高速鐵路牽引供電系統(tǒng)繼電保護研究

張再利

摘 要：對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)而言，會存在列車制動造成能源浪費以及牽引變電所供電距離較短的問題，增加了線路牽引變電數(shù)量和工程建設(shè)成本。本文從牽引供電系統(tǒng)簡介入手，對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)繼電保護進(jìn)行了分析，希望能為相關(guān)的工作人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;繼電保護;牽引供電系統(tǒng)

高速鐵路以其速度快、安全性好、輸送能力大、單位能源消耗低、經(jīng)濟效益好、舒適方便等優(yōu)點而成為我國鐵路發(fā)展的方向。而高速列車則是研究牽引供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)繼電保護發(fā)揮了重要的作用，繼電保護在牽引供電系統(tǒng)正常運行時，滿足機車運行的各個方面。完善現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)保護原理和功能。

分析兩種接線形式的差異、特點，以及各運行方式下的保護配置、整定原則，得出合理的保護整定原則，有利于我國高鐵的發(fā)展，具有十分重要的理論與實際意義。

1 牽引供電系統(tǒng)

牽引變電所、牽引網(wǎng)和電力機車負(fù)荷組成了牽引供電系統(tǒng)。

1.1 關(guān)于牽引供電系統(tǒng)饋線保護，以及牽引網(wǎng)故障特征和常規(guī)原理的饋線保護誤動或拒動行為的基礎(chǔ)上，分別提出了由電流中綜合諧波含量控制的三段自適應(yīng)距離保護原理、自適應(yīng)電流增量保護原理，和自由相電壓中綜合諧波含量控制而自適應(yīng)電壓增量的異相短路故障保護原理;這些原理分別經(jīng)過了現(xiàn)場運行或仿真試驗的驗證，結(jié)果表明原理是正確的。

1.2 牽引網(wǎng)

關(guān)于牽引網(wǎng)瞬時性與永久性故障識別，在瞬時性故障時，故障線路的耦合電壓決定于電感耦合和電容耦合。系統(tǒng)地分析了復(fù)線電力牽引網(wǎng)同一方向上、下行線路既有電感耦合，又有電容耦合，而永久性故障時，耦合電壓決定于電感耦合的特征，提出了基于耦合電壓的自適應(yīng)故障性質(zhì)識別原理：仿真實驗表明：該原理識別瞬時性與永久性故障的靈敏度較高。

1.3 電力機車負(fù)荷

直流傳動電力機車作為我國鐵路列車牽引動力的主力，通過系統(tǒng)研究電力機車運行于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩種工況下的負(fù)荷特性，提出了將直流傳動電力機車無功特性用電壓的二次函數(shù)模型進(jìn)行等效數(shù)學(xué)描述的思想，并由此得到了交流側(cè)電力機車的負(fù)荷模型。其諧波和不平衡特性對牽引供電系統(tǒng)及公用電網(wǎng)的影響不容忽視。

2 繼電保護研究

2.1 線路保護研究

2.1.1 電力系統(tǒng)線路保護。由于全線速動的需要，電力系統(tǒng)220kV以上電壓等級的線路普遍采用以光纖為通信通道的線路電流差動保護作為主保護。光纖電流差動保護其工作原理建立在基爾霍夫電流定律的基礎(chǔ)之上，具有良好的選擇性，能快速地切除保護區(qū)內(nèi)的故障，長期以來對的研究一直不斷。

牽引網(wǎng)采用差動保護，在負(fù)荷工況下差動電流將是所有負(fù)荷電流之和，電力線路能夠應(yīng)用電流差動保護的一個重要前提是電力負(fù)荷在被保護線路的區(qū)域以外，與牽引網(wǎng)有很大不同。差動保護的動作電流必須躲過最大負(fù)荷電流。一旦采取這些措施又會惡化差動保護的性能，增加了保護的復(fù)雜性和拒動的概率，因此牽引網(wǎng)不宜直接采用差動保護。暫態(tài)電流往往可達(dá)機車額定負(fù)荷電流的數(shù)倍，從而需要電流差動保護采取諸如進(jìn)一步提高動作電流門檻、增加動作延時、增加閉鎖判據(jù)等措施才能保證在負(fù)荷工況下不會誤動。作為牽引網(wǎng)的負(fù)荷，電力機車或動車組會在牽引網(wǎng)區(qū)段內(nèi)沿線移動。在此情況下，差動保護的動作電流與過電流保護的動作電流相同，兩者的靈敏度也相同。此外，應(yīng)用差動保護還需要克服電力機車過電分相時引起的沖擊電流以及在牽引網(wǎng)區(qū)段內(nèi)啟動時的啟動電流等問題，這些使得繼電保護可以采取更復(fù)雜和更精細(xì)的算法。

2.1.2 牽引網(wǎng)保護。高速鐵路牽引網(wǎng)沿用了普速鐵路采用的保護原理，主要有距離保護、過電流保護、電流增量保護等。

第一，距離保護。普速電氣化鐵路采用距離保護作為牽引網(wǎng)的主保護，并利用負(fù)荷電流中的綜合諧波含量自動動態(tài)調(diào)節(jié)四邊形動作特性的邊界，從而防止保護在負(fù)荷電流下誤動作。

第二，過電流保護。根據(jù)牽引網(wǎng)供電方式的不同和繼電保護選擇性的需要，過電流保護可配置1～3段，并可采取綜合諧波抑制和勵磁涌流閉鎖措施。

第三，電流增量保護。電流增量保護根據(jù)電流在短時間內(nèi)的變化幅度來區(qū)分是負(fù)荷電流和故障電流：在正常情況時，電力機車沿線順向行使，牽引網(wǎng)電流的增量不會超過1輛車電流的最大值;在牽引網(wǎng)故障時，短路電流急劇增大，電流的增量比負(fù)荷電流大得多。

第四，接觸網(wǎng)發(fā)熱保護。高速重載列車的單車牽引電流較大，在300～350km/h時可達(dá)到600～1000A，接觸網(wǎng)在比較長時間內(nèi)都是大電流時，容易發(fā)熱，然后牽引網(wǎng)的擴張力會降低，穩(wěn)定性也會變差，所以為了保護接觸網(wǎng)，必須設(shè)置熱過負(fù)荷保護。該原理是以機車負(fù)荷和環(huán)境溫度為基礎(chǔ)，根據(jù)接觸網(wǎng)熱模型實時計算接觸網(wǎng)溫度，當(dāng)計算的溫度比設(shè)定的溫度高時，跳鬧回路就會工作，使饋線斷路器斷開。

2.2 變壓器保護研究

變壓器在正常工作或外部故障時，變壓器節(jié)點的電流代數(shù)和為零，即差流為零;差動保護的性能受不平衡電流影響，而勵磁涌流和電流互感器飽和都會在差動冋路產(chǎn)生很大的不平衡電流，牽引供電系統(tǒng)及方式影響著牽引網(wǎng)電壓水平，與此同時，牽引供電系統(tǒng)的安全運行取決于電氣保護的配置。我國高速鐵路使用的是AT供電方式，這種供電方式可以使?fàn)恳儔浩鞫溯敵鲭妷荷咭槐?。增加供電臂的長度，減少線路牽引變電所的設(shè)置，提高輸電的能力，減少牽引網(wǎng)的阻抗，減少對通信造成的影響。防止差動保護誤動的關(guān)鍵是區(qū)分勵磁涌流識別和TA飽和識別。國內(nèi)外研究者在以上方面進(jìn)行研究，同時提出了許多可行的辦法。

由于距離保護同時利用了短路時的電壓，電流的變化特征，通過測量故障阻抗來確定故障所處范圍，具有保護區(qū)穩(wěn)定、靈敏度高、動作情況受電網(wǎng)運行方式變化影響小的優(yōu)點，將距離保護用作牽引變壓器的后備保護特征。低電壓啟動過電流保護具有靈敏高優(yōu)點，但是由于高速鐵路采用了220kV外部及大容量牽引變壓器，低電壓啟動過電流保護存在著拒動的可能。牽引變壓器后備距離保護的特殊問題，借鑒牽引網(wǎng)饋線距離保護多年來的成熟經(jīng)驗，探討了其動作特性，保護配置及流量阻抗等情況，通過數(shù)字仿真驗證了理論分析的正確性。由于牽引負(fù)荷為單相負(fù)荷，在牽引供電系統(tǒng)正常運行時就存在負(fù)序電壓和負(fù)序電流，有可能造成復(fù)合電壓啟動的過電流保護誤動作。在電力系統(tǒng)中，一般復(fù)合電壓啟動的過電流保護被用作變壓器的后備保護。

3 結(jié)語

鐵路電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，繼電保護配置一般規(guī)定，電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備和線路，應(yīng)裝設(shè)短路故障和異常運行保護裝置。相應(yīng)的保護分主保護和后備保護，必要時增加輔助保護。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉玉潔，盛彩飛，林飛，游小杰，鄭瓊林.高速動車組網(wǎng)側(cè)電流諧波特性的研究[J].電氣傳動，2017，40（1）.

（作者單位：哈爾濱鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）