葛海波

0 引言

随着高速铁路智能化技术不断发展，智能牵引变电所作为我国新一代智能高铁的重要组成，得到了越来越广泛的应用。广域保护测控系统作为智能牵引变电所的重要组成部分，借助全所数字化共享平台实现了广域保护、智能告警、远端维护等多个智能化应用，提高了牵引供电的安全性和可靠性。我国高铁线路的牵引网供电多采用全并联AT方式，牵引网故障时广域保护可以仅切除故障侧，非故障侧牵引网不断电，相比目前常规的牵引网保护方案具有更好的选择性，能有效缩小停电范围。文献[1-3]提出了基于阻抗特征和电流特征的广域保护方案，基于阻抗特征方案中，故障方向是根据AT 所或分区所保护装置计算的故障阻抗角度进行识别，基于电流特征方案中，故障方向是根据保护装置采集故障电流和电压的角度进行识别。两种方法均需引入电压作为识别条件，但若牵引所亭发生PT 断线，该所亭的广域保护将无法识别故障方向。文献[4]提出在变电所出口处发生短路时供电臂保护中的方向阻抗元件存在死区，并给出方向阻抗+上下行电流比识别故障方向的解决方法。

本文提出一种基于上下行差流比特征的故障方向识别判据，仅通过电流信息即可实现全并联AT 供电牵引网故障方向的识别，能有效避免在PT断线时广域保护的方向识别元件失效、无法正确动作的情况。

1 既有广域保护方案分析

1.1 既有广域保护构成及保护动作

广域保护主要应用于全并联AT 供电方式牵引网，由安装在变电所、AT 所、分区所的广域保护装置及广域保护通道组成[5]，如图1 所示。既有广域保护采用方向阻抗或方向过流元件识别牵引网故障方向，两种元件识别牵引网故障方向原理类似，本文以基于方向阻抗特征的广域保护为例进行分析。为保证所亭间广域保护交互信息一致须定义电流方向，通常定义由所亭流向线路为正向，由线路流向所亭为反向。变电所1QF 和2QF 处的方向阻抗保护范围为供电臂全长，AT 所3QF 和4QF 处的方向阻抗保护范围取AT 所左右相邻AT 段的较长AT 段，分区所5QF 和6QF 处方向阻抗保护范围为AT 所到分区所供电臂。

图1 广域保护构成示意图

当图1 中牵引网d1点发生故障时，变电所1QF、2QF 广域保护正向阻抗Z1、Z2启动；AT 所3QF 广域保护正向阻抗Z3启动，4QF 广域保护反向阻抗启动；由于故障在变电所—AT 所区间，故障电流基本由变电所和AT 所提供，流经分区所故障电流较小，分区所5QF和6QF广域保护无法感知故障，方向阻抗不启动。4QF 广域保护反向阻抗启动后，给牵引网同方向的2QF、6QF 广域保护发送闭锁正向阻抗启动信号，避免2QF 广域保护误动。当1QF或3QF 跳闸时，经广域保护通道给5QF 广域保护发联跳信号，联跳保护跳开5QF。当d1故障点越靠近变电所，流经AT 所电流越小，AT 所方向阻抗保护拒动概率越大。

当牵引网故障发生在AT 所—分区所区间d2点时，1QF、2QF、3QF、5QF 广域保护正向阻抗均启动。4QF、6QF 广域保护反向阻抗启动，闭锁2QF 广域保护的正向阻抗启动。需要注意的是，d2点越靠近分区所，流经AT 所的故障电流越小，AT所方向阻抗保护拒动概率越大。文献[4]对故障发生在变电所出口处AT 所方向阻抗存在死区，以及故障发生在AT 所出口处分区所方向阻抗存在死区的原因进行了详细理论分析，本文不再赘述。

当牵引网故障发生在AT 所母线d3点时，AT所上、下行的反向阻抗均启动，供电臂其他所亭的广域保护均闭锁。可以利用AT 所上、下行的反向阻抗均启动的特征识别所内母线故障，3QF、4QF广域保护的反向阻抗保护加速跳开3QF、4QF，切除AT 所母线故障。

1.2 既有广域保护缺陷分析

通过分析既有广域保护故障方向识别逻辑和动作过程，可以得出既有广域保护存在以下缺陷：

（1）牵引网发生故障时，变电所故障电流为所亭流向线路，方向为正向，变电所广域保护方向阻抗元件可正确识别故障，但无法识别故障方向。

（2）当故障发生在AT 所出口处时，由于流经分区所故障电流几乎为0，分区所方向阻抗保护无法启动，只有AT 所广域保护能识别故障方向。如果AT 所发生PT 断线，整个供电臂保护将无法识别故障方向，广域保护功能失效。

（3）当故障发生在分区所出口处时，由于流经AT 所故障电流几乎为0，AT 所方向阻抗保护无法启动，只有分区所广域保护能识别故障方向。如果分区所发生PT 断线，整个供电臂保护将无法识别故障方向，广域保护功能失效。

2 基于上下行差流比原理的广域保护方案

通过以上分析可以看出，当牵引网故障靠近AT 所处且AT 所发生PT 断线，或故障靠近分区所处且分区所发生PT 断线时，既有广域保护无法识别故障方向，失去选择性，因此PT 断线时需要闭锁广域保护，防止误动。下文通过对全并联AT 供电方式下短路电流特征进行分析，提出一种仅基于电流特征识别牵引网故障方向的方法，当AT 所或分区所内发生PT 断线时，广域保护仍能正确识别故障方向。

2.1 全并联AT 供电牵引网短路电流特征分析

2.1.1 变电所短路电流特征

当故障发生在变电所至AT 所区间时，变电所经AT 所至故障点的阻抗远小于变电所经分区所至故障点的阻抗，因此故障电流流经分区所较少，在分析过程中可以忽略，全并联AT 供电第一区段故障电流分配关系如图2 所示。

图2 第一区段故障变电所电流分配示意图

首先，分析变电所馈线短路电流与故障点的关系。文献[6]对全并联AT 供电方式下变电所电流与故障距离的关系进行了理论推导，推导结果如式（1）所示。

式中：I1为变电所下行馈线电流；I2为变电所上行馈线电流；L为变电所至AT 所的距离；x为变电所至故障点的距离。

从式（1）可以看出，当故障发生在下行d1点时，故障点距离变电所越近，变电所故障方向电流I1越大，变电所非故障方向电流I2越小。因此可以根据变电所上、下行馈线电流大小关系判断故障牵引网故障方向，变电所至AT 所区间的故障方向识别可根据式（2）中上下行电流比值大小确定。

式中：k为故障方向识别可靠系数。

2.1.2 AT 所、分区所短路电流特征

当故障发生在变电所至AT 所区间且故障类型为下行T-R 时，AT 所故障电流分配关系如图3 所示。可以看出AT 所的故障电流满足式（3）。

图3 第一区段T-R 故障AT 所电流分配示意图

AT 所上、下行馈线差电流ICD计算式为

故障在下行T 线时，根据全并联AT 供电牵引网故障时的电流分配特点，由式（3）和式（4）可得T-R 故障时AT 所差流为

同理，可以推导出变电所至AT所区间下行F-R、上行T-R、上行F-R 也满足式（5）。

故障类型为下行或上行T-F 故障时，AT 所故障电流分配关系如图4 所示，AT 所的故障电流满足式（6）。

图4 第一区段T-F 故障AT 所电流分配示意图

同理可以推导出当故障发生在AT 所至分区所区间时，AT 所和分区所上、下行差流关系，即故障发生在AT 所至分区所区间且故障类型为T-R、F-R 时，AT 所或分区所差电流分别为各自所亭吸上电流的50%；故障类型为T-F 时，AT 所或分区所差电流为0。

2.2 基于上下行差流比原理的广域保护方案

上一节分析了全并联AT 供电方式下短路电流特征，牵引网故障类型不同，变电所和子所（AT所和分区所）上、下行短路电流特征不同，故障侧电流和非故障侧电流特征均差异明显。

在牵引网保护中，常用的保护元件包括距离保护、电流速断、低压启动过电流和电流增量保护。根据中国铁路多年的运行经验，这些保护元件可以准确识别牵引网的各种类型故障，因此提出一种“保护元件识别故障，上、下行故障电流特征识别故障方向”的广域保护方案。

2.2.1 保护元件配置方案

牵引变电所配置距离保护、电流速断、低压启动过电流和电流增量保护，定值计算可参考QC/R 687—2018《牵引供电系统继电保护配置及整定计算导则》中整定原则进行整定。

AT 所和分区所配置距离保护、低压启动过电流和电流增量保护。AT 所距离保护范围按照取AT所左右两相邻AT 段中最大长度，分区所距离保护范围取AT 所到分区所AT 段长度整定。低压启动过电流保护按躲过流经AT 所（分区所）断路器的最大负荷电流整定。电流增量保护是牵引网高阻故障时的主要保护元件，定值可参考变电所电流增量保护整定计算原则并考虑一定的可靠系数确定。

2.2.2 故障方向识别方案

牵引变电所上、下行故障电流关系满足式（2），故障点越靠近AT 所，变电所上、下行电流越接近，k越趋近于1。为防止故障在AT 所附近时变电所故障方向识别错误，故障方向识别可靠系数k按照故障点在0.8 倍变电所至AT 所区段长度时变电所故障侧电流与非故障侧电流比值设置，取1.5。牵引变电所故障方向识别逻辑如图5 所示。

图5 牵引变电所故障方向识别逻辑

变电所至AT 所区段发生T-R 或F-R 故障时，AT 所的上、下行故障电流满足式（5），AT 所上、下行馈线故障电流差为AT 所自耦变吸上电流的50%。全并联AT 供电方式下，故障点越靠近AT所，AT 所自耦变吸上电流越大，AT 所上、下行馈线差电流越大；故障点越靠近变电所，AT 所自耦变吸上电流越小，AT 所上、下行馈线差电流也越小。为防止故障在变电所附近时AT 所故障方向识别错误，仅在AT 所吸上电流大于一定的门槛值才进行故障方向识别。AT 所T-R 或F-R 故障方向识别逻辑如图6 所示。

图6 AT 所故障方向识别逻辑

图6 中Iset为AT 所故障方向识别吸上电流门槛定值，Ig为AT 所吸上电流。

对于AT 所至分区所区间的T-R 或F-R 故障，AT 所或分区所仍可采用图6 中的故障方向识别逻辑实现故障方向判断。当供电臂发生T-F 故障时，AT 所或分区所的上、下行故障电流差值接近0，图6 的故障方向识别逻辑失效。

2.2.3 广域保护方案

由以上分析可以看出，仅采用上、下行故障电流特征识别故障方向时，如发生T-F 故障，供电臂部分区段故障方向识别逻辑会失效，因此需要加入既有的电压电流特征的故障方向识别逻辑。广域保护动作逻辑如图7 所示。当广域保护元件启动且故障方向判断为下行时，下行广域保护动作跳开断路器，同时闭锁上行广域保护，联跳同一供电臂下行断路器；当广域保护元件启动且故障方向判断为上行时，上行广域保护动作跳开断路器，同时闭锁下行广域保护，联跳同一供电臂上行断路器。

图7 广域保护动作逻辑

图7 中供电臂下行、上行故障方向识别逻辑如图8 所示。

图8 供电臂下行、上行故障方向识别逻辑

3 仿真验证

通过RTDS 仿真系统搭建全并联AT 供电方式下的牵引网仿真模型，模型相关参数如表1 所示。分别模拟变电所—AT 所、AT 所—分区所区间牵引网发生下行T-R、F-R、T-F 故障时，图8（a）中故障方向识别逻辑输出结果。

表1 仿真模型主要参数

3.1 变电所—AT 所区段仿真

模拟AT 所PT 断线时变电所—AT 所区段多个短路故障点的下行故障方向识别逻辑输出结果，仿真结果如图9 所示。输出结果为1 表示故障方向识别结果为下行，结果为0 表示故障方向无法识别，下同。可以看出，变电所故障方向识别在0～9 km范围内正确，AT 所故障在1～12 km 范围内T-R 和F-R 故障方向识别正确，在10～12 km 范围内的T-F故障变电所和AT 所故障方向均无法识别。

图9 变电所—AT 所区间下行故障识别结果

3.2 AT 所—分区所区段仿真

模拟AT 所、分区所PT 断线后AT 所—分区所区段多个短路故障点的下行故障方向识别逻辑输出结果。

AT 所PT 断线故障识别仿真结果如图10 所示。T-R 故障和F-R 故障时，故障发生在0～14 km 范围内，最少有一个所亭可以正确识别故障方向，仅在T-F 故障时AT 所0.5 km 范围内故障方向无法识别。由于篇幅有限，直接给出分区所PT 断线时结论，仅在T-F 故障时分区所0.5 km 范围内故障方向无法识别。

图10 AT 所PT 断线下行故障识别结果

当AT 所和分区所同时发生PT 断线时，仿真结果如图11 所示。

图11 AT 所、分区所同时发生PT 断线下行故障识别结果

由图11 可以看出，当AT 所和分区所同时发生PT断线时发生T-R故障和F-R故障，在0～14 km范围内最少有一个所亭可以正确识别故障方向，在T-F 故障时全区段故障方向无法识别。

4 结论

通过分析全并联AT 供电方式下牵引网不同故障类型和方向时变电所、AT 所和分区所的上、下行电流特征，提出基于上下行差流比原理的供电臂故障方向识别判据，并结合既有电压电流特征的故障方向识别逻辑给出广域保护方案，最后利用RTDS 系统建立仿真模型并验证了故障方向判据的有效性。仿真结果表明，基于上下行差流比和电压电流特征相结合的广域保护故障方向识别方案，在牵引所亭发生PT 断线时可大幅缩小无法识别故障方向的范围，提高了广域保护的选择性。