鐵路牽引變電所繼電保護(hù)方案分析

張相杰　張亮

摘要：鐵路運(yùn)行系統(tǒng)具有行車密度大、運(yùn)行速度高、牽引功率大等特點(diǎn)。繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分，是保證系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的重要措施。文章結(jié)合鐵路工程實(shí)際，提出了牽引變電所繼電保護(hù)存在的問(wèn)題和繼電保護(hù)的注意事項(xiàng)，最后對(duì)保護(hù)方案進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：鐵路運(yùn)行系統(tǒng)；牽引變電所；繼電保護(hù)方案；電力系統(tǒng)；鐵路工程 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM63 文章編號(hào)：1009-2374（2015）19-0114-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.19.056

1 案例介紹

某鐵路的牽引變電所使用變壓器本體保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、高壓側(cè)過(guò)流保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)等措施來(lái)對(duì)牽引變電所進(jìn)行保護(hù)，并且沒(méi)有在牽引變電所中設(shè)置220kV線路保護(hù)，只是在電力系統(tǒng)一側(cè)配置了雙套距離保護(hù)來(lái)保護(hù)線路，未設(shè)置過(guò)電流、電流速斷、零序電流等保護(hù)裝置進(jìn)行后續(xù)的保護(hù)工作，整個(gè)保護(hù)方案不夠完善，還有一些問(wèn)題存在。需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)鐵路牽引變電所的繼電保護(hù)方案進(jìn)行探討。

2 牽引變電所繼電保護(hù)存在的問(wèn)題

2.1 線路的保護(hù)配置存在的問(wèn)題

本鐵路路段的大多數(shù)客運(yùn)專線都沒(méi)有對(duì)220kV線路設(shè)置專門的保護(hù)措施，只有極少數(shù)的客運(yùn)專線使用220kV線路光纖電流差來(lái)對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)。在現(xiàn)行的《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定要求：對(duì)于需要裝配全線速動(dòng)保護(hù)的架空短線路和電纜線路中，全線速動(dòng)主保護(hù)一般使用光纖電流差動(dòng)保護(hù)。而對(duì)于中長(zhǎng)線路，條件允許的情況下，全線速動(dòng)保護(hù)要使用光纖電流差動(dòng)進(jìn)行保護(hù)。在規(guī)范中，要求電氣化鐵路供電線路滿足以下要求：使用三相電源來(lái)對(duì)電鐵負(fù)荷進(jìn)行供電的線路，在對(duì)其進(jìn)行保護(hù)時(shí)，可以按照一般線路的保護(hù)設(shè)施進(jìn)行保護(hù)，而對(duì)于使用兩項(xiàng)電源進(jìn)行供電的線路，可以使用兩段式電流和兩段式距離的方式對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)。

在《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)定（GB 14286）》中指出，對(duì)于向電氣化鐵路進(jìn)行供電的線路，特別對(duì)于架空短線路和電纜線路來(lái)說(shuō)，其全線速動(dòng)主保護(hù)要使用光纖電流差動(dòng)進(jìn)行保護(hù)。而本鐵路工程的大部分客運(yùn)專線牽引變電所進(jìn)行供電的線路的全線速動(dòng)主保護(hù)都沒(méi)有使用光纖電流差動(dòng)保護(hù)。分析后，發(fā)現(xiàn)主要是由下述兩個(gè)原因造成的：（1）牽引變電所多使用架空的方式作為220kV的進(jìn)線，并且線路比較長(zhǎng)，對(duì)電纜進(jìn)線使用比較少，只是在少數(shù)的變電所中使用。在220kV供電網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展下，220kV架空線路數(shù)量逐漸減少，為了達(dá)到使用要求會(huì)逐漸使用電纜線路，特別是對(duì)于一些土地資源緊缺、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市，對(duì)電纜線路的使用會(huì)更加普遍。在這種情況下，要優(yōu)先使用光纖電流差動(dòng)保護(hù)來(lái)對(duì)為電氣化鐵路供電的220kV線路提供全線速動(dòng)主保護(hù)。在設(shè)計(jì)牽引變電所時(shí)，要重點(diǎn)考慮；（2）一般情況下在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)中，對(duì)光纖電流差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用比較多。主要用來(lái)判斷故障的區(qū)間，避免影響系統(tǒng)中的其他用戶。在220kV電網(wǎng)中的線路和變電站都是此網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)會(huì)和其他的節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)到一起。由于負(fù)荷端和電源端隨時(shí)都有可能發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致電流保護(hù)和距離保護(hù)整定、配合的難度大。為了保證用戶的選擇性，通常會(huì)使用光纖差動(dòng)保護(hù)。由于牽引變電所只是系統(tǒng)的終端負(fù)荷，只是一個(gè)單電源的網(wǎng)絡(luò)，不需要對(duì)穿越功率進(jìn)行考慮，運(yùn)行方式也是固定的，所以使用距

離保護(hù)來(lái)對(duì)220kV線路進(jìn)行保護(hù)基本已經(jīng)可以達(dá)到要求。

2.2 牽引變壓器保護(hù)配置存在的問(wèn)題

按照相關(guān)規(guī)定要求，在使用數(shù)字式保護(hù)的方法對(duì)220kV以上的變壓器進(jìn)行保護(hù)時(shí)，除了電量保護(hù)以外，均使用雙重化的保護(hù)配置。如果斷路器中有兩組跳閘線圈，這兩套保護(hù)要分別保護(hù)一組跳閘線圈。而牽引變壓器是否使用保護(hù)雙重配置，是由牽引變壓器的運(yùn)行方式和牽引變電所的主接線方式來(lái)決定的，要靈活運(yùn)用。本鐵路線路牽引變電所使用的接線方式和電力系統(tǒng)220kV變電所的接線方式不同。牽引變壓器按照固定備用的方式進(jìn)行運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一組變壓器組處于運(yùn)行狀態(tài)，另一組變壓器組處于備用狀態(tài)，不管是運(yùn)行線路發(fā)生故障還是牽引變電所兩線路變壓器組發(fā)生故障，都會(huì)將故障線路變壓器組切除，然后切換到備用線路變壓器組，從而確保牽引供電系統(tǒng)可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過(guò)上述分析后可知，牽引變電所的變壓器和進(jìn)線都設(shè)置有冗余設(shè)備，并且使用220kV線路保護(hù)來(lái)對(duì)牽引變壓器進(jìn)行后備保護(hù)，不需要再對(duì)220kV變壓器進(jìn)行雙重保護(hù)配置。

3 保護(hù)配置的建議以及保護(hù)整定中的注意事項(xiàng)

3.1 保護(hù)配置建議

在進(jìn)行以上分析后，要求對(duì)該鐵路線路保護(hù)配置做如下設(shè)置：（1）不使用雙重化配置來(lái)對(duì)牽引變電所變壓器進(jìn)行保護(hù)；（2）優(yōu)先使用雙套光纖電流差動(dòng)保護(hù)來(lái)作為電氣化鐵路供電線路的全線速動(dòng)保護(hù)，并配置電流速斷、距離保護(hù)、零序電流保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)作為后備保護(hù)。

3.2 保護(hù)整定中的注意事項(xiàng)

對(duì)該鐵路使用電流速斷保護(hù)、距離保護(hù)、電流增量保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)的措施來(lái)配置牽引變電所反饋線的保護(hù)，并以距離保護(hù)為饋線的主要保護(hù)措施。為了防止出現(xiàn)機(jī)車帶電過(guò)變電所分相產(chǎn)生越級(jí)跳閘的情況，使用電流增量保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)和電流速斷保護(hù)作為饋線的后備保護(hù)。在保護(hù)整定過(guò)程中需要注意下面兩個(gè)問(wèn)題：（1）考慮到饋線的最小斷路電流和最大負(fù)荷電流有的時(shí)候比較接近，使用常規(guī)的規(guī)定要求一般無(wú)法達(dá)到電流保護(hù)的靈敏度要求，在應(yīng)用過(guò)程中要對(duì)其進(jìn)行解決；（2）由于該鐵路線路牽引變電所反饋線的保護(hù)裝置是由不同的公司提供的，所以，在饋線PT斷線判距保護(hù)整定時(shí)，要注意不同廠家對(duì)PT斷線的判斷依據(jù)是不同的。

4 熱過(guò)負(fù)荷的保護(hù)分析

4.1 饋線熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)

饋線熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)主要是在收集接觸線電流和外界環(huán)境溫度后，利用內(nèi)部程序進(jìn)行計(jì)算，然后將接觸線的固有特性和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并根據(jù)不同的情況發(fā)出跳閘和報(bào)警的命令，進(jìn)而達(dá)到對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)的目的。饋線過(guò)熱負(fù)荷主要是用來(lái)對(duì)接觸線進(jìn)行保護(hù)的，由于接觸線自身帶有特定的熱特點(diǎn)，是一個(gè)以電流為變量的反時(shí)限曲線，要求接觸線的固有曲線可以和保護(hù)裝置的整定曲線配合好。此外，饋線的電流保護(hù)也要和保護(hù)裝置的整定曲線配合好。配合曲線見(jiàn)圖1：

圖1 配合曲線

接觸線的通過(guò)電流的持續(xù)時(shí)間主要體現(xiàn)在接觸線溫度升高以后對(duì)接觸線機(jī)械性能造成的影響，即接觸線的耐熱能力是由接觸線運(yùn)行持續(xù)通過(guò)的電流大小來(lái)決定的。接觸線包含了從變電所反饋線路連接到接觸網(wǎng)上網(wǎng)處的接觸網(wǎng)和供電線，而供電線允許通過(guò)電流的時(shí)間主要是由電線的材質(zhì)來(lái)決定的，而接觸網(wǎng)運(yùn)行的持續(xù)電流主要是由承力和接觸導(dǎo)線來(lái)決定的。電流從接觸線流過(guò)后，由承力索和接觸導(dǎo)線進(jìn)行分流。所以，接觸網(wǎng)允許通過(guò)的持續(xù)電流是接觸導(dǎo)線承力索和允許持續(xù)電流的和，需要確定承力索和接觸導(dǎo)線的材質(zhì)后，才能將接觸網(wǎng)運(yùn)行磁性電流計(jì)算出來(lái)。

4.2 變壓器過(guò)熱負(fù)荷保護(hù)

牽引變壓器作為電氣化鐵路中的一個(gè)主要供電設(shè)備，對(duì)鐵路運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性均有較大影響。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)熱狀態(tài)下，會(huì)導(dǎo)致變壓器絕緣材料的彈性喪失，影響電氣強(qiáng)度。為了延長(zhǎng)變壓器的使用年限，確保其在過(guò)熱情況下不至于損壞變壓器絕緣，我國(guó)的變壓器標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了變壓器的溫升限制。當(dāng)前，主要使用定時(shí)限過(guò)負(fù)荷來(lái)對(duì)牽引變壓器進(jìn)行保護(hù)，并利用過(guò)電流動(dòng)作和過(guò)電流倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種保護(hù)方案的適用性比較小，當(dāng)負(fù)荷定值整定比較高時(shí)，會(huì)使變壓器持續(xù)保持在過(guò)負(fù)荷的狀態(tài)下，影響變壓器的使用年限。而當(dāng)整定值過(guò)低時(shí)，會(huì)使變壓器頻繁出現(xiàn)跳閘情況，對(duì)變壓器過(guò)負(fù)能力的發(fā)揮有比較大的影響。導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的根本原因是保護(hù)方案無(wú)法將變壓器溫升反映出來(lái)，使變壓器實(shí)際的過(guò)負(fù)荷能力和保護(hù)方式不匹配。而使用熱點(diǎn)溫度來(lái)限制負(fù)荷，可以更加準(zhǔn)確、真實(shí)地將變壓器內(nèi)部的熱狀態(tài)反映出來(lái)，可以提升牽引變壓器過(guò)負(fù)荷的能力。在測(cè)量溫度時(shí)，可以使用間接測(cè)量和直接測(cè)量的方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其中間接測(cè)量是利用變壓器時(shí)間對(duì)電流的特性曲線來(lái)將內(nèi)部溫升反映出來(lái)的，而直接測(cè)量是使用溫度傳感器設(shè)備安裝在內(nèi)部發(fā)熱體上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于鐵路牽引負(fù)荷具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、負(fù)荷電流大等特點(diǎn)，當(dāng)前使用的定時(shí)限過(guò)負(fù)荷已經(jīng)不能再滿足實(shí)際運(yùn)行的要求，在未來(lái)會(huì)使用熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)取代時(shí)限保護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述分析后，按照以下方案對(duì)鐵路牽引變電所保護(hù)進(jìn)行配置：（1）變壓器。使用熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、變壓器本體保護(hù)來(lái)對(duì)變壓器高低壓側(cè)進(jìn)行保護(hù)；（2）線路。使用全線速動(dòng)主保護(hù)來(lái)對(duì)光纖電流差動(dòng)保護(hù)，并進(jìn)行雙重配置，配置電流速斷、距離保護(hù)、零序電流、過(guò)電流來(lái)作為后備保護(hù)；（3）饋線。使用電流速斷保護(hù)、距離保護(hù)、電流增量保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱負(fù)荷保護(hù)來(lái)對(duì)饋線進(jìn)行保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張相志（1979-），男，河南滎陽(yáng)人，成都交大許繼電氣有限責(zé)任公司中級(jí)工程師，研究方向：市場(chǎng)營(yíng)銷。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）