淺析繼電保護(hù)、牽引供電系統(tǒng)在長(zhǎng)期超負(fù)荷狀態(tài)下的對(duì)策

　　摘要：我國(guó)高速鐵路目前尚處于發(fā)展階段，沒有形成大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)，為了彌補(bǔ)高速鐵路網(wǎng)的不足，部分跨區(qū)域的高鐵列車需要在普速線路上“借道”開行，這樣就導(dǎo)致了部分普速鐵路在滿足既有繁忙的客貨運(yùn)條件下，又要開行大量跨區(qū)域的動(dòng)車組列車，導(dǎo)致電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)長(zhǎng)期處于嚴(yán)重超負(fù)荷狀態(tài)下。本文以蕭甬線（杭州蕭山至寧波）為例，分析了繼電保護(hù)、牽引供電系統(tǒng)在長(zhǎng)期嚴(yán)重超負(fù)荷狀態(tài)（超設(shè)計(jì)條件）下的對(duì)策，以供有關(guān)人員參考。
　　關(guān)鍵詞：繼電保護(hù) 牽引供電系統(tǒng) 超負(fù)荷狀態(tài) 對(duì)策
　　中圖分類號(hào):TM58 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2011)10(b)-0000-00
　　
　　1 引言
　　我國(guó)高速鐵路網(wǎng)分骨干網(wǎng)、重要的區(qū)域網(wǎng)、大城市之間的城際高鐵等三種類型，目前尚在建設(shè)中，并沒有形成大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)，這就導(dǎo)致部分跨區(qū)域的高鐵列車需要在普速線路上“借道”開行，以彌補(bǔ)高速鐵路網(wǎng)的不足。這樣就導(dǎo)致了部分普速鐵路在滿足既有繁忙的客貨運(yùn)條件下，又要開行大量跨區(qū)域的動(dòng)車組列車，蕭甬線（杭州蕭山至寧波）就是這個(gè)例子。本文以蕭甬線為例，分析了電氣化鐵道繼電保護(hù)、牽引供電系統(tǒng)在長(zhǎng)期嚴(yán)重超負(fù)荷狀態(tài)（超設(shè)計(jì)條件）下的對(duì)策及應(yīng)對(duì)措施，以供電氣化鐵道設(shè)計(jì)、管理、運(yùn)營(yíng)部門參考。
　　
　　2 蕭甬線牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
　　蕭甬線牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是：全線采用帶回流線的直接供電方式。在紹興東、余姚西、洪塘鄉(xiāng)設(shè)三個(gè)牽引變電所，并利用滬杭、浙贛線的蕭山牽引變電所；在新興、上虞、丈亭設(shè)三個(gè)分區(qū)所，并利用甬臺(tái)溫工程設(shè)計(jì)的寧波東分區(qū)所。
　　
　　
　　3第一階段（甬臺(tái)溫客運(yùn)專線開通后）的繼電保護(hù)調(diào)整對(duì)策分析
　　在蕭甬線電氣化工程開通后，供電設(shè)備運(yùn)行狀況基本良好。由于運(yùn)輸組織部門在客車方面不斷加大動(dòng)車組開行密度及開行雙列重聯(lián)（16輛編組）動(dòng)車組，客運(yùn)速度也有明顯提高，不斷提高貨車牽引質(zhì)量；這些提高線路運(yùn)輸能力的行車組織方式的變化，導(dǎo)致線路牽引負(fù)荷有較大增加，已經(jīng)嚴(yán)重超越了鐵道部批復(fù)意見（鐵鑒函【2006】737號(hào)）中的設(shè)計(jì)條件（列車牽引定數(shù)、時(shí)速等都超過了鐵道部批復(fù)標(biāo)準(zhǔn)），造成牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)經(jīng)常跳閘，給正常行車帶來一定影響。目前保護(hù)整定值經(jīng)過多次調(diào)整已經(jīng)接近設(shè)備極限能力，但是現(xiàn)場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的牽引負(fù)荷導(dǎo)致保護(hù)跳閘的現(xiàn)象仍然時(shí)有發(fā)生。可以說蕭甬線目前實(shí)際的條件與鐵道部批復(fù)意見（鐵鑒函【2006】737號(hào)）發(fā)生了較大變化。
　　3.1 牽引負(fù)荷分析
　　從2009年10月蕭甬線開行動(dòng)車組至2009年底甬臺(tái)溫客專開通運(yùn)營(yíng)，因?yàn)楹拣蛯＿€沒有開通，導(dǎo)致長(zhǎng)三角地區(qū)、北京等地南下的動(dòng)車組只能從蕭甬線這個(gè)咽喉“借道”通過。此時(shí)導(dǎo)致蕭甬線嚴(yán)重時(shí)一個(gè)供電臂內(nèi)有3列動(dòng)車組，上行2列，下行1列，動(dòng)車組多采用CRH-1系、CRH-2系車。
　　
　　
　　3.2 饋線繼電保護(hù)應(yīng)對(duì)措施
　　按照CRH-1系車為計(jì)算條件，當(dāng)一個(gè)供電臂內(nèi)有3列動(dòng)車組時(shí)，其接觸網(wǎng)取流為：299×3=897A（估算值），遠(yuǎn)大于供電專業(yè)提供的饋線最大負(fù)荷電流（460A）。此時(shí)計(jì)算饋線保護(hù)整定值時(shí)，各牽引變電所饋線最大負(fù)荷電流均按IFMAX =900A考慮，供電段按此值調(diào)整了饋線速斷、過流定值：j2DJL5xV02f1YKuku+dQwg==
　　速斷定值ISD= Kk IFMAX=1.8*900=1620（A）
　　速斷動(dòng)作時(shí)限：0.1 s
　　過流定值IGL= Kk IFMAX=1.2*900=1080（A）
　　過流動(dòng)作時(shí)限：0.4 s
　　式中：Kk：可靠系數(shù)；
　　IFMAX：饋線最大負(fù)荷電流
　　注意以上值是互感器一次側(cè)的值，輸入保護(hù)裝置時(shí)請(qǐng)換算成互感器二次側(cè)的值（一般除以饋線流互變比即可）。注意應(yīng)用時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)個(gè)別饋線的過流保護(hù)在進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)靈敏系數(shù)小于1.2的情況，但為了保證保護(hù)的可靠性、選擇性，只能暫時(shí)犧牲其靈敏性。
　　另外需要注意的是過流保護(hù)作為距離保護(hù)的后備保護(hù)，要保護(hù)到線路全長(zhǎng)，整定時(shí)要求躲過饋線最大負(fù)荷電流。當(dāng)饋線最大負(fù)荷電流和線路末端最小短路電流比較接近時(shí)還是應(yīng)按躲過饋線最大負(fù)荷電流整定。
　　3.3 牽引變壓器繼電保護(hù)應(yīng)對(duì)措施
　　根據(jù)本工程牽引變壓器的典型負(fù)荷曲線（見圖2），將將牽引變壓器過負(fù)荷倍數(shù)調(diào)整為2倍。供電段按此值調(diào)整了牽引變壓器過負(fù)荷定值：
　　過負(fù)荷Ⅰ段電流定值：I1FH=Kk×IeH=2×165.33=330.66（A）
　　過負(fù)荷Ⅰ段時(shí)間：T1FH=60s
　　過負(fù)荷Ⅱ段電流定值：I2FH=Kk×IeH=2×165.33=330.66（A）
　　過負(fù)荷Ⅱ段時(shí)間：T2FH=90s
　　式中：Kk—可靠系數(shù)；
　　IeH—牽引變壓器高壓側(cè)額定一次電流
　　注意以上值是互感器一次側(cè)的值，輸入保護(hù)裝置時(shí)請(qǐng)換算成互感器二次側(cè)的值（一般除以主變高壓側(cè)流互變比即可）。
　　需要注意的是主變鐵心采用的是低損耗冷軋取向硅鋼片，繞組采用的是同一廠家的紙包無氧銅導(dǎo)線繞制。為避免匝間擊穿，過負(fù)荷倍數(shù)調(diào)整到2倍后建議不要再調(diào)高。
　　
　　
　　第二階段（溫福、福廈等客運(yùn)專線開通后）的對(duì)策分析
　　繼2009年底甬臺(tái)溫客專開通后，2010年7月溫福、福廈等客專又相繼開通運(yùn)營(yíng)，導(dǎo)致蕭甬線嚴(yán)重時(shí)一個(gè)供電臂內(nèi)有5列動(dòng)車組，上行3列，下行2列，1列重聯(lián)，其余不重聯(lián)（相當(dāng)于是6列不重聯(lián)動(dòng)車組），動(dòng)車組多采用CRH-1系、CRH-2系車。
　　
　　按照CRH-1系車為計(jì)算條件，當(dāng)一個(gè)供電臂內(nèi)有6列動(dòng)車組時(shí)，其接觸網(wǎng)取流為：299X6=1794A（估算值），遠(yuǎn)大于供電專業(yè)提供的饋線最大負(fù)荷電流（460A）。此時(shí)保護(hù)整定值經(jīng)過多次調(diào)整已經(jīng)接近設(shè)備極限能力，保護(hù)定值不具備挖淺的能力。經(jīng)與供電專業(yè)研究，只能采取以下限車措施：
　　盡量均衡行車組織，避免大電流、大負(fù)荷對(duì)牽引供電設(shè)施的沖擊。特別是應(yīng)避免列車在區(qū)間的追蹤時(shí)分大大小于牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的追蹤時(shí)分（6min）的情況。
　　在蕭甬線各牽引變電所中牽引變壓器未進(jìn)行增容改造，且牽引供電系統(tǒng)正常供電情況下，在運(yùn)輸組織方面需采取的限制行車運(yùn)行情況如下表所示。
　　
　　
　　5 第三階段的牽引供電系統(tǒng)改造對(duì)策分析
　　蕭甬線目前實(shí)際的運(yùn)行條件已經(jīng)嚴(yán)重超過了鐵道部批復(fù)意見（鐵鑒函【2006】737號(hào)），建議在適當(dāng)時(shí)機(jī)對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，并采取以下改造方案：
　　牽引變壓器進(jìn)行增容改造
　　為避免長(zhǎng)期過負(fù)荷導(dǎo)致絕緣水平下降以及主變?cè)验g擊穿等嚴(yán)重問題，建議對(duì)牽引變壓器進(jìn)行增容改造，更換更大容量的變壓器。
　　牽引變壓器二次側(cè)出線導(dǎo)線、上網(wǎng)供電線、接觸網(wǎng)導(dǎo)線擴(kuò)能改造
　　在整個(gè)牽引供電系統(tǒng)長(zhǎng)期嚴(yán)重過負(fù)荷時(shí)，牽引變壓器二次側(cè)出線導(dǎo)線、上網(wǎng)供電線、接觸網(wǎng)導(dǎo)線發(fā)熱會(huì)超過設(shè)計(jì)水平，為此，建議對(duì)以上設(shè)備加大導(dǎo)線線徑并精心校核其可靠性。
　　牽引變電所內(nèi)電流互感器需要更換設(shè)備增容
　　牽引變電所110kV（或220 kV）進(jìn)線、主變出線、27.5 kV饋線電流互感器需要更換大電流流互以適應(yīng)：一次側(cè)電流根據(jù)實(shí)際情況校核后選取。
　　為了更有效利用變壓器過負(fù)荷能力，牽引變電所內(nèi)增設(shè)主變熱過負(fù)荷保護(hù)
　　保護(hù)特性考慮變壓器發(fā)熱和散熱過程，動(dòng)作時(shí)間與電流的關(guān)系要符合GB/T 14598.15（等同于IEC60255-8）標(biāo)準(zhǔn)中的熱態(tài)曲線公式：
　　
　　
　　⑵ 熱積累效應(yīng)同時(shí)考慮電流基波和諧波分量的作用，采用電流有效值計(jì)算
　　⑶ 具有變壓器繞組超溫告警功能，當(dāng)繞組達(dá)到一定溫度時(shí)發(fā)出告警信號(hào)
　　⑷ 具備跳閘預(yù)告警功能，提前一段時(shí)間提示保護(hù)即將出口跳閘（一般整定成只告警不跳閘）
　　⑸ 保護(hù)返回考慮散熱過程，根據(jù)繞組溫度的情況確定
　?、?能記錄16份以上的保護(hù)動(dòng)作和告警報(bào)告
　　主變?cè)鲈O(shè)牽引變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
　　為了提前發(fā)現(xiàn)變壓器因長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷運(yùn)行等原因造成油質(zhì)劣化帶來的故障隱患，避免使之?dāng)U大為事故影響供電系統(tǒng)安全運(yùn)行，主變?cè)鲈O(shè)牽引變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該裝置為成熟產(chǎn)品，在電氣化鐵道應(yīng)用較多，此處不再贅述。
　　對(duì)變電所綜自系統(tǒng)及SCADA遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的接口及軟件擴(kuò)容改造
　　這是必須的優(yōu)化措施，以適應(yīng)供電系統(tǒng)改造需要。
　　在所有供變電設(shè)備及接觸網(wǎng)改造完成后需對(duì)繼電保護(hù)整定值重新進(jìn)行調(diào)整
　　根據(jù)新的供電系統(tǒng)參數(shù)（如新的主變短路阻抗、主變?nèi)萘?、饋線最大負(fù)荷電流等），對(duì)主變、饋線等保護(hù)的相關(guān)整定值重新進(jìn)行校核調(diào)整，此處不再贅述。
　　
　　6 結(jié)語
　　本文結(jié)合蕭甬線牽引供電系統(tǒng)的具體情況，對(duì)目前電氣化鐵道長(zhǎng)期超負(fù)荷這一普遍問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]GB/T 14598.15：電氣繼電器 第8部分:電熱繼電器，Electrical relays - Part eighth : electric relay.