鐵路牽引變電所繼電保護方案分析

張相杰　張亮

摘要：鐵路運行系統具有行車密度大、運行速度高、牽引功率大等特點。繼電保護作為電力系統的主要構成部分，是保證系統可靠、安全運行的重要措施。文章結合鐵路工程實際，提出了牽引變電所繼電保護存在的問題和繼電保護的注意事項，最后對保護方案進行了分析。

關鍵詞：鐵路運行系統；牽引變電所；繼電保護方案；電力系統；鐵路工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM63 文章編號：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、過負荷保護、高壓側過流保護、變壓器差動保護等措施來對牽引變電所進行保護，并且沒有在牽引變電所中設置220kV線路保護，只是在電力系統一側配置了雙套距離保護來保護線路，未設置過電流、電流速斷、零序電流等保護裝置進行后續的保護工作，整個保護方案不夠完善，還有一些問題存在。需要在此基礎上進一步對鐵路牽引變電所的繼電保護方案進行探討。

2 牽引變電所繼電保護存在的問題

2.1 線路的保護配置存在的問題

本鐵路路段的大多數客運專線都沒有對220kV線路設置專門的保護措施，只有極少數的客運專線使用220kV線路光纖電流差來對線路進行保護。在現行的《繼電保護和安全自動裝置技術規程》中的規定要求：對于需要裝配全線速動保護的架空短線路和電纜線路中，全線速動主保護一般使用光纖電流差動保護。而對于中長線路，條件允許的情況下，全線速動保護要使用光纖電流差動進行保護。在規范中，要求電氣化鐵路供電線路滿足以下要求：使用三相電源來對電鐵負荷進行供電的線路，在對其進行保護時，可以按照一般線路的保護設施進行保護，而對于使用兩項電源進行供電的線路，可以使用兩段式電流和兩段式距離的方式對線路進行保護。

在《繼電保護和安全自動裝置技術規定（GB 14286）》中指出，對于向電氣化鐵路進行供電的線路，特別對于架空短線路和電纜線路來說，其全線速動主保護要使用光纖電流差動進行保護。而本鐵路工程的大部分客運專線牽引變電所進行供電的線路的全線速動主保護都沒有使用光纖電流差動保護。分析后，發現主要是由下述兩個原因造成的：（1）牽引變電所多使用架空的方式作為220kV的進線，并且線路比較長，對電纜進線使用比較少，只是在少數的變電所中使用。在220kV供電網絡的快速發展下，220kV架空線路數量逐漸減少，為了達到使用要求會逐漸使用電纜線路，特別是對于一些土地資源緊缺、經濟發達的城市，對電纜線路的使用會更加普遍。在這種情況下，要優先使用光纖電流差動保護來對為電氣化鐵路供電的220kV線路提供全線速動主保護。在設計牽引變電所時，要重點考慮；（2）一般情況下在網狀結構的電力系統中，對光纖電流差動保護的應用比較多。主要用來判斷故障的區間，避免影響系統中的其他用戶。在220kV電網中的線路和變電站都是此網中的節點，并且節點會和其他的節點關聯到一起。由于負荷端和電源端隨時都有可能發生變化，會導致電流保護和距離保護整定、配合的難度大。為了保證用戶的選擇性，通常會使用光纖差動保護。由于牽引變電所只是系統的終端負荷，只是一個單電源的網絡，不需要對穿越功率進行考慮，運行方式也是固定的，所以使用距

離保護來對220kV線路進行保護基本已經可以達到要求。

2.2 牽引變壓器保護配置存在的問題

按照相關規定要求，在使用數字式保護的方法對220kV以上的變壓器進行保護時，除了電量保護以外，均使用雙重化的保護配置。如果斷路器中有兩組跳閘線圈，這兩套保護要分別保護一組跳閘線圈。而牽引變壓器是否使用保護雙重配置，是由牽引變壓器的運行方式和牽引變電所的主接線方式來決定的，要靈活運用。本鐵路線路牽引變電所使用的接線方式和電力系統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行運行，實際運行過程中，一組變壓器組處于運行狀態，另一組變壓器組處于備用狀態，不管是運行線路發生故障還是牽引變電所兩線路變壓器組發生故障，都會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可以保持穩定運行。經過上述分析后可知，牽引變電所的變壓器和進線都設置有冗余設備，并且使用220kV線路保護來對牽引變壓器進行后備保護，不需要再對220kV變壓器進行雙重保護配置。

3 保護配置的建議以及保護整定中的注意事項

3.1 保護配置建議

在進行以上分析后，要求對該鐵路線路保護配置做如下設置：（1）不使用雙重化配置來對牽引變電所變壓器進行保護；（2）優先使用雙套光纖電流差動保護來作為電氣化鐵路供電線路的全線速動保護，并配置電流速斷、距離保護、零序電流保護、過電流保護作為后備保護。

3.2 保護整定中的注意事項

對該鐵路使用電流速斷保護、距離保護、電流增量保護、過電流保護的措施來配置牽引變電所反饋線的保護，并以距離保護為饋線的主要保護措施。為了防止出現機車帶電過變電所分相產生越級跳閘的情況，使用電流增量保護、過電流保護和電流速斷保護作為饋線的后備保護。在保護整定過程中需要注意下面兩個問題：（1）考慮到饋線的最小斷路電流和最大負荷電流有的時候比較接近，使用常規的規定要求一般無法達到電流保護的靈敏度要求，在應用過程中要對其進行解決；（2）由于該鐵路線路牽引變電所反饋線的保護裝置是由不同的公司提供的，所以，在饋線PT斷線判距保護整定時，要注意不同廠家對PT斷線的判斷依據是不同的。

4 熱過負荷的保護分析

4.1 饋線熱過負荷保護

饋線熱過負荷保護主要是在收集接觸線電流和外界環境溫度后，利用內部程序進行計算，然后將接觸線的固有特性和計算結果進行對比，并根據不同的情況發出跳閘和報警的命令，進而達到對接觸網進行保護的目的。饋線過熱負荷主要是用來對接觸線進行保護的，由于接觸線自身帶有特定的熱特點，是一個以電流為變量的反時限曲線，要求接觸線的固有曲線可以和保護裝置的整定曲線配合好。此外，饋線的電流保護也要和保護裝置的整定曲線配合好。配合曲線見圖1：

圖1 配合曲線

接觸線的通過電流的持續時間主要體現在接觸線溫度升高以后對接觸線機械性能造成的影響，即接觸線的耐熱能力是由接觸線運行持續通過的電流大小來決定的。接觸線包含了從變電所反饋線路連接到接觸網上網處的接觸網和供電線，而供電線允許通過電流的時間主要是由電線的材質來決定的，而接觸網運行的持續電流主要是由承力和接觸導線來決定的。電流從接觸線流過后，由承力索和接觸導線進行分流。所以，接觸網允許通過的持續電流是接觸導線承力索和允許持續電流的和，需要確定承力索和接觸導線的材質后，才能將接觸網運行磁性電流計算出來。

4.2 變壓器過熱負荷保護

牽引變壓器作為電氣化鐵路中的一個主要供電設備，對鐵路運行的經濟性和安全性均有較大影響。當長時間出現熱狀態下，會導致變壓器絕緣材料的彈性喪失，影響電氣強度。為了延長變壓器的使用年限，確保其在過熱情況下不至于損壞變壓器絕緣，我國的變壓器標準明確規定了變壓器的溫升限制。當前，主要使用定時限過負荷來對牽引變壓器進行保護，并利用過電流動作和過電流倍數來實現。這種保護方案的適用性比較小，當負荷定值整定比較高時，會使變壓器持續保持在過負荷的狀態下，影響變壓器的使用年限。而當整定值過低時，會使變壓器頻繁出現跳閘情況，對變壓器過負能力的發揮有比較大的影響。導致這種情況出現的根本原因是保護方案無法將變壓器溫升反映出來，使變壓器實際的過負荷能力和保護方式不匹配。而使用熱點溫度來限制負荷，可以更加準確、真實地將變壓器內部的熱狀態反映出來，可以提升牽引變壓器過負荷的能力。在測量溫度時，可以使用間接測量和直接測量的方式來進行測量，其中間接測量是利用變壓器時間對電流的特性曲線來將內部溫升反映出來的，而直接測量是使用溫度傳感器設備安裝在內部發熱體上來實現的。由于鐵路牽引負荷具有持續時間長、負荷電流大等特點，當前使用的定時限過負荷已經不能再滿足實際運行的要求，在未來會使用熱過負荷保護取代時限保護。

5 結語

經過上述分析后，按照以下方案對鐵路牽引變電所保護進行配置：（1）變壓器。使用熱過負荷保護、過電流保護、變壓器本體保護來對變壓器高低壓側進行保護；（2）線路。使用全線速動主保護來對光纖電流差動保護，并進行雙重配置，配置電流速斷、距離保護、零序電流、過電流來作為后備保護；（3）饋線。使用電流速斷保護、距離保護、電流增量保護、過電流保護、過熱負荷保護來對饋線進行保護。

參考文獻

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[3]中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司.高速鐵路牽引供電技術研究[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

作者簡介：張相志（1979-），男，河南滎陽人，成都交大許繼電氣有限責任公司中級工程師，研究方向：市場營銷。

（責任編輯：黃銀芳）