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摘要：在供电臂上增设并联开关站是提高直供方式牵引网负载能力的一种行之有效的方法，但设置并联开关站后，牵引网的保护和故障测距都将复杂化。本文通过和常规运行方式的分析对比，提出了供电臂上牵引变电所、并联开关站和分区所之间网络化保护联动的方案，以最简单的方式处理增加并联开关站带来的问题。
关键词：电气化铁道；并联开关站；保护
中图分类号： U226 文献标识码： A
引言
目前国内电气化铁道牵引供电系统供电方式中，直供（含直供加回流线）方式和AT供电方式占了绝大多数，由于铁路沿线通信线路大多已经改为光缆,几乎不受电气化铁道单相不平衡牵引电流的干扰，供电方式已经从最初以减小对邻近通信线路干扰为目的演变为现在的以满足牵引供电系统自身需求为目的。
目前BT供电方式由于增大牵引网阻抗等原因而很少使用，部分早期的BT供电区段已将吸流变压器撤出而改变为直供加回流线方式。AT供电方式供电臂距离长，带负载能力强，但初期投资大，大多用在重载线路和新建的高速铁路项目。
直供方式结构简单，在国内有很大占有量，但随着铁路运输需求的增加，直供方式的供电能力、接触网末端电压等已经不能满足铁路重载及提速的需要，为此，提出了全并联的直供方式，即在一条供电臂上，在变电所和分区所之间，选取若干个位置将上行和下行接触网连接在一起，从而达到均衡上下行馈线电流、减小牵引网阻抗、提高接触网电压的目的。全并联的直供方式在国内很少使用，由此引起的运行方式变更、保护配置以及故障测距等尚无成熟经验。
1运行方式分析
1.1常规直供运行方式
图1为常规直供方式供电示意图，正常时分区所断路器闭合，在供电臂末端将上下行接触网并联，当图中所示位置发生故障时，分区所断路器3在约0.1S的动作时限内保护跳闸，此时故障电流全部由变电所断路器1提供，其保护装置能可靠检出故障并跳闸，并在2S左右重合闸，如果是瞬时性故障，分区所检上下行均有压后重合闸，线路恢复正常运行方式。变电所馈线断路器和分区所联络断路器配置电流速断、过电流和阻抗保护即能满足要求。
图1 常规直供方式供电示意图
1.2全并联直供运行方式
图2为全并联直供方式供电示意图，正常时分区所和各开关站断路器均闭合，供电臂上下行有多点并联。当图中所示位置发生故障时，合理的保护动作流程应为：并联断路器3、4、5和变电所馈线断路器1分闸，变电所馈线断路器1重合闸，如果线路电压恢复，并联断路器3、4、5合闸恢复正常运行方式。
图2 全并联直供方式供电示意图
2并联开关站保护配置
2.1并联开关站设置常规保护的效果分析
由于供电臂上下行有多处并联，线路上不同位置发生故障时，各断路器对故障检出的敏感性不同，如图2中所示位置故障，在各断路器均配置电流保护和阻抗保护的前提下，并联开关站2可有效检出故障，电流保护和阻抗保护均可动作，但并联开关站2后面的并联开关站和分区所则因为残压低的同时电流小而使电流保护和阻抗保护不能保证可靠动作。
如果故障发生在供电臂末端，故障点前面的多个并联开关站分流，电流保护不能可靠动作，这种情况在重负荷线路更加突出，即并联开关站仅设置电流保护不能满足要求，需要设阻抗保护，故障点前的并联开关站能够可靠检出后面线路故障。
图2所示故障，在各断路器均设置电流保护和阻抗保护的情况下，动作流程应是：距离故障点最近的并联开关站保护跳闸，变电所馈线断路器和故障点靠变电所侧的并联开关站断路器保护跳闸，此时故障电流转移到故障点后面的并联开关站和分区所，从而使后面的并联开关站和分区所保护满足动作条件而跳闸，最终将故障线路与带电线路全部断开连接。
综上所述，在并联开关站设置常规保护前提下，当线路发生故障时，最终能够切除故障，但可能会在前面开关站保护跳闸后，后面的开关站保护才会起动，增大最终故障切除时间。
2.2并联开关站不设保护方案
根据上面分析结果，并联开关站设阻抗保护时，开关站需要设置电压互感器和电流互感器，增加开关站成本，即便如此，也不能达到迅速切除故障的目的。
可以考虑并联开关站不设保护，通过通讯网络由变电所保护起动并联开关站跳闸，目前远动通道大多使用2M光纤环网，能够保证实时性需要，在AT供电系统中已经普遍应用远动通道将各AT所吸饋电流比传送到变电所实现AT系统的网络化故障测距。
同一供电臂的变电所和各并联开关站、分区所之间通过远动通道交换信息，当变电所馈线保护动作的同时，向各并联开关站和分区所发出跳闸指令，实现故障线路的切除。
该方案需要对变电所馈线保护装置做适当修改，因为阻抗I段通常按保护线路全长85%设定，在此范围内的故障能够及时响应并切除，但线路末端故障时由于前面并联开关站的分流作用，分区所阻抗保护不能可靠动作，此时变电所上下行馈线阻抗II段均能检测到故障点，上下行馈线断路器均跳闸，扩大故障停电范围。将变电所馈线保护装置修改为阻抗II段起动后，立即发出指令让该供电臂上的并联开关站和分区所断路器分闸，此时无故障的馈线阻抗II段返回，仅故障线路跳闸。
变电所馈线断路器重合闸成功后，即线路上下行均恢复供电，此时可由变电所馈线断路器发出指令让并联开关站断路器合闸，恢复正常供电方式。
此方案并联开关站配置简单，保护动作的可靠性取决于变电所和各开关站之间的通讯质量。
3故障测距
3.1并联开关站故障测距分析
目前馈线测距普遍使用电抗型测距原理，即根据事先输入保护装置的电抗－距离对照表来计算故障距离，路线上增加并联点后，线路电抗与无并联点时不同，并且会因为发生故障时并联点的投入数量和位置不同而有区别，从而影响到故障测距的准确度。
为简化故障测距的处理，排除上下行并联点对故障测距准确度的影响，仍采用前面的方法，使变电所馈线保护在刚起动的同时即发出指令断开并联断路器，采集并联开关站断开后、馈线断路器跳闸前的电压和电流计算故障距离，即得到和无并联开关站一样的测距准确度。
4并联开关站设备配置
4.1一次元件配置
并联开关站按箱式布置，便于安装维护并减小占地面积，箱内一次元件仅设置1台断路器，2台金属氧化物避雷器，防止过电压侵袭开关站内设备。
为实现接触网“V”型天窗检修，并联开关站两侧上网隔离开关中至少应有1台使用电动操作机构，可远动操作，另外1台隔离开关可以配手动操作机构，仅在并联开关站退出检修时使用。
4.2二次元件配置
并联开关站设操控装置，实现对断路器和电动隔离开关的远程操作，以及断路器和隔离开关位置信号开入、环境监控信号开入等。
通讯管理机除与调度通讯实现开关站的遥控和遥信功能外，还与同供电臂上的变电所馈线保护装置通讯，可接收馈线保护分闸指令。
箱式并联开关站内预留通讯专业光端机位置，实现光纤进所。
开关站引入2路由10kV贯通线、自闭线变压器送来的交流220V电源，并设UPS给所内设备供电。
5结论
高速和重载是我国电气化铁道的发展方向，通过设置并联开关站来提高牵引网负载能力，是一种解决目前限制直供方式发展的有效方法，在对既有保护、测距方式不作大的改动的前提下，满足牵引供电运行方式的需要，简化并联开关站的配置，降低成本，以通讯技术实现网络化保护是一种可以尝试的方案。
关键词：电气化铁道；并联开关站；保护
中图分类号： U226 文献标识码： A
引言
目前国内电气化铁道牵引供电系统供电方式中，直供（含直供加回流线）方式和AT供电方式占了绝大多数，由于铁路沿线通信线路大多已经改为光缆,几乎不受电气化铁道单相不平衡牵引电流的干扰，供电方式已经从最初以减小对邻近通信线路干扰为目的演变为现在的以满足牵引供电系统自身需求为目的。
目前BT供电方式由于增大牵引网阻抗等原因而很少使用，部分早期的BT供电区段已将吸流变压器撤出而改变为直供加回流线方式。AT供电方式供电臂距离长，带负载能力强，但初期投资大，大多用在重载线路和新建的高速铁路项目。
直供方式结构简单，在国内有很大占有量，但随着铁路运输需求的增加，直供方式的供电能力、接触网末端电压等已经不能满足铁路重载及提速的需要，为此，提出了全并联的直供方式，即在一条供电臂上，在变电所和分区所之间，选取若干个位置将上行和下行接触网连接在一起，从而达到均衡上下行馈线电流、减小牵引网阻抗、提高接触网电压的目的。全并联的直供方式在国内很少使用，由此引起的运行方式变更、保护配置以及故障测距等尚无成熟经验。
1运行方式分析
1.1常规直供运行方式
图1为常规直供方式供电示意图，正常时分区所断路器闭合，在供电臂末端将上下行接触网并联，当图中所示位置发生故障时，分区所断路器3在约0.1S的动作时限内保护跳闸，此时故障电流全部由变电所断路器1提供，其保护装置能可靠检出故障并跳闸，并在2S左右重合闸，如果是瞬时性故障，分区所检上下行均有压后重合闸，线路恢复正常运行方式。变电所馈线断路器和分区所联络断路器配置电流速断、过电流和阻抗保护即能满足要求。
图1 常规直供方式供电示意图
1.2全并联直供运行方式
图2为全并联直供方式供电示意图，正常时分区所和各开关站断路器均闭合，供电臂上下行有多点并联。当图中所示位置发生故障时，合理的保护动作流程应为：并联断路器3、4、5和变电所馈线断路器1分闸，变电所馈线断路器1重合闸，如果线路电压恢复，并联断路器3、4、5合闸恢复正常运行方式。
图2 全并联直供方式供电示意图
2并联开关站保护配置
2.1并联开关站设置常规保护的效果分析
由于供电臂上下行有多处并联，线路上不同位置发生故障时，各断路器对故障检出的敏感性不同，如图2中所示位置故障，在各断路器均配置电流保护和阻抗保护的前提下，并联开关站2可有效检出故障，电流保护和阻抗保护均可动作，但并联开关站2后面的并联开关站和分区所则因为残压低的同时电流小而使电流保护和阻抗保护不能保证可靠动作。
如果故障发生在供电臂末端，故障点前面的多个并联开关站分流，电流保护不能可靠动作，这种情况在重负荷线路更加突出，即并联开关站仅设置电流保护不能满足要求，需要设阻抗保护，故障点前的并联开关站能够可靠检出后面线路故障。
图2所示故障，在各断路器均设置电流保护和阻抗保护的情况下，动作流程应是：距离故障点最近的并联开关站保护跳闸，变电所馈线断路器和故障点靠变电所侧的并联开关站断路器保护跳闸，此时故障电流转移到故障点后面的并联开关站和分区所，从而使后面的并联开关站和分区所保护满足动作条件而跳闸，最终将故障线路与带电线路全部断开连接。
综上所述，在并联开关站设置常规保护前提下，当线路发生故障时，最终能够切除故障，但可能会在前面开关站保护跳闸后，后面的开关站保护才会起动，增大最终故障切除时间。
2.2并联开关站不设保护方案
根据上面分析结果，并联开关站设阻抗保护时，开关站需要设置电压互感器和电流互感器，增加开关站成本，即便如此，也不能达到迅速切除故障的目的。
可以考虑并联开关站不设保护，通过通讯网络由变电所保护起动并联开关站跳闸，目前远动通道大多使用2M光纤环网，能够保证实时性需要，在AT供电系统中已经普遍应用远动通道将各AT所吸饋电流比传送到变电所实现AT系统的网络化故障测距。
同一供电臂的变电所和各并联开关站、分区所之间通过远动通道交换信息，当变电所馈线保护动作的同时，向各并联开关站和分区所发出跳闸指令，实现故障线路的切除。
该方案需要对变电所馈线保护装置做适当修改，因为阻抗I段通常按保护线路全长85%设定，在此范围内的故障能够及时响应并切除，但线路末端故障时由于前面并联开关站的分流作用，分区所阻抗保护不能可靠动作，此时变电所上下行馈线阻抗II段均能检测到故障点，上下行馈线断路器均跳闸，扩大故障停电范围。将变电所馈线保护装置修改为阻抗II段起动后，立即发出指令让该供电臂上的并联开关站和分区所断路器分闸，此时无故障的馈线阻抗II段返回，仅故障线路跳闸。
变电所馈线断路器重合闸成功后，即线路上下行均恢复供电，此时可由变电所馈线断路器发出指令让并联开关站断路器合闸，恢复正常供电方式。
此方案并联开关站配置简单，保护动作的可靠性取决于变电所和各开关站之间的通讯质量。
3故障测距
3.1并联开关站故障测距分析
目前馈线测距普遍使用电抗型测距原理，即根据事先输入保护装置的电抗－距离对照表来计算故障距离，路线上增加并联点后，线路电抗与无并联点时不同，并且会因为发生故障时并联点的投入数量和位置不同而有区别，从而影响到故障测距的准确度。
为简化故障测距的处理，排除上下行并联点对故障测距准确度的影响，仍采用前面的方法，使变电所馈线保护在刚起动的同时即发出指令断开并联断路器，采集并联开关站断开后、馈线断路器跳闸前的电压和电流计算故障距离，即得到和无并联开关站一样的测距准确度。
4并联开关站设备配置
4.1一次元件配置
并联开关站按箱式布置，便于安装维护并减小占地面积，箱内一次元件仅设置1台断路器，2台金属氧化物避雷器，防止过电压侵袭开关站内设备。
为实现接触网“V”型天窗检修，并联开关站两侧上网隔离开关中至少应有1台使用电动操作机构，可远动操作，另外1台隔离开关可以配手动操作机构，仅在并联开关站退出检修时使用。
4.2二次元件配置
并联开关站设操控装置，实现对断路器和电动隔离开关的远程操作，以及断路器和隔离开关位置信号开入、环境监控信号开入等。
通讯管理机除与调度通讯实现开关站的遥控和遥信功能外，还与同供电臂上的变电所馈线保护装置通讯，可接收馈线保护分闸指令。
箱式并联开关站内预留通讯专业光端机位置，实现光纤进所。
开关站引入2路由10kV贯通线、自闭线变压器送来的交流220V电源，并设UPS给所内设备供电。
5结论
高速和重载是我国电气化铁道的发展方向，通过设置并联开关站来提高牵引网负载能力，是一种解决目前限制直供方式发展的有效方法，在对既有保护、测距方式不作大的改动的前提下，满足牵引供电运行方式的需要，简化并联开关站的配置，降低成本，以通讯技术实现网络化保护是一种可以尝试的方案。