高速鐵路牽引供電系統繼電保護研究

張再利

摘 要：對高速鐵路牽引供電系統而言，會存在列車制動造成能源浪費以及牽引變電所供電距離較短的問題，增加了線路牽引變電數量和工程建設成本。本文從牽引供電系統簡介入手，對高速鐵路牽引供電系統繼電保護進行了分析，希望能為相關的工作人員提供一定的參考。

關鍵詞：高速鐵路;繼電保護;牽引供電系統

高速鐵路以其速度快、安全性好、輸送能力大、單位能源消耗低、經濟效益好、舒適方便等優點而成為我國鐵路發展的方向。而高速列車則是研究牽引供電系統的基礎。高速鐵路的牽引供電系統繼電保護發揮了重要的作用，繼電保護在牽引供電系統正常運行時，滿足機車運行的各個方面。完善現有牽引供電系統保護原理和功能。

分析兩種接線形式的差異、特點，以及各運行方式下的保護配置、整定原則，得出合理的保護整定原則，有利于我國高鐵的發展，具有十分重要的理論與實際意義。

1 牽引供電系統

牽引變電所、牽引網和電力機車負荷組成了牽引供電系統。

1.1 關于牽引供電系統饋線保護，以及牽引網故障特征和常規原理的饋線保護誤動或拒動行為的基礎上，分別提出了由電流中綜合諧波含量控制的三段自適應距離保護原理、自適應電流增量保護原理，和自由相電壓中綜合諧波含量控制而自適應電壓增量的異相短路故障保護原理;這些原理分別經過了現場運行或仿真試驗的驗證，結果表明原理是正確的。

1.2 牽引網

關于牽引網瞬時性與永久性故障識別，在瞬時性故障時，故障線路的耦合電壓決定于電感耦合和電容耦合。系統地分析了復線電力牽引網同一方向上、下行線路既有電感耦合，又有電容耦合，而永久性故障時，耦合電壓決定于電感耦合的特征，提出了基于耦合電壓的自適應故障性質識別原理：仿真實驗表明：該原理識別瞬時性與永久性故障的靈敏度較高。

1.3 電力機車負荷

直流傳動電力機車作為我國鐵路列車牽引動力的主力，通過系統研究電力機車運行于穩態和暫態兩種工況下的負荷特性，提出了將直流傳動電力機車無功特性用電壓的二次函數模型進行等效數學描述的思想，并由此得到了交流側電力機車的負荷模型。其諧波和不平衡特性對牽引供電系統及公用電網的影響不容忽視。

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。光纖電流差動保護其工作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，長期以來對的研究一直不斷。

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，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。差動保護的動作電流必須躲過最大負荷電流。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。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。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。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，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

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;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，牽引供電系統及方式影響著牽引網電壓水平，與此同時，牽引供電系統的安全運行取決于電氣保護的配置。我國高速鐵路使用的是AT供電方式，這種供電方式可以使牽引變壓器端輸出電壓升高一倍。增加供電臂的長度，減少線路牽引變電所的設置，提高輸電的能力，減少牽引網的阻抗，減少對通信造成的影響。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。國內外研究者在以上方面進行研究，同時提出了許多可行的辦法。

由于距離保護同時利用了短路時的電壓，電流的變化特征，通過測量故障阻抗來確定故障所處范圍，具有保護區穩定、靈敏度高、動作情況受電網運行方式變化影響小的優點，將距離保護用作牽引變壓器的后備保護特征。低電壓啟動過電流保護具有靈敏高優點，但是由于高速鐵路采用了220kV外部及大容量牽引變壓器，低電壓啟動過電流保護存在著拒動的可能。牽引變壓器后備距離保護的特殊問題，借鑒牽引網饋線距離保護多年來的成熟經驗，探討了其動作特性，保護配置及流量阻抗等情況，通過數字仿真驗證了理論分析的正確性。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。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。

3 結語

鐵路電力系統的飛速發展對繼電保護不斷提出新的要求，繼電保護配置一般規定，電力系統中的電力設備和線路，應裝設短路故障和異常運行保護裝置。相應的保護分主保護和后備保護，必要時增加輔助保護。

參考文獻

[1]陳小川.鐵路供電繼電保護與自動化[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[2]劉玉潔，盛彩飛，林飛，游小杰，鄭瓊林.高速動車組網側電流諧波特性的研究[J].電氣傳動，2017，40（1）.

（作者單位：哈爾濱鐵道職業技術學院）