電氣化鐵路牽引變電所主接線設計及繼電保護分析

陶倩　劉磊　武金甲

《中長期高速鐵路網規劃》中指出，至2025年，中國鐵路網發展規模將高達17.5萬公里，當中高鐵將實現3.8萬公里。到2030年，中國的遠景鐵路網發展規模將實現20萬公里，當中高鐵將實現4.5萬公里。鐵道行業廣闊的市場前景，特別是高速鐵路的高速發展會帶來電氣化鐵路供電系統行業旺盛的市場需求。

我國目前的客運專線用的單相工頻（50Hz）交流電，除個別大運量貨運線路之外，牽引供電系統都采用AT供電.AT供電通常配置的繼電保護為饋線距離保護、過電流保護、電流速斷保護等保護。在自動化技術迅猛發展下，牽引供電系統及繼電保護系統已有綜合自動化發展的趨勢。

鐵路是我國交通運輸中的重要組成部分，國家鐵路和城市軌道交通是關系到我國國計民生的重大基礎設施。電力牽引在鐵路、城軌和工礦運輸中廣泛應用，提高了運量和經濟效益，電氣化鐵路為我國鐵路緩解了運輸壓力，與我國能源結構狀況相適應，對我們出行及社會發展有著重要的作用，是當今鐵路機車牽引的主要動力來源。

牽引變電所的安全可靠工作是維護電氣化高速鐵路正常安全可靠運轉的重要前提，其繼電保護工作就是維持牽引變電站正常工作和故障切除的最主要維護手段之一。主要功能包括：通過對用戶的動作定值設定迅速切斷故障裝置和線路，減少了故障范圍和故障時間所造成的經濟損失。利用自動重合閘、后備供電電源自投等設備，保證供電的安全可靠、減少了供電故障停電時間。以及通過故障標記，迅速對故障地點加以定位，從而加速了故障搶修的速度。采用了微機綜合自動化控制系統，從而完成對牽引變電所設備的遠程調度。牽引變電所繼電保護是保證牽引變電所可靠工作的關鍵，如果加設了繼電保護系統裝置，就可以使牽引變電所按正常狀態工作。所以，牽引變電所主接線設計以及繼電保護系統的可靠配置、安全操作，對于電氣化鐵路的運營具有關鍵的意義。

一、牽引變電所主接線設計要求及主要設計內容

（一）電氣主接線的設計功能

高鐵牽引供電系統主要任務是為高鐵電力機車的操作和控制不間斷地供應高效且穩定電力。相對于普速列車，由于高速鐵路牽引載荷量大、列車車速快且發車運行密度較高，所以對牽引供電系統穩定性、可靠度等都提出了更高的要求。

牽引變電所的主接線是將該地區電源進線以及所內的各種高壓電氣設備，按工作要求依次順序連接構成的電氣主電路。由于牽引變電所設計需要因地制宜，設計過程中要根據變電所的規模和形式，并結合當地實際才能做出合理的設計。

電氣主接線體現了牽引變電所各設備之間的作用以及回路間的相互關系，是變電所的主體。主接線的設計方案直接關系到牽引所設備的選型、供電設備的布局，繼保配置整定等確定。

（二）電氣主接線設計要求

電氣主接線應需盡可能地滿足可靠性高、靈活性能好和經濟性優越的要求。

1.可靠性：保證在正常運行時供電連續。

2.靈活性：主接線應確保當投入切除的裝置或線路時，動作方便。

3.經濟性：牽引所主接線應保證初投資與運行費用達到經濟合理。

（三）牽引變電所主接線設計內容

1.牽引變電所負荷計算，及牽引變壓器與自用電變壓器的容量計算。根據待設計變電所的原始資料，確定負荷類型及大小。再在負荷計算的基礎上，進行計算容量，校核容量及安裝容量的計算。最后確定牽引變電所牽引變壓器以及自用電變壓器的備用方式、型號及臺數。

2.主接線設計。根據該牽引變電所實際情況，保證電力牽引負荷的可靠工作，并使設計的主接線靈活地運行，在此基礎上還應盡量減少投資和運行費用以達到最好的經濟利益。設計時還應考慮運量增長，增加饋線等的改建擴建。

3.短路計算及設備選型。先對系統進行等效，再對系統進行短路計算。通過短路計算得到結果，按正常條件進行設備選型并按短路情況對所選設備進行動、熱穩定校驗，保證所選設備的可靠性。

4.防雷接地的設計。根據牽引變電所實地條件進行防雷及接地設計。

鐵路供電系統示意圖見圖1。電源Ⅰ與Ⅱ通過輸電線路對電網中引進入的三相高壓電（110kV）經過牽引變壓器T、T進行了變換，最終化為適應于電力機車運行用電的單相工頻交流電（27.5kV），給接觸網線路供電，圖1中T為一個自供電變壓器，使27.5kV的三相電壓降低為6kV～10kV的三相交流電，給牽引所內設備提供電能。圖1中的QF～QF是斷路器。斷路器在正常供電保持在合閘狀況，如果斷電事故發生時，可使斷路器分閘，由控制開關實現。如果整個控制系統中的設備發生故障，故障區域被斷路器切斷。在這些情形下，就有自動裝置可以自動地把測量值和整定值進行比較，以便確定系統狀況是正常還是故障。當供電系統出現故障時，它也需要根據事先設定的條件發送命令，比如使故障區段的斷路器跳閘，或者發送報警信息。能實現這些功能的自動裝置，就是繼電保護設備。

圖1 牽引供電示意圖

繼電保護的功能主要包括：用來切斷短路故障，避免影響電力機車正常運行、損壞電氣設備、縮短壽命及破壞供電運行穩定性。繼電保護還可以用來監視系統運行狀態。經過上述分析，選擇適當的繼電保護方式是保證供電系統安全工作和改善電能品質的最有效手段。

（一）變壓器保護配置

1.變壓器主保護配置

（1）瓦斯保護

瓦斯保護是利用牽引變壓器油及其他絕緣材料受熱分解產生氣體來實現的保護。發生嚴重故障時，重瓦斯動作并作用于保護裝置，防止事故范圍的擴大。

（2）縱差動保護

電流縱差動保護可以甄別出區內區外故障，不需和其他元件保護相配合，可以無延時的切除區內各種故障。

2.后備保護配置

（1）過電流保護

當過電流保護動作啟動后，會使變壓器各側的斷路器跳閘。對升壓變壓器或容量較大的降壓變壓器來說，啟動電流較高，靈敏度較低。

（2）低壓啟動過電流保護

為了防止保護外發生短路故障時，所造成的短路過電流對變壓器造成損害，使用低壓啟動過電流保護來作為其差動保護及饋線保護的后備保護。

（3）反時限過負荷保護

在牽引變壓器過負荷運行時間較長時，該變壓器的繞組會因發熱而損壞。應該依據可能出現的過負荷情況，為牽引變壓器配置過負荷保護。對牽引變壓器，過負荷保護應能反應公共繞組和每一側過負荷。

（二）饋線保護配置

1.線路主保護的配置

在牽引變電所的饋線處中配置距離保護作為主保護。一般電氣化鐵路的饋線保護都由四邊形阻抗繼電器作為主保護。

2.線路后備保護的配置

配備電流增量保護為饋線的主后備保護，電流速斷，反時限電流保護、饋線過負荷保護等作為牽引變電所饋線的輔助后備保護，從而使繼電保護為提高牽引供電系統的安全、穩定和經濟運行發揮最大的效能。

（1）電流增量保護

電流增量是利用饋線短路時電流瞬時增大的特性。

（2）電流速斷保護

牽引變電所饋線配置了電流速斷保護。該保護整定值較高，保護范圍比較短。

（3）三段過電流保護

三段過電流保護簡單，可靠性較高，在一般時候能快速切除故障，但該保護受電網接線及系統運行方式變化的影響大，靈敏度及保護范圍也會不滿足要求。

（4）反時限過電流保護

反時限過電流保護利用動作時間與被保護線路中電流大小有關的一種保護，當饋線故障電流大時，保護的動作時限短，故障電流小時，動作時限就長。

（5）饋線過負荷保護

接觸網在長期大電流運行時會發熱，因此張力下降，穩定性降低，進而影響鐵路的正常運行，牽引變電所饋線配備過負荷保護對接觸網進行保護。

本文闡釋了電氣化鐵路牽引變電所主接線設計及繼電保護整定分析。基于現有設計標準，根據牽引變電所設計要求，結合工程實際進行分析，設計時不僅考慮了供電的可靠性、安全性、經濟性，還涉及到牽引變電所擴容等遠期規劃。通過牽引變電所主接線的設計要求、主要設計內容及牽引變電所繼電保護配置，為牽引變電所穩定、可靠運行提供了基礎。