淺談鐵路牽引變電所饋線保護

亓 雷 劉愛賓 曹恒波

（濟南鐵路局，山東 濟南 250000）

供電系統中的變壓器、輸電線路、母線以及用電設備，一旦發生故障，迅速而有選擇性的切除故障設備，是保證供電系統及其設備安全運行最有效的方法之一。切除故障的時間通常要小到幾十毫秒到幾百毫秒，實踐證明，只有裝設在供電系統上的繼電保護裝置，才有可能完成這個任務。繼電保護裝置，就是指能反映供電系統中電氣設備發生故障或不正常運行狀態，并動作于斷路器跳閘或發出信號的一種自動裝置。下面就繼電保護應用于饋線保護進行簡單介紹。

1 饋線保護面對的幾個問題

交流電氣化鐵路牽引供電系統是一個單相系統。其負荷特性不同于一般的電力系統負荷，主要表現在：

1）牽引負荷不僅是移動的，而且其大小隨時都在變化；

2）牽引供電臂供電距離長，單位阻抗比一般輸電線路單位阻抗大；

3）牽引負荷的變化頻率及幅度遠遠大于一般的電力負荷；

4）當在接觸網電壓下空載投入機車牽引變壓器，或饋線突然斷電、機車失壓后由自動重合閘動作將饋線斷路器重新投入，或電力機車在運行過程中失電而又復得（如機車惰性通過電分相），或含有AT、BT的牽引網空載投入等情況下會產生勵磁電流；

5）為了適應機車沿線路移動牽引網的結構比電力系統輸電線路要復雜得多。

2 饋線保護的分類

2.1 距離保護

由于交流牽引負荷與交流牽引網短路參數與電力系統有很大的不同，僅反映電流值變化的電流保護靈敏系數較低，一般不能作為牽引饋線的主保護。距離保護既反映被保護線路故障時電壓的降低，又反應電流的升高，即距離保護反映的是故障點至保護安裝處的距離（阻抗值），采用方向阻抗繼電器時還可反應相角的變化，同時不受系統運行方式的影響，其靈敏系數較高。因此在饋線保護中一般采用距離保護作為主保護。

2．2 電流速斷保護

從牽引負荷的特點可知，在某些情況下牽引網短路電流將接近負荷，甚至低于負荷電流。因此，如何區分故障電流和正常負荷電流是電流速斷保護的關鍵。整流型電力機車的電流均含有大量的高次諧波，因此可以利用諧波含量的多少來區分是正常的負荷電流，還是故障電流。另外，勵磁涌流含有大量的二次諧波電流，因此可以利用二次諧波含量區分勵磁涌流和故障電流。

牽引網運行方式的不同以及保護安裝位置的不同，電流速斷的整定也就不同。例如，在單線單向供電方式下，牽引變電所饋線電流速斷保護一般根據最大負荷電流整定。在復線末端（分區所）并聯運行方式下，牽引變電所饋線電流速斷保護按末端（分區所）短路時的最大短路電流整定。電流速斷保護的缺點是其保護范圍受系統運行方式的影響，在某些情況下電流速斷保護可能沒有保護范圍。因此，一般需要對電流速斷保護的靈敏性進行校驗，當靈敏性不能滿足要求時，可以在電流速斷保護中增加低電壓啟動判據，同時適當減小電流整定值，若仍不能滿足靈敏性要求，則電流速斷保護不能采用。

2．3 電流增量保護

當牽引網發生短路故障時，如果在短路點存在過渡電阻，過渡電阻將使短路電流減小，同時使測量阻抗增大。如果過渡電阻較大，可能導致距離保護和電流速斷保護拒動。通過分析牽引負荷電流和故障電流可以看出：在正常情況下，由于電力機車電路中大電感的作用，電力機車電流在短時間內增量不會很大，尤其是在電力機車啟動時。當牽引網和電力機車發生短路故障時，短路電流將急劇增加。根據這個特點構成的保護稱為電流增量保護。因此，電流增量保護的基本思想是根據電流在短時間內的變化幅度來區分是負荷電流和故障電流。

電流增量保護的主要優點是選擇能力比普通電流保護強。一般電流保護是根據最大負荷電流整定，而一個供電區間的最大負荷電流一般能達到一列電力機車最大電流的2倍左右。而電流增量保護除了反映穩態最大負荷電流以外，還同時反映短時間內電流的增量。因此，其電流整定值 可適當減小到一列電力機車的最大電流。例如，日本東海道新干線上一般過電流保護的整定值為2000A左右，而電流增量保護為1000A，故其保護范圍將大大延長。同時從電流增量的原理可以看出，在牽引網發生高阻接地故障、異相短路故障時，電流增量保護的靈敏性比普通電流保護和距離保護的靈敏性要高。

2．4 反時限過負荷保護

高速電氣化鐵路一般采用大功率電力機車，行車密度高，負荷電流大，當接觸網因為長期大電流發熱達到一定的程度時，應切斷饋線斷路器，以保證行車安全。電力機車在線路上行駛的時候，負荷電流經常變化，即在任一電流之下運行的時間都很短。而故障電流只要一旦產生，就會持續到故障切除以后才會消失。因此可以根據電流持續時間的不同來區分是正常負荷電流還是故障電流。根據這一原理可以構成反時限過負荷保護。反時限過負荷保護一般作為饋線保護的后備保護，需保護線路全長。

2．5 接觸網發熱保護

電氣化鐵道的發展方向是高速、重載。在高速、重載的情況下要求接觸網具有高度的穩定性，只有高度的穩定性才能保證接觸懸掛不變形，才能保證穩定的受流質量，才能保證高速重載列車的正常運行。高速重載列車的單車牽引電流較大，在列車時速為300-350km/h時可達到600-1000A，接觸網在長期大電流的情況下發熱，張力降低，穩定性下降，從而影響到高速重載鐵路的正常運行，因此需要設置熱過負荷保護完成對接觸網的保護。

接觸網發熱保護的動作原理主要是通過采集外界環境溫度和接觸線電流，通過內部程序計算，將計算結果與整定值相比較，如超出規定值便發出報警、跳閘命令，從而達到保護接觸網的目的。

接觸網發熱保護的兩個基本元素為外界環境溫度和負荷電流。外界環境溫度的測量通過一個溫度傳感器完成。將測量的外界溫度轉化為電流信號輸入到保護裝置。當檢測到外界溫度超過正常范圍時，閉鎖溫度輸入，并保留上次的測量值。保護裝置采集外部接觸線流過的電流，通過內部運算程序計算出接觸線的溫度，當計算的溫度超過設定的跳閘溫度時，啟動跳閘回路，跳開饋線斷路器。

2．6 一次自動重合閘

為了保障牽引供電的可靠性，在饋線保護中設置一次自動重合閘。當牽引網發生瞬時性故障時，通過饋線保護的自動重合閘能夠快速恢復供電。當線路發生永久性故障時，如果故障電流很大，為了防止對牽引網的第二次沖擊，可選擇投入大電流閉鎖重合閘功能。

總之，饋線是電氣化鐵路正常運行的重要組成部分，其安全穩定的運行是電氣化鐵路的關鍵因素。不管什么類型的饋線保護，其目的均是減少設備故障損失，增強鐵路運輸的可靠性。