，彻底解决高速电气化铁路电能质量问题，是理想可行的新型牵引供电方案。该系统具有以下优势：

（1）在正常工作甚至更宽的范围内，电力系统的电压偏差与波动、电源频率偏差等与牵引供电系统自身电压调整互不影响，可各自独立进行，谐波问题极大改善，理论上为零。实现电力系统与牵引供电系统零干扰或低干扰隔离。

（2）不存在负序问题。负序在运行中经电力电子器件的正弦调制而消除。

（3）理想情况下牵引供电系统只从公用电网取得三相正序有功电流。

（4）减少电分相环节，并为电气化铁路高速、重载提供保证。

本文仅从理论上设计了适用于同相贯通供电的继电保护方案，为进一步完善贯通供电保护配置，还需进行大量保护整定仿真实验和工程实践。

[1]李群湛.牵引供电系统分析[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[2]贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3]王小峰.全并联AT牵引供电方式及保护方案研究[J].电气化铁道，2007，（5）：1-4.

[4]张秀峰.高速铁路同相 AT牵引供电系统研究[D].西南交通大学博士研究生学位论文，2006，14-24.

[5]李群湛.电气化铁道电能质量及其综合控制技术[M].成都：西南交通大学出版社，2007.