高速鐵路綜合自動化系統(tǒng)保護(hù)特點

許 江，王 揚，郭勤儉

0 引言

針對高速鐵路（下文簡稱高鐵）的供電方式以及運行方式，牽引綜合自動化（下文簡稱綜自）系統(tǒng)保護(hù)有了新的變化，從而形成了新的特點。

1 高鐵運行特點

高鐵供電方式為AT 供電方式，牽引變電所一般不設(shè)置自耦變壓器（下文簡稱自耦變），在供電臂上AT 所和分區(qū)所設(shè)置自耦變，并在AT 所和分區(qū)所實現(xiàn)并聯(lián)運行，提高供電效率。高鐵牽引負(fù)荷已經(jīng)發(fā)生變化，線路上多為大功率交直交動車三型動車組和動車二型動車組，功率因素基本為1，2次，3 次，5 次，7 次，9 次等諧波含量非常少。因而高速牽引變電所一次設(shè)備已經(jīng)不再配置電容器靜態(tài)補(bǔ)償、動補(bǔ)等設(shè)備，牽引變壓器也多采用利用率最高的V/v 變壓器或者單相變壓器。

2 高鐵綜自保護(hù)變化情況

2.1 差動保護(hù)接線的變化

一般高鐵牽引變電所設(shè)置V/v 或者單相變壓器，目的是提高牽引變壓器利用率。

針對牽引變壓器保護(hù)仍然是按照常規(guī)設(shè)置，變化之處主要在于差動保護(hù)裝置接線方式。在牽引變壓器上設(shè)置了一個套管電流互感器，考慮到擴(kuò)大差動保護(hù)范圍，因此該套管電流互感器接到差動保護(hù)裝置中，為提高可靠性，該套管電流互感器和高壓側(cè)電流互感器角接后引入到保護(hù)裝置高壓側(cè)差動回路中，同樣考慮到擴(kuò)大差動保護(hù)范圍，主變壓器（下文簡稱主變）低壓側(cè)兩相中的T 線和F 線電流互感器也都角接后引入到保護(hù)裝置低壓側(cè)差動回路中，見圖1。

圖1 差動保護(hù)接線示意圖

2.2 饋線阻抗角度計算變化

以往普速鐵路機(jī)車負(fù)荷正常運行時，阻抗角在第一象限，正常機(jī)車負(fù)荷時，阻抗角度在40°左右，高鐵動車組的功率因數(shù)一般是0.95，因此阻抗角度為?18°～18°。阻抗計算式：

式中，U 為二次電壓，一般取T 線電壓；I 為二次電流，T 線、F 線電流疊加值。

2.3 饋線阻抗與電流保護(hù)接線的變化

保護(hù)電流是T 線、F 線輸入裝置后，在保護(hù)裝置內(nèi)部進(jìn)行“疊加”計算的。

同樣，阻抗計算也要考慮到電流極性的變化。

3 高鐵綜自保護(hù)變化

3.1 差動保護(hù)回路接線變化產(chǎn)生的問題

由于高、低壓側(cè)電流互感器均角接后進(jìn)綜自裝置，除了注意定值中差動涉及到變壓器額定電流因為角接產(chǎn)生變化外，還要特別注意檢修主變高低壓電流互感器后差動回路高低壓側(cè)電流互感器極性是否角接正確，因此要特別考慮到高低壓側(cè)6 個電流互感器極性問題。

3.2 阻抗值過大影響阻抗角判斷

3.3 電流接線變化產(chǎn)生的問題

由于阻抗保護(hù)以及電流保護(hù)元件中電流為T線和F 線的“疊加值”，如果T 線或者F 線極性出現(xiàn)問題，那么將影響到阻抗保護(hù)元件以及電流保護(hù)元件正確動作。這里的極性正確包括2 種情況，一是T 線和F 線的合流后極性和電壓極性要正確，二是T 線和F 線之間的極性要正確。第1 種情況可以通過機(jī)車取流時查看阻抗角度來驗證；第2 種情況就比較復(fù)雜，要考慮到T 線、F 線保護(hù)繞組是否在開關(guān)柜內(nèi)部被短接，或者F 線極性反和T 線同相位，比如F 線保護(hù)繞組電流互感器極性反，機(jī)車運行在牽引變電所和AT 所之間時，在AT 投入運行情況下，牽引變電所T 線電流往往比F 線電流大很多，因此通過機(jī)車取流時可以看到阻抗角度也是正確的，即使當(dāng)機(jī)車在AT 所和AT 分區(qū)所之間AT 段中運行，此時T 線電流比F 線電流大一些，通常T 線電流約為F 線電流的1.2～1.3 倍，由于電流合成（T 線和F 線的“疊加值”電流僅為F 線電流值的0.2～0.3 倍），就能發(fā)現(xiàn)阻抗突然變化很大，但是現(xiàn)場僅憑觀察還是不容易區(qū)分，造成后果是在全并聯(lián)方式下接觸網(wǎng)故障時，阻抗保護(hù)元件和電流元件將拒動，會出現(xiàn)越級跳閘。那么該現(xiàn)象可以判斷阻抗保護(hù)裝置的極性有問題。

同理，如果T（F）線保護(hù)繞組在開關(guān)柜內(nèi)被短接，造成后果將是在T（F）線短路電流不大情況下，阻抗保護(hù)元件和電流元件有可能不動作，有一個明顯的現(xiàn)象，即在全并聯(lián)方式下AT 段發(fā)生故障時會出現(xiàn)越級跳閘；或者是同一供電臂上2 個饋線斷路器只有一個跳閘并出現(xiàn)越級跳閘情況，那么該現(xiàn)象可以判斷阻抗保護(hù)裝置的極性有問題。

由此可以看出，主變差動保護(hù)回路及饋線保護(hù)回路電流互感器極性及接線正確與否非常重要。

4 解決方法

針對主變差動保護(hù)回路接線正確與否，一般在竣工前進(jìn)行試驗檢測，確保投入運行前其接線正確，試驗檢測方法很多，例如極性試驗、六角圖等方法。一般都能保證接線正確，但經(jīng)過一段時間運行后，仍會出現(xiàn)一些問題，多為檢修期間出現(xiàn)接線接觸不良，或者松動，為保證及時發(fā)現(xiàn)上述問題，還應(yīng)采取必要措施。

4.1 針對主變設(shè)置差動越限電流告警

例如，高壓側(cè)套管電流互感器5LH 被短接，那么流入高壓側(cè)差動回路只有3LH，在正常行車時，如果負(fù)荷并不大，那么裝置計算出的差動電流并不能達(dá)到定值，保護(hù)裝置就不會動作，只有負(fù)荷足夠大或者外部短路時，饋線保護(hù)尚未到達(dá)定值時限，變壓器差動動作就會造成越級跳閘。如高鐵某牽引變電所差動保護(hù)定值：

比率差動A 相動作電流 0.39 A

比率制動I 段A 相制動電流 0.48 A

平衡系數(shù) 1.5

比率制動I 段制動系數(shù) 0.4

比率制動II 段A 相制動電流 2.52 A

比率制動II 段制動系數(shù) 0.8

變壓器類型 V/v 變壓器

差動平衡公式：

正常運行時主變低壓側(cè)α 相負(fù)載電流500 A，對應(yīng)高壓側(cè)A 相電流為62.5 A。

輸入裝置低壓側(cè)差動電流為500 /2 000 =0.25 A，折算到高壓側(cè)電流為0.25 / 1.5 = 0.166 7 A。

高壓側(cè)由于只有3LH（5LH 被短接），那么輸入裝置高壓側(cè)差動電流62.5 / 750 = 0.083 3 A，最后計算出差動電流為∣0.083 3 - 0.166 7∣=0.083 4 A，顯然該電流低于定值0.39 A，也就是說高壓側(cè)電流互感器角接出現(xiàn)一個LH 被短接是不會造成差動動作。

以上只是一種差動裝置角接電流互感器被短接的情況，其余3 種同樣可以推導(dǎo)計算（見表1）。

表1 差動裝置角接電流互感器被短接情況匯總表

針對上述情況，差動裝置和電流互感器被短接最有效的檢測方法是根據(jù)高低壓側(cè)有一路電流互感器被短接形成的最小差動電流值形成越限報警在調(diào)度或者復(fù)視終端顯示，同時加強(qiáng)平時值班員對裝置差動電流的巡視。根據(jù)表1，按照0.0834 A 即可設(shè)定為差動越限門檻電流，加上可靠系數(shù)1.2，差動越限門檻電流：0.083 4 / 1.2 = 0.069 A。

4.2 饋線極性檢查

利用錄波或故障波形來檢查饋線角度以及饋線電流保護(hù)繞組的極性。

第1 種：錄波方式，見圖2。

圖2 正常取流錄波波形圖

該圖為機(jī)車在正常取流時波形，可以很清晰看到T 線電流和母線電壓之間相位差（約0°）以及T線和F 線電流之間的相位差（180°）。

圖3 為機(jī)車在減速時向網(wǎng)上反送電，可以很清晰看到T 線電流和母線電壓之間相位差（180°）以及T 線和F 線電流之間的相位差（180°）。當(dāng)機(jī)車取流逐漸減少，就對應(yīng)反送電情況。

圖3 反送電錄波波形圖

第2 種：查看故障波形，見圖4。

圖4 顯示：F 線短路，F(xiàn) 線電流超前電壓73°，由于T 線和F 線極性相反，因此阻抗角度為73°。短路時波形可以很好驗證T 線電流，F(xiàn) 線電流以及電壓（接觸網(wǎng)T 線）之間關(guān)系。

圖4 故障錄波波形圖

圖5 為T 線電流，F(xiàn) 線電流極性相反的情況，短路電流過大引起電流增量元件動作，且阻抗角為0°，由于T 線電流，F(xiàn) 線電流數(shù)值相差較大。雖然極性相同，疊加后值較大同樣導(dǎo)致保護(hù)裝置動作。

綜合以上檢查饋線阻抗保護(hù)元件以及電流元件極性最好的方法就是察看故障波形，在沒有故障波形情況下通過錄波的形式來確定極性。

圖5 饋線T、F 線流互極性錯誤故障波形圖

5 結(jié)束語

高鐵運行方式和供電形式以及電流互感器接線的變化形成了高鐵綜自保護(hù)特點，高鐵綜自保護(hù)裝置要做到不誤動，不拒動，就必須加強(qiáng)日常檢查，尤其電流互感器檢修后一定要嚴(yán)格檢查極性。針對主變要做好差動回路的遙測越限檢查，針對饋線做好阻抗角度以及電流互感器極性檢查。