高速鐵路牽引供電系統繼電保護研究

摘要：牽引供電系統是高速鐵路動車組的動力源泉，繼電保護是牽引供電系統向動車組安全可靠供電的關鍵。由于系統結構、供電方式、用電負荷的不同，牽引供電系統繼電保護原理與電力系統有很大差別。文章對高速鐵路牽引供電系統繼電保護進行了研究。

關鍵詞：高速鐵路；牽引供電系統；全并聯AT牽引網；聯跳保護；繼電保護 文獻標識碼：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的主要功能就是向電力機車提供連續可靠的電能。為了使牽引供電系統能夠可靠安全供電，繼電保護發揮了重要的作用，繼電保護不僅可以在牽引供電系統正常運行時，滿足電力機車運行所需要的各個方面，并且可以在牽引供電系統不能正常工作以及損壞時，確保供電系統及其設備安全運行。在高速鐵路長期運行期間，系統很難不出現問題。相對牽引網而言，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械振動等原因，牽引網的故障率比電力系統大得多。由于材料、制造工藝、安裝及維護技術等原因，我國牽引網的故障率比國外電氣化鐵路又要高很多。常規的保護在某些嚴重情況下無法正確動作，會導致牽引網燒損乃至燒斷、列車供電長時間中斷等嚴重事故。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

電力系統提供兩路獨立電源進線，在通過牽引變電所轉變電能后，再送給牽引網，以使電力機車能夠取流，然后完成電力牽引，牽引變電所、牽引網和電力機車組成了牽引供電系統。

1.1 牽引變電所、分區所、AT所

牽引變電所的功能就是把系統引入的高電壓轉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，向電力機車提供電量，因為牽引負荷是單相負荷，為了盡可能將單相負荷均勻地分配到電力系統三相中去，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中間設置分區所，以使供電更加靈活。

1.2 牽引網

牽引網是由饋電線、接觸網、回流線組成的多導線供電的回路。

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AT供電方式。其中BT供電由于大地回流和“半段效應”其對通信線路的防護效果并不理想，同時由于“吸-回”裝置將接觸網的連接方式變得麻煩，機車的受流條件變得更差，所以現在已經不經常使用了。

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，這種方式的結構比較簡單，而且節省投資，但是其回路電阻大，供電距離較短。同時因為牽引供電系統是單相負荷的，這種供電方式無法使其平衡，這樣就會嚴重影響通信線路。

1.2.2 AT供電方式。隨著鐵路的提速，以及高速、大功率電力機車的不斷投入運行，牽引網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AT向接觸網供電，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，牽引變電所的數量可以減少，從而節省投資。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AT供電方式。為了進一步提高牽引網電壓，減小牽引網電能損失，采用了牽引網的上下行線路在AT所和分區所處進行并聯的接線方式。我國高速鐵路普遍采用全并聯AT供電方式。這種供電方式下機車的負荷電流由于并聯支路的存在將會有多個供電回路，使牽引網的電阻值降低了，并且使牽引網的供電能力增加了，但是在牽引網故障時，同樣存在多個回路給短路點供電，使故障分析更加復雜，同時使其繼電保護與普速鐵路時有很大不同。

1.3 電力機車負荷

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

2 繼電保護研究

2.1 線路保護研究

2.1.1 電力系統線路保護。由于全線速動的需要，電力系統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作為主保護。光纖電流差動保護簡稱光差保護，其保護原理建立在基爾霍夫電流定律的基礎之上，具有良好的選擇性，能快速地切除保護區內的故障，長期以來對其的研究一直不斷。

電力線路能夠應用電流差動保護的一個重要前提是電力負荷在被保護線路的區域以外，與牽引網有很大不同。作為牽引網的負荷，電力機車或動車組會在牽引網區段內沿線移動。如果牽引網采用差動保護，在負荷工況下差動電流將是所有負荷電流之和，差動保護的動作電流必須躲過最大負荷電流。在此情況下，差動保護的動作電流與過電流保護的動作電流相同，兩者的靈敏度也相同。此外，應用差動保護還需要克服電力機車過電分相時引起的沖擊電流以及在牽引網區段內啟動時的啟動電流等問題，這些暫態電流往往可達機車額定負荷電流的數倍，從而需要電流差動保護采取諸如進一步提高動作電流門檻、增加動作延時、增加閉鎖判據等措施才能保證在負荷工況下不會誤動。然而，一旦采取這些措施又會惡化差動保護的性能，增加了保護的復雜性和拒動的概率，因此牽引網不宜直接采用差動保護。計算機技術、通信技術的發展促進了繼電保護技術的進步，使得繼電保護可以采取更復雜和更精細的算法。

2.1.2 牽引網保護。高速鐵路牽引網沿用了普速鐵路采用的保護原理，主要有距離保護、過電流保護、電流增量保護等。

第一，距離保護。普速電氣化鐵路采用距離保護作為牽引網的主保護，并利用負荷電流中的綜合諧波含量自動動態調節四邊形動作特性的邊界，從而防止保護在負荷電流下誤動作。

第二，過電流保護。根據牽引網供電方式的不同和繼電保護選擇性的需要，過電流保護可配置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。電流增量保護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：在正常情況時，電力機車沿線順向行使，牽引網電流的增量不會超過1輛車電流的最大值；在牽引網故障時，短路電流急劇增大，電流的增量比負荷電流大得多。

第四，接觸網發熱保護。高速重載列車的單車牽引電流較大，在300～350km/h時可達到600～1000A，接觸網在比較長時間內都是大電流時，容易發熱，然后牽引網的擴張力會降低，穩定性也會變差，從而就會對高速重載鐵路正常工作運行時產生影響，所以為了保護接觸網，必須設置熱過負荷保護。該原理是以機車負荷和環境溫度為基礎，根據接觸網熱模型實時計算接觸網溫度，當計算的溫度比設定的溫度高時，跳鬧回路就會工作，使饋線斷路器斷開。

2.2 變壓器保護研究

系統的供電中最重要的設備就是變壓器，它的繼電保護可以直接影響供電是否正常以及設備是否安全。變壓器的主保護使用的一直都是差動保護，它是以基爾霍夫電流定律作為基礎的保護原理：變壓器在正常工作或外部故障時，變壓器節點的電流代數和為零，即差流為零；變壓器內部故障時，電流代數和不再為零，即出現差流。所以差動保護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生很大的不平衡電流，可見防止差動保護誤動的關鍵是區分勵磁涌流識別和TA飽和識別。目前，內外的研究者著重對這兩個方面進行了研究，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生變壓器內部故障。該原理簡單，是目前國內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前半波和后半波的波形是否對稱判斷是否為變壓器內部故障。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法。基于變壓器回路方程法與前兩個方法的區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、電流和繞組參數的方程。

除了主保護外，變壓器還裝設有后備保護，其作用是防止外部短路引起的變壓器過電流，并作為差動保護以及線路保護的后備。在電力系統中，一般復合電壓啟動的過電流保護被用作變壓器的后備保護。由于牽引負荷為單相負荷，在牽引供電系統正常運行時就存在負序電壓和負序電流，有可能造成復合電壓啟動的過電流保護誤動作。所以我國牽引變壓器后備保護并沒有采用復合電壓啟動判據，而是采用了低壓啟動過電流保護作為牽引變壓器高、低壓側的后備保護。由于采用了低電壓啟動元件，使過電流保護的整定可以按照額定電流整定，大大提高了過電流保護的靈敏性。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，不僅使系統內等效電源的電阻增加了，而且也使牽引網發生故障時產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研究主要包括兩類：一種是改進現有的過電流保護；另一種是采用其他保護原理。

3 結語

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的作用顯得更加重要。但我國高速鐵路發展時間短、發展速度快，繼電保護原理及保護配置的思路主要沿用普速電氣化鐵路的經驗，不能很好地滿足采用了220kV的外部電源、V/x壓器、全并聯AT方式、動車組負荷的高速鐵路牽引供電系統。因此，對高速鐵路牽引供電系統的繼電保護進行持續深入研究，既響應現場實際需求，也具有重要的社會經濟價值。

參考文獻

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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（接觸網專業）。

（責任編輯：小 燕）