高铁牵引网继电保护与动车组的配合

高铁牵引网继电保护与动车组的配合

胡洋

中车唐山机车车辆有限公司 河北唐山 063000

摘要：高速铁路以其速度快、安全性好、输送能力大、单位能源消耗低、经济效益好、舒适方便等优点而成为我国铁路发展的方向。而高速列车则是研究牵引供电系统的基础。高速铁路的牵引供电系统继电保护发挥了重要的作用，继电保护在牵引供电系统正常运行时，满足机车运行的各个方面。完善现有牵引供电系统保护原理和功能。

关键词：牵引网；继电保护；动车组；配合

引言：相对牵引网而言，由于动车组通过受电弓与接触线滑动接触的取流方式及机械振动等原因，牵引网的故障率比电力系统大得多。由于材料、制造工艺、安装及维护技术等原因，我国牵引网的故障率比国外电气化铁路又要高很多。常规的保护在某些严重情况下无法正确动作，会导致牵引网烧损乃至烧断、列车供电长时间中断等严重事故。对于变压器，我国高速铁路采用特殊接线的变压器，其容量和电压等级与普速铁路相比有很大的提高。

1.牵引供电系统

牵引变电所、牵引网和电力机车负荷组成了牵引供电系统。

1.1关于牵引供电系统馈线保护，以及牵引网故障特征和常规原理的馈线保护误动或拒动行为的基础上，分别提出了由电流中综合谐波含量控制的三段自适应距离保护原理、自适应电流增量保护原理，和自由相电压中综合谐波含量控制而自适应电压增量的异相短路故障保护原理;这些原理分别经过了现场运行或仿真试验的验证，结果表明原理是正确的。

1.2牵引网

关于牵引网瞬时性与永久性故障识别，在瞬时性故障时，故障线路的耦合电压决定于电感耦合和电容耦合。系统地分析了复线电力牵引网同一方向上、下行线路既有电感耦合，又有电容耦合，而永久性故障时，耦合电压决定于电感耦合的特征，提出了基于耦合电压的自适应故障性质识别原理：仿真实验表明：该原理识别瞬时性与永久性故障的灵敏度较高。

1.3电力机车负荷

直流传动电力机车作为我国铁路列车牵引动力的主力，通过系统研究电力机车运行于稳态和暂态两种工况下的负荷特性，提出了将直流传动电力机车无功特性用电压的二次函数模型进行等效数学描述的思想，并由此得到了交流侧电力机车的负荷模型。其谐波和不平衡特性对牵引供电系统及公用电网的影响不容忽视。

2.继电保护研究

2.1线路保护研究

2.1.1电力系统线路保护。由于全线速动的需要，电力系统220kV以上电压等级的线路普遍采用以光纤为通信通道的线路电流差动保护作为主保护。光纤电流差动保护简称光差保护，其保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，具有良好的选择性，能快速地切除保护区内的故障，长期以来对其的研究一直不断。

电力线路能够应用电流差动保护的一个重要前提是电力负荷在被保护线路的区域以外，与牵引网有很大不同。作为牵引网的负荷，电力机车或动车组会在牵引网区段内沿线移动。如果牵引网采用差动保护，在负荷工况下差动电流将是所有负荷电流之和，差动保护的动作电流必须躲过最大负荷电流。在此情况下，差动保护的动作电流与过电流保护的动作电流相同，两者的灵敏度也相同。此外，应用差动保护还需要克服电力机车过电分相时引起的冲击电流以及在牵引网区段内启动时的启动电流等问题，这些暂态电流往往可达机车额定负荷电流的数倍，从而需要电流差动保护采取诸如进一步提高动作电流门槛、增加动作延时、增加闭锁判据等措施才能保证在负荷工况下不会误动。然而，一旦采取这些措施又会恶化差动保护的性能，增加了保护的复杂性和拒动的概率，因此牵引网不宜直接采用差动保护。计算机技术、通信技术的发展促进了继电保护技术的进步，使得继电保护可以采取更复杂和更精细的算法。

2.1.2牵引网保护。高速铁路牵引网沿用了普速铁路采用的保护原理，主要有距离保护、过电流保护、电流增量保护等。

第一，距离保护。普速电气化铁路采用距离保护作为牵引网的主保护，并利用负荷电流中的综合谐波含量自动动态调节四边形动作特性的边界，从而防止保护在负荷电流下误动作。

第二，过电流保护。根据牵引网供电方式的不同和继电保护选择性的需要，过电流保护可配置1～3段，并可采取综合谐波抑制和励磁涌流闭锁措施。

第三，电流增量保护。电流增量保护根据电流在短时间内的变化幅度来区分是负荷电流和故障电流：在正常情况时，电力机车沿线顺向行使，牵引网电流的增量不会超过1辆车电流的最大值；在牵引网故障时，短路电流急剧增大，电流的增量比负荷电流大得多。

第四，接触网发热保护。高速重载列车的单车牵引电流较大，在300～350km/h时可达到600～1000A，接触网在比较长时间内都是大电流时，容易发热，然后牵引网的扩张力会降低，稳定性也会变差，从而就会对高速重载铁路正常工作运行时产生影响，所以为了保护接触网，必须设置热过负荷保护。该原理是以机车负荷和环境温度为基础，根据接触网热模型实时计算接触网温度，当计算的温度比设定的温度高时，跳闹回路就会工作，使馈线断路器断开。

2.2变压器保护研究

系统的供电中最重要的设备就是变压器，它的继电保护可以直接影响供电是否正常以及设备是否安全。变压器的主保护使用的一直都是差动保护，它是以基尔霍夫电流定律作为基础的保护原理：变压器在正常工作或外部故障时，变压器节点的电流代数和为零，即差流为零；变压器内部故障时，电流代数和不再为零，即出现差流。所以差动保护的性能受不平衡电流影响，而励磁涌流和电流互感器饱和都会在差动冋路产生很大的不平衡电流，可见防止差动保护误动的关键是区分励磁涌流识别和TA饱和识别。目前，内外的研究者着重对这两个方面进行了研究，而且也提出了很多的办法。

对励磁涌流的识别主要有二次谐波制动原理波形对称原理基于变压器回路方程法等方法。二次谐波制动原理是基于故障时电流二次谐波含量低，而励磁涌流二次谐波含量高，通过计算差动电流与基波比值判断是否发生变压器内部故障。该原理简单，是目前国内外广泛采用的涌流制动方法。波形对称原理是间断角原理的推广，利用差动电流在一个周期内前半波和后半波的波形是否对称判断是否为变压器内部故障。常用的方法有微分波形对称法、积分波形对称法和波形相关法。基于变压器回路方程法与前两个方法的区别是它同时利用的电流和电压，通过列写原副边的回路方程，得到仅有电压、电流和绕组参数的方程。

除了主保护外，变压器还装设有后备保护，其作用是防止外部短路引起的变压器过电流，并作为差动保护以及线路保护的后备。在电力系统中，一般复合电压启动的过电流保护被用作变压器的后备保护。由于牵引负荷为单相负荷，在牵引供电系统正常运行时就存在负序电压和负序电流，有可能造成复合电压启动的过电流保护误动作。所以我国牵引变压器后备保护并没有采用复合电压启动判据，而是采用了低压启动过电流保护作为牵引变压器高、低压侧的后备保护。由于采用了低电压启动元件，使过电流保护的整定可以按照额定电流整定，大大提高了过电流保护的灵敏性。但是由于高速铁路采用220kV以上的高电压作为电源和容量80～100MVA的牵引变压器，不仅使系统内等效电源的电阻增加了，而且也使牵引网发生故障时产生的母线电压水平提高了，在低电压下工作的元件在这种情况下，可能会拒动。

结语

综上所述，促进我国高速铁路的正常运行和使用寿命，必须要在牵引变电所继电保护方面加大力度，其能够保证高速铁路在运行的时候，电力供电系统的正常运转。但是由于我国高速铁路发展时间短、发展速度快，相关保护技术跟不上发展速度，只能沿用普通铁路的保护原理和措施，不能有效地满足高速铁路牵引供电系统。所以，加强高速铁路牵引变电所继电保护方案的提出是如今促进高速铁路发展的重要措施。

参考文献

[1]张增红，高速铁路牵引变电所继电保护探讨山东工业技术，2018（16）：158-158

[2]贾宗帅.高速铁路牵引变电所继电保护方案探讨[J].建筑工程技术与设计，2016（21）：1881-1881.