高速鐵路牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)研究

摘要：牽引供電系統(tǒng)是高速鐵路動車組的動力源泉，繼電保護(hù)是牽引供電系統(tǒng)向動車組安全可靠供電的關(guān)鍵。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、供電方式、用電負(fù)荷的不同，牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與電力系統(tǒng)有很大差別。文章對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；牽引供電系統(tǒng)；全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)；聯(lián)跳保護(hù)；繼電保護(hù) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U223 文章編號：1009-2374（2017）02-0104-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.049

高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)的主要功能就是向電力機(jī)車提供連續(xù)可靠的電能。為了使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)能夠可靠安全供電，繼電保護(hù)發(fā)揮了重要的作用，繼電保護(hù)不僅可以在牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時，滿足電力機(jī)車運(yùn)行所需要的各個方面，并且可以在牽引供電系統(tǒng)不能正常工作以及損壞時，確保供電系統(tǒng)及其設(shè)備安全運(yùn)行。在高速鐵路長期運(yùn)行期間，系統(tǒng)很難不出現(xiàn)問題。相對牽引網(wǎng)而言，由于動車組通過受電弓與接觸線滑動接觸的取流方式及機(jī)械振動等原因，牽引網(wǎng)的故障率比電力系統(tǒng)大得多。由于材料、制造工藝、安裝及維護(hù)技術(shù)等原因，我國牽引網(wǎng)的故障率比國外電氣化鐵路又要高很多。常規(guī)的保護(hù)在某些嚴(yán)重情況下無法正確動作，會導(dǎo)致牽引網(wǎng)燒損乃至燒斷、列車供電長時間中斷等嚴(yán)重事故。對于變壓器，我國高速鐵路采用特殊接線的變壓器，其容量和電壓等級與普速鐵路相比有很大的提高。

1 牽引供電系統(tǒng)

電力系統(tǒng)提供兩路獨(dú)立電源進(jìn)線，在通過牽引變電所轉(zhuǎn)變電能后，再送給牽引網(wǎng)，以使電力機(jī)車能夠取流，然后完成電力牽引，牽引變電所、牽引網(wǎng)和電力機(jī)車組成了牽引供電系統(tǒng)。

1.1 牽引變電所、分區(qū)所、AT所

牽引變電所的功能就是把系統(tǒng)引入的高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓的交流電，然后再通過饋電線送給鐵路沿線的接觸網(wǎng)，向電力機(jī)車提供電量，因為牽引負(fù)荷是單相負(fù)荷，為了盡可能將單相負(fù)荷均勻地分配到電力系統(tǒng)三相中去，牽引變壓器常選擇比較特別的接線變壓器，比如斯科特接線、阻抗匹配平衡接線等變壓器。高速鐵路采用V/x接線等牽引變壓器。常常在兩個牽引變電所的供電區(qū)中間設(shè)置分區(qū)所，以使供電更加靈活。

1.2 牽引網(wǎng)

牽引網(wǎng)是由饋電線、接觸網(wǎng)、回流線組成的多導(dǎo)線供電的回路。

它有很多種供電方式，例如直接供電和帶吸流變壓器（BT）供電、自耦變壓器（AT）供電和全并聯(lián)AT供電方式。其中BT供電由于大地回流和“半段效應(yīng)”其對通信線路的防護(hù)效果并不理想，同時由于“吸-回”裝置將接觸網(wǎng)的連接方式變得麻煩，機(jī)車的受流條件變得更差，所以現(xiàn)在已經(jīng)不經(jīng)常使用了。

1.2.1 直接供電方式。直接供電這種方式相較而言是比較簡單的，電力機(jī)車工作所需要的電能是由牽引變電所輸出的電能供給的，這種供電方式就是直接供電方式。它有很多好處，這種方式的結(jié)構(gòu)比較簡單，而且節(jié)省投資，但是其回路電阻大，供電距離較短。同時因為牽引供電系統(tǒng)是單相負(fù)荷的，這種供電方式無法使其平衡，這樣就會嚴(yán)重影響通信線路。

1.2.2 AT供電方式。隨著鐵路的提速，以及高速、大功率電力機(jī)車的不斷投入運(yùn)行，牽引網(wǎng)需要提供更高的電能，為此引入AT供電方式，牽引變電所主變輸出電壓為55kV，經(jīng)AT向接觸網(wǎng)供電，一端接接觸線，另一端接正饋線，其中點抽頭則與鋼軌相連。這種供電方式下，其饋電電壓高，供電能力強(qiáng)，牽引變電所的數(shù)量可以減少，從而節(jié)省投資。而其接觸線和正饋線中的電流近似大小相等方向相反，所以牽引電流對通信線路的影響較小。目前，我國的大秦、京秦、鄭武等普速電氣化鐵路線路都采用了AT供電方式。

1.2.3 全并聯(lián)AT供電方式。為了進(jìn)一步提高牽引網(wǎng)電壓，減小牽引網(wǎng)電能損失，采用了牽引網(wǎng)的上下行線路在AT所和分區(qū)所處進(jìn)行并聯(lián)的接線方式。我國高速鐵路普遍采用全并聯(lián)AT供電方式。這種供電方式下機(jī)車的負(fù)荷電流由于并聯(lián)支路的存在將會有多個供電回路，使?fàn)恳W(wǎng)的電阻值降低了，并且使?fàn)恳W(wǎng)的供電能力增加了，但是在牽引網(wǎng)故障時，同樣存在多個回路給短路點供電，使故障分析更加復(fù)雜，同時使其繼電保護(hù)與普速鐵路時有很大不同。

1.3 電力機(jī)車負(fù)荷

電力機(jī)車按照牽引驅(qū)動電機(jī)的不同可以分為直流電力機(jī)車（又稱交-直電力機(jī)車）和交流電力機(jī)車（又稱交-直-交電力機(jī)車）。在普速鐵路中通常采用交-直電力機(jī)車，而在高速鐵路中全部釆用交-直-交電力機(jī)車。兩種機(jī)車由于采用的整流電路不同，使得其諧波成分、功率因數(shù)等有很大區(qū)別，進(jìn)而對其繼電保護(hù)產(chǎn)生影響。

2 繼電保護(hù)研究

2.1 線路保護(hù)研究

2.1.1 電力系統(tǒng)線路保護(hù)。由于全線速動的需要，電力系統(tǒng)220kV以上電壓等級的線路普遍采用以光纖為通信通道的線路電流差動保護(hù)作為主保護(hù)。光纖電流差動保護(hù)簡稱光差保護(hù)，其保護(hù)原理建立在基爾霍夫電流定律的基礎(chǔ)之上，具有良好的選擇性，能快速地切除保護(hù)區(qū)內(nèi)的故障，長期以來對其的研究一直不斷。

電力線路能夠應(yīng)用電流差動保護(hù)的一個重要前提是電力負(fù)荷在被保護(hù)線路的區(qū)域以外，與牽引網(wǎng)有很大不同。作為牽引網(wǎng)的負(fù)荷，電力機(jī)車或動車組會在牽引網(wǎng)區(qū)段內(nèi)沿線移動。如果牽引網(wǎng)采用差動保護(hù)，在負(fù)荷工況下差動電流將是所有負(fù)荷電流之和，差動保護(hù)的動作電流必須躲過最大負(fù)荷電流。在此情況下，差動保護(hù)的動作電流與過電流保護(hù)的動作電流相同，兩者的靈敏度也相同。此外，應(yīng)用差動保護(hù)還需要克服電力機(jī)車過電分相時引起的沖擊電流以及在牽引網(wǎng)區(qū)段內(nèi)啟動時的啟動電流等問題，這些暫態(tài)電流往往可達(dá)機(jī)車額定負(fù)荷電流的數(shù)倍，從而需要電流差動保護(hù)采取諸如進(jìn)一步提高動作電流門檻、增加動作延時、增加閉鎖判據(jù)等措施才能保證在負(fù)荷工況下不會誤動。然而，一旦采取這些措施又會惡化差動保護(hù)的性能，增加了保護(hù)的復(fù)雜性和拒動的概率，因此牽引網(wǎng)不宜直接采用差動保護(hù)。計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了繼電保護(hù)技術(shù)的進(jìn)步，使得繼電保護(hù)可以采取更復(fù)雜和更精細(xì)的算法。

2.1.2 牽引網(wǎng)保護(hù)。高速鐵路牽引網(wǎng)沿用了普速鐵路采用的保護(hù)原理，主要有距離保護(hù)、過電流保護(hù)、電流增量保護(hù)等。

第一，距離保護(hù)。普速電氣化鐵路采用距離保護(hù)作為牽引網(wǎng)的主保護(hù)，并利用負(fù)荷電流中的綜合諧波含量自動動態(tài)調(diào)節(jié)四邊形動作特性的邊界，從而防止保護(hù)在負(fù)荷電流下誤動作。

第二，過電流保護(hù)。根據(jù)牽引網(wǎng)供電方式的不同和繼電保護(hù)選擇性的需要，過電流保護(hù)可配置1～3段，并可采取綜合諧波抑制和勵磁涌流閉鎖措施。

第三，電流增量保護(hù)。電流增量保護(hù)根據(jù)電流在短時間內(nèi)的變化幅度來區(qū)分是負(fù)荷電流和故障電流：在正常情況時，電力機(jī)車沿線順向行使，牽引網(wǎng)電流的增量不會超過1輛車電流的最大值；在牽引網(wǎng)故障時，短路電流急劇增大，電流的增量比負(fù)荷電流大得多。

第四，接觸網(wǎng)發(fā)熱保護(hù)。高速重載列車的單車牽引電流較大，在300～350km/h時可達(dá)到600～1000A，接觸網(wǎng)在比較長時間內(nèi)都是大電流時，容易發(fā)熱，然后牽引網(wǎng)的擴(kuò)張力會降低，穩(wěn)定性也會變差，從而就會對高速重載鐵路正常工作運(yùn)行時產(chǎn)生影響，所以為了保護(hù)接觸網(wǎng)，必須設(shè)置熱過負(fù)荷保護(hù)。該原理是以機(jī)車負(fù)荷和環(huán)境溫度為基礎(chǔ)，根據(jù)接觸網(wǎng)熱模型實時計算接觸網(wǎng)溫度，當(dāng)計算的溫度比設(shè)定的溫度高時，跳鬧回路就會工作，使饋線斷路器斷開。

2.2 變壓器保護(hù)研究

系統(tǒng)的供電中最重要的設(shè)備就是變壓器，它的繼電保護(hù)可以直接影響供電是否正常以及設(shè)備是否安全。變壓器的主保護(hù)使用的一直都是差動保護(hù)，它是以基爾霍夫電流定律作為基礎(chǔ)的保護(hù)原理：變壓器在正常工作或外部故障時，變壓器節(jié)點的電流代數(shù)和為零，即差流為零；變壓器內(nèi)部故障時，電流代數(shù)和不再為零，即出現(xiàn)差流。所以差動保護(hù)的性能受不平衡電流影響，而勵磁涌流和電流互感器飽和都會在差動冋路產(chǎn)生很大的不平衡電流，可見防止差動保護(hù)誤動的關(guān)鍵是區(qū)分勵磁涌流識別和TA飽和識別。目前，內(nèi)外的研究者著重對這兩個方面進(jìn)行了研究，而且也提出了很多的辦法。

對勵磁涌流的識別主要有二次諧波制動原理波形對稱原理基于變壓器回路方程法等方法。二次諧波制動原理是基于故障時電流二次諧波含量低，而勵磁涌流二次諧波含量高，通過計算差動電流與基波比值判斷是否發(fā)生變壓器內(nèi)部故障。該原理簡單，是目前國內(nèi)外廣泛采用的涌流制動方法。波形對稱原理是間斷角原理的推廣，利用差動電流在一個周期內(nèi)前半波和后半波的波形是否對稱判斷是否為變壓器內(nèi)部故障。常用的方法有微分波形對稱法、積分波形對稱法和波形相關(guān)法。基于變壓器回路方程法與前兩個方法的區(qū)別是它同時利用的電流和電壓，通過列寫原副邊的回路方程，得到僅有電壓、電流和繞組參數(shù)的方程。

除了主保護(hù)外，變壓器還裝設(shè)有后備保護(hù)，其作用是防止外部短路引起的變壓器過電流，并作為差動保護(hù)以及線路保護(hù)的后備。在電力系統(tǒng)中，一般復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)被用作變壓器的后備保護(hù)。由于牽引負(fù)荷為單相負(fù)荷，在牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時就存在負(fù)序電壓和負(fù)序電流，有可能造成復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)誤動作。所以我國牽引變壓器后備保護(hù)并沒有采用復(fù)合電壓啟動判據(jù)，而是采用了低壓啟動過電流保護(hù)作為牽引變壓器高、低壓側(cè)的后備保護(hù)。由于采用了低電壓啟動元件，使過電流保護(hù)的整定可以按照額定電流整定，大大提高了過電流保護(hù)的靈敏性。但是由于高速鐵路采用220kV以上的高電壓作為電源和容量80～100MVA的牽引變壓器，不僅使系統(tǒng)內(nèi)等效電源的電阻增加了，而且也使?fàn)恳W(wǎng)發(fā)生故障時產(chǎn)生的母線電壓水平提高了，在低電壓下工作的元件在這種情況下，可能會拒動。

目前，對于變壓器的后備保護(hù)研究主要包括兩類：一種是改進(jìn)現(xiàn)有的過電流保護(hù)；另一種是采用其他保護(hù)原理。

3 結(jié)語

我國高速鐵路全部采用電力牽引，作為源動力的牽引供電系統(tǒng)的作用顯得更加重要。但我國高速鐵路發(fā)展時間短、發(fā)展速度快，繼電保護(hù)原理及保護(hù)配置的思路主要沿用普速電氣化鐵路的經(jīng)驗，不能很好地滿足采用了220kV的外部電源、V/x壓器、全并聯(lián)AT方式、動車組負(fù)荷的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)。因此，對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)進(jìn)行持續(xù)深入研究，既響應(yīng)現(xiàn)場實際需求，也具有重要的社會經(jīng)濟(jì)價值。

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作者簡介：王佩剛（1984-），男，陜西渭南人，中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司工程師，研究方向：鐵路牽引供電工程（接觸網(wǎng)專業(yè)）。

（責(zé)任編輯：小 燕）