淺談重載鐵路牽引供電系統饋線保護

王占力

摘 要：隨著我國高速、重載鐵路的迅猛發展，重載鐵路在交通體系中所處地位的日益提高，保證重載鐵路的安全穩定運行已成為人們關注和研究的熱點，而作為其重要環節，牽引供電系統的研究更成為了重中之重。本文主要針對重載鐵路牽引供電系統饋線保護問題進行分析和討論。

關鍵詞：重載鐵路；牽引系統；供電系統；饋線保護；

供電系統中的變壓器、輸電線路、母線以及用電設備，一旦發生故障，迅速而有選擇性的切除故障設備，是保證供電系統及其設備安全運行最有效的方法之一。切除故障的時間通常要小到幾十毫秒到幾百毫秒，實踐證明，只有裝設在供電系統上的繼電保護裝置，才有可能完成這個任務。

一、重載鐵路牽引供電系統

電力系統提供兩路獨立電源進線，在通過牽引變電所轉變電能后，再送給牽引網，以使電力機車能夠取流，然后完成電力牽引，牽引變電所、牽引網和電力機車組成了牽引供電系統。

1、牽引變電所、分區所、AT所

牽引變電所的功能就是把系統引入的高電壓轉換成低電壓的交流電，然后再通過饋電線送給鐵路沿線的接觸網，向電力機車提供電量，因為牽引負荷是單相負荷，為了盡可能將單相負荷均勻地分配到電力系統三相中去，牽引變壓器常選擇比較特別的接線變壓器，比如斯科特接線、阻抗匹配平衡接線等變壓器。重載鐵路大多采用V/x接線等牽引變壓器。常常在兩個牽引變電所的供電區中間設置分區所，以使供電更加靈活。

2、牽引網

牽引網是由饋電線、接觸網、回流線組成的多導線供電的回路。

它有很多種供電方式，例如直接供電和帶吸流變壓器（BT）供電、自耦變壓器（AT）供電和全并聯AT供電方式。其中BT供電由于大地回流和“半段效應”其對通信線路的防護效果并不理想，同時由于“吸-回”裝置將接觸網的連接方式變得麻煩，機車的受流條件變得更差，所以現在已經不經常使用了。

（1）直接供電方式。直接供電這種方式相較而言是比較簡單的，電力機車工作所需要的電能是由牽引變電所輸出的電能供給的，這種供電方式就是直接供電方式。它有很多好處，這種方式的結構比較簡單，而且節省投資，但是其回路電阻大，供電距離較短。同時因為牽引供電系統是單相負荷的，這種供電方式無法使其平衡，這樣就會嚴重影響通信線路。

（2）AT供電方式。隨著大功率電力機車的不斷投入運行，牽引網需要提供更高的電能，為此引入AT供電方式，牽引變電所主變輸出電壓為55kV，經AT向接觸網供電，一端接接觸線，另一端接正饋線，其中點抽頭則與鋼軌相連。這種供電方式下，其饋電電壓高，供電能力強，牽引變電所的數量可以減少，從而節省投資。而其接觸線和正饋線中的電流近似大小相等方向相反，所以牽引電流對通信線路的影響較小。目前，我國的大秦、京秦、鄭武等普速電氣化鐵路線路都采用了AT供電方式。

（3）全并聯AT供電方式。為了進一步提高牽引網電壓，減小牽引網電能損失，采用了牽引網的上下行線路在AT所和分區所處進行并聯的接線方式。我國高速、重載鐵路普遍采用全并聯AT供電方式。這種供電方式下機車的負荷電流由于并聯支路的存在將會有多個供電回路，使牽引網的電阻值降低了，并且使牽引網的供電能力增加了，但是在牽引網故障時，同樣存在多個回路給短路點供電，使故障分析更加復雜，同時使其繼電保護與普速鐵路時有很大不同。

3、電力機車負荷

電力機車按照牽引驅動電機的不同可以分為直流電力機車（又稱交-直電力機車）和交流電力機車（又稱交-直-交電力機車）。在普速鐵路中通常采用交-直電力機車，而在高速、重載鐵路中全部采用交-直-交電力機車。兩種機車由于采用的整流電路不同，使得其諧波成分、功率因數等有很大區別，進而對其繼電保護產生影響。

二、重載鐵路牽引供電系統饋線保護

1、大電流脫扣保護

當電流超過整定門限，并達到規定的延時時立即跳閘。直流短路的特點是電流快速上升， 保護在短路電流到達峰值前觸發斷路器跳閘。對于電流上升非常快的近端短路，大電流脫扣保護往往先于電流速斷保護動作。

動作電流Idz的整定：

Idz=kIdmin

式中：k―可靠 系數，一般取1.5左右；Idmin―最小的短路電流值。

大電流脫扣保護的整定依據主要是短路電流值和最大饋線電流值。以牽引整流機組容量為 3000kW 的直流 1500V 牽引供電系統為例，其遠端短路電流一般不低于 20kA，最大饋線電流一般不超過 3kA，而大電流脫扣保護整定范圍一般為4～12kA，整定值通常在 6kA 以上。

2、過流保護

可作為上述兩種保護的后備保護。在保護控制單元預先整定電流Imax值和時間T值。當通過直流饋線短路的電流值在預先設定的時間T內超過Imax值時，過流保護裝置動作使直流饋線斷路器跳閘來清除故障。顯然，Imax值應小于大電流脫扣保護裝置動作值Idz。對于Imax值的設定，可分別設定正反方向的Imax+值和Imax-值。當機車處于再生狀態或當地牽引變電所整流機組退出運行，所內直流饋線被用于直流越區供電回路時，如果線路發生故障，會有反向電流通過直流饋線斷路器，反向過流保護用于檢測并清除該故障。

3、接觸網熱過負荷保護

該保護作為電流上升率保護的輔助保護，當直流線路處于過負荷狀態時，即使沒有任何短路故障發生，接觸線或進線電纜的溫度也會上升，當熱過負荷電流流過時，該電流雖不至引起巨大的破壞，但此電流持續時間長了，其產生的熱量會超過某些薄弱設備所允許的發熱量，引起這些設備不同程度的損壞。

接觸網熱過負荷保護主要是根據接觸網的電阻率、電阻率修正系數、長度、橫截面積、電流，計算出接觸網的發熱量，再根據接觸網和空氣的比熱等熱負荷特性及通風量等環境條件，由經驗公式給出接觸網的電纜溫度。當測量的電纜溫度超出規定值便發出報警，跳閘命令，從而達到保護接觸網的目的。

該保護的對象是接觸網。接觸線有其自身固有的熱特性，是一條以電流為變量的反時限曲線。這就要求保護裝置整定的曲線與接觸線的固有曲線進行配合。同時，保護裝置的整定曲線還應與饋線的電流保護進行配合。

結束語

重載鐵路牽引供電系統的可靠性涉及設計、施工、運營管理等多個環節，牽引供電系統配置的饋線保護，基本上能夠快速、準確切除大多數短路故障。為了確保重載鐵路牽引供電系統管理的科學化，必須要綜合采用采取多元化的牽引供電數據采集與處理技術、供電正常狀態下的綜合評價技術，以更好的確保重載鐵路穩健、安全運行。

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