高速铁路牵引供电系统继电保护研究

摘要：牵引供电系统是高速铁路动车组的动力源泉，继电保护是牵引供电系统向动车组安全可靠供电的关键。由于系统结构、供电方式、用电负荷的不同，牵引供电系统继电保护原理与电力系统有很大差别。文章对高速铁路牵引供电系统继电保护进行了研究。

关键词：高速铁路；牵引供电系统；全并联AT牵引网；联跳保护；继电保护 文献标识码：A

中图分类号：U223 文章编号：1009-2374（2017）02-0104-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.049

高速铁路的牵引供电系统的主要功能就是向电力机车提供连续可靠的电能。为了使牵引供电系统能够可靠安全供电，继电保护发挥了重要的作用，继电保护不仅可以在牵引供电系统正常运行时，满足电力机车运行所需要的各个方面，并且可以在牵引供电系统不能正常工作以及损坏时，确保供电系统及其设备安全运行。在高速铁路长期运行期间，系统很难不出现问题。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

电力系统提供两路独立电源进线，在通过牵引变电所转变电能后，再送给牵引网，以使电力机车能够取流，然后完成电力牵引，牵引变电所、牵引网和电力机车组成了牵引供电系统。

1.1 牵引变电所、分区所、AT所

牵引变电所的功能就是把系统引入的高电压转换成低电压的交流电，然后再通过馈电线送给铁路沿线的接触网，向电力机车提供电量，因为牵引负荷是单相负荷，为了尽可能将单相负荷均匀地分配到电力系统三相中去，牵引变压器常选择比较特别的接线变压器，比如斯科特接线、阻抗匹配平衡接线等变压器。高速铁路采用V/x接线等牵引变压器。常常在两个牵引变电所的供电区中间设置分区所，以使供电更加灵活。

1.2 牵引网

牵引网是由馈电线、接触网、回流线组成的多导线供电的回路。

它有很多种供电方式，例如直接供电和带吸流变压器（BT）供电、自耦变压器（AT）供电和全并联AT供电方式。其中BT供电由于大地回流和“半段效应”其对通信线路的防护效果并不理想，同时由于“吸-回”装置将接触网的连接方式变得麻烦，机车的受流条件变得更差，所以现在已经不经常使用了。

1.2.1 直接供电方式。直接供电这种方式相较而言是比较简单的，电力机车工作所需要的电能是由牵引变电所输出的电能供给的，这种供电方式就是直接供电方式。它有很多好处，这种方式的结构比较简单，而且节省投资，但是其回路电阻大，供电距离较短。同时因为牵引供电系统是单相负荷的，这种供电方式无法使其平衡，这样就会严重影响通信线路。

1.2.2 AT供电方式。随着铁路的提速，以及高速、大功率电力机车的不断投入运行，牵引网需要提供更高的电能，为此引入AT供电方式，牵引变电所主变输出电压为55kV，经AT向接触网供电，一端接接触线，另一端接正馈线，其中点抽头则与钢轨相连。这种供电方式下，其馈电电压高，供电能力强，牵引变电所的数量可以减少，从而节省投资。而其接触线和正馈线中的电流近似大小相等方向相反，所以牵引电流对通信线路的影响较小。目前，我国的大秦、京秦、郑武等普速电气化铁路线路都采用了AT供电方式。

1.2.3 全并联AT供电方式。为了进一步提高牵引网电压，减小牵引网电能损失，采用了牵引网的上下行线路在AT所和分区所处进行并联的接线方式。我国高速铁路普遍采用全并联AT供电方式。这种供电方式下机车的负荷电流由于并联支路的存在将会有多个供电回路，使牵引网的电阻值降低了，并且使牵引网的供电能力增加了，但是在牵引网故障时，同样存在多个回路给短路点供电，使故障分析更加复杂，同时使其继电保护与普速铁路时有很大不同。

1.3 电力机车负荷

电力机车按照牵引驱动电机的不同可以分为直流电力机车（又称交-直电力机车）和交流电力机车（又称交-直-交电力机车）。在普速铁路中通常采用交-直电力机车，而在高速铁路中全部釆用交-直-交电力机车。两种机车由于采用的整流电路不同，使得其谐波成分、功率因数等有很大区别，进而对其继电保护产生影响。

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。光纤电流差动保護简称光差保护，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，而励磁涌流二次諧波含量高，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。

目前，对于变压器的后备保护研究主要包括两类：一种是改进现有的过电流保护；另一种是采用其他保护原理。

3 结语

我国高速铁路全部采用电力牵引，作为源动力的牵引供电系统的作用显得更加重要。但我国高速铁路发展时间短、发展速度快，继电保护原理及保护配置的思路主要沿用普速电气化铁路的经验，不能很好地满足采用了220kV的外部电源、V/x压器、全并联AT方式、动车组负荷的高速铁路牵引供电系统。因此，对高速铁路牵引供电系统的继电保护进行持续深入研究，既响应现场实际需求，也具有重要的社会经济价值。

参考文献

[1] 陈小川.铁路供电继电保护与自动化[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[2] 刘玉洁，盛彩飞，林飞，游小杰，郑琼林.高速动车组网侧电流谐波特性的研究[J].电气传动，2010，40（1）.

[3] 伍叶凯，部东霞.电容电流对差动保护的影响及补偿方案[J].继电器，1997，25（4）.

作者简介：王佩刚（1984-），男，陕西渭南人，中铁电气化局集团第一工程有限公司工程师，研究方向：铁路牵引供电工程（接触网专业）。

（责任编辑：小 燕）