淺談鐵路牽引變電所饋線保護(hù)

亓 雷 劉愛賓 曹恒波

（濟(jì)南鐵路局，山東 濟(jì)南 250000）

供電系統(tǒng)中的變壓器、輸電線路、母線以及用電設(shè)備，一旦發(fā)生故障，迅速而有選擇性的切除故障設(shè)備，是保證供電系統(tǒng)及其設(shè)備安全運(yùn)行最有效的方法之一。切除故障的時(shí)間通常要小到幾十毫秒到幾百毫秒，實(shí)踐證明，只有裝設(shè)在供電系統(tǒng)上的繼電保護(hù)裝置，才有可能完成這個(gè)任務(wù)。繼電保護(hù)裝置，就是指能反映供電系統(tǒng)中電氣設(shè)備發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)，并動(dòng)作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動(dòng)裝置。下面就繼電保護(hù)應(yīng)用于饋線保護(hù)進(jìn)行簡單介紹。

1 饋線保護(hù)面對的幾個(gè)問題

交流電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)單相系統(tǒng)。其負(fù)荷特性不同于一般的電力系統(tǒng)負(fù)荷，主要表現(xiàn)在：

1）牽引負(fù)荷不僅是移動(dòng)的，而且其大小隨時(shí)都在變化；

2）牽引供電臂供電距離長，單位阻抗比一般輸電線路單位阻抗大；

3）牽引負(fù)荷的變化頻率及幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般的電力負(fù)荷；

4）當(dāng)在接觸網(wǎng)電壓下空載投入機(jī)車牽引變壓器，或饋線突然斷電、機(jī)車失壓后由自動(dòng)重合閘動(dòng)作將饋線斷路器重新投入，或電力機(jī)車在運(yùn)行過程中失電而又復(fù)得（如機(jī)車惰性通過電分相），或含有AT、BT的牽引網(wǎng)空載投入等情況下會產(chǎn)生勵(lì)磁電流；

5）為了適應(yīng)機(jī)車沿線路移動(dòng)牽引網(wǎng)的結(jié)構(gòu)比電力系統(tǒng)輸電線路要復(fù)雜得多。

2 饋線保護(hù)的分類

2.1 距離保護(hù)

由于交流牽引負(fù)荷與交流牽引網(wǎng)短路參數(shù)與電力系統(tǒng)有很大的不同，僅反映電流值變化的電流保護(hù)靈敏系數(shù)較低，一般不能作為牽引饋線的主保護(hù)。距離保護(hù)既反映被保護(hù)線路故障時(shí)電壓的降低，又反應(yīng)電流的升高，即距離保護(hù)反映的是故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的距離（阻抗值），采用方向阻抗繼電器時(shí)還可反應(yīng)相角的變化，同時(shí)不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，其靈敏系數(shù)較高。因此在饋線保護(hù)中一般采用距離保護(hù)作為主保護(hù)。

2．2 電流速斷保護(hù)

從牽引負(fù)荷的特點(diǎn)可知，在某些情況下牽引網(wǎng)短路電流將接近負(fù)荷，甚至低于負(fù)荷電流。因此，如何區(qū)分故障電流和正常負(fù)荷電流是電流速斷保護(hù)的關(guān)鍵。整流型電力機(jī)車的電流均含有大量的高次諧波，因此可以利用諧波含量的多少來區(qū)分是正常的負(fù)荷電流，還是故障電流。另外，勵(lì)磁涌流含有大量的二次諧波電流，因此可以利用二次諧波含量區(qū)分勵(lì)磁涌流和故障電流。

牽引網(wǎng)運(yùn)行方式的不同以及保護(hù)安裝位置的不同，電流速斷的整定也就不同。例如，在單線單向供電方式下，牽引變電所饋線電流速斷保護(hù)一般根據(jù)最大負(fù)荷電流整定。在復(fù)線末端（分區(qū)所）并聯(lián)運(yùn)行方式下，牽引變電所饋線電流速斷保護(hù)按末端（分區(qū)所）短路時(shí)的最大短路電流整定。電流速斷保護(hù)的缺點(diǎn)是其保護(hù)范圍受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，在某些情況下電流速斷保護(hù)可能沒有保護(hù)范圍。因此，一般需要對電流速斷保護(hù)的靈敏性進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)靈敏性不能滿足要求時(shí)，可以在電流速斷保護(hù)中增加低電壓啟動(dòng)判據(jù)，同時(shí)適當(dāng)減小電流整定值，若仍不能滿足靈敏性要求，則電流速斷保護(hù)不能采用。

2．3 電流增量保護(hù)

當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，如果在短路點(diǎn)存在過渡電阻，過渡電阻將使短路電流減小，同時(shí)使測量阻抗增大。如果過渡電阻較大，可能導(dǎo)致距離保護(hù)和電流速斷保護(hù)拒動(dòng)。通過分析牽引負(fù)荷電流和故障電流可以看出：在正常情況下，由于電力機(jī)車電路中大電感的作用，電力機(jī)車電流在短時(shí)間內(nèi)增量不會很大，尤其是在電力機(jī)車啟動(dòng)時(shí)。當(dāng)牽引網(wǎng)和電力機(jī)車發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流將急劇增加。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)構(gòu)成的保護(hù)稱為電流增量保護(hù)。因此，電流增量保護(hù)的基本思想是根據(jù)電流在短時(shí)間內(nèi)的變化幅度來區(qū)分是負(fù)荷電流和故障電流。

電流增量保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)是選擇能力比普通電流保護(hù)強(qiáng)。一般電流保護(hù)是根據(jù)最大負(fù)荷電流整定，而一個(gè)供電區(qū)間的最大負(fù)荷電流一般能達(dá)到一列電力機(jī)車最大電流的2倍左右。而電流增量保護(hù)除了反映穩(wěn)態(tài)最大負(fù)荷電流以外，還同時(shí)反映短時(shí)間內(nèi)電流的增量。因此，其電流整定值 可適當(dāng)減小到一列電力機(jī)車的最大電流。例如，日本東海道新干線上一般過電流保護(hù)的整定值為2000A左右，而電流增量保護(hù)為1000A，故其保護(hù)范圍將大大延長。同時(shí)從電流增量的原理可以看出，在牽引網(wǎng)發(fā)生高阻接地故障、異相短路故障時(shí)，電流增量保護(hù)的靈敏性比普通電流保護(hù)和距離保護(hù)的靈敏性要高。

2．4 反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)

高速電氣化鐵路一般采用大功率電力機(jī)車，行車密度高，負(fù)荷電流大，當(dāng)接觸網(wǎng)因?yàn)殚L期大電流發(fā)熱達(dá)到一定的程度時(shí)，應(yīng)切斷饋線斷路器，以保證行車安全。電力機(jī)車在線路上行駛的時(shí)候，負(fù)荷電流經(jīng)常變化，即在任一電流之下運(yùn)行的時(shí)間都很短。而故障電流只要一旦產(chǎn)生，就會持續(xù)到故障切除以后才會消失。因此可以根據(jù)電流持續(xù)時(shí)間的不同來區(qū)分是正常負(fù)荷電流還是故障電流。根據(jù)這一原理可以構(gòu)成反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)。反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)一般作為饋線保護(hù)的后備保護(hù)，需保護(hù)線路全長。

2．5 接觸網(wǎng)發(fā)熱保護(hù)

電氣化鐵道的發(fā)展方向是高速、重載。在高速、重載的情況下要求接觸網(wǎng)具有高度的穩(wěn)定性，只有高度的穩(wěn)定性才能保證接觸懸掛不變形，才能保證穩(wěn)定的受流質(zhì)量，才能保證高速重載列車的正常運(yùn)行。高速重載列車的單車牽引電流較大，在列車時(shí)速為300-350km/h時(shí)可達(dá)到600-1000A，接觸網(wǎng)在長期大電流的情況下發(fā)熱，張力降低，穩(wěn)定性下降，從而影響到高速重載鐵路的正常運(yùn)行，因此需要設(shè)置熱過負(fù)荷保護(hù)完成對接觸網(wǎng)的保護(hù)。

接觸網(wǎng)發(fā)熱保護(hù)的動(dòng)作原理主要是通過采集外界環(huán)境溫度和接觸線電流，通過內(nèi)部程序計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與整定值相比較，如超出規(guī)定值便發(fā)出報(bào)警、跳閘命令，從而達(dá)到保護(hù)接觸網(wǎng)的目的。

接觸網(wǎng)發(fā)熱保護(hù)的兩個(gè)基本元素為外界環(huán)境溫度和負(fù)荷電流。外界環(huán)境溫度的測量通過一個(gè)溫度傳感器完成。將測量的外界溫度轉(zhuǎn)化為電流信號輸入到保護(hù)裝置。當(dāng)檢測到外界溫度超過正常范圍時(shí)，閉鎖溫度輸入，并保留上次的測量值。保護(hù)裝置采集外部接觸線流過的電流，通過內(nèi)部運(yùn)算程序計(jì)算出接觸線的溫度，當(dāng)計(jì)算的溫度超過設(shè)定的跳閘溫度時(shí)，啟動(dòng)跳閘回路，跳開饋線斷路器。

2．6 一次自動(dòng)重合閘

為了保障牽引供電的可靠性，在饋線保護(hù)中設(shè)置一次自動(dòng)重合閘。當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，通過饋線保護(hù)的自動(dòng)重合閘能夠快速恢復(fù)供電。當(dāng)線路發(fā)生永久性故障時(shí)，如果故障電流很大，為了防止對牽引網(wǎng)的第二次沖擊，可選擇投入大電流閉鎖重合閘功能。

總之，饋線是電氣化鐵路正常運(yùn)行的重要組成部分，其安全穩(wěn)定的運(yùn)行是電氣化鐵路的關(guān)鍵因素。不管什么類型的饋線保護(hù)，其目的均是減少設(shè)備故障損失，增強(qiáng)鐵路運(yùn)輸?shù)目煽啃浴?/p>