牽引網繼電保護與動車組配合分析

（中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東廣州 510000）

0.引言

高鐵動車長期運行，系統故障問題十分常見，對于牽引網來說，由于動車頻繁與接觸線滑動，極易導致牽引網故障。動車自身特性與繼電保護，對牽引網繼電保護優化產生影響，需要對兩者的配合進行加強探究，找尋更優質的改善措施。

1.牽引供電系統

1.1 牽引過程

牽引變電所負責轉換高電壓為交流電，經過電線傳輸到接觸網，為動車提供能源。其中因為牽引負荷屬于單相，為了保證分配的電力能夠均勻的分配到三相中，需要借助接線變壓器進行轉換。

1.2 牽引網

牽引網是由多導線組合而成導線供電回路，在供電的過程中，有著多種方式。其中包含BT、AT、全并聯AT供電方式，其中BT供電對線路的防護效果不明顯，并且因為連接方式繁瑣，現階段在動車供電中已經比較少見了。

（1）直接供電方式。直接供電從供電過程和系統來看相對簡單，動車需要的電能是進過轉變再供給的電能，屬于直接供電。直接供電的好處在于，結構相對簡單，成本較低；但是其回路產生的電阻較大，使得其供電距離受到限制。難以在直接供電中保持供電平衡，對線路產生較大的影響。

（2）AT供電方式。隨著鐵路不斷升級，各種新型機車投入使用。牽引網需要更高的電能，才能保障機車的運行。對此，引進了AT供電，牽引變電輸出電壓參數為55kV。需要經過接觸線和正饋線實現供電，基于這種供電方式可以實現較好的供電能力，同時節約成本，在我國部分省市高速鐵路都得到良好的應用。

（3）全并聯AT供電方式。全并聯的接線方式，可以減少牽引網電能損失。全并聯AT供電方式，可以在并聯支路的保障下實現供電回路，有效降低牽引網電阻值，并提升供電能力。但是故障時，會面臨多回路供電短路，需要對故障情況進行更全面的分析，還會對其繼電保護產生影響。

1.3 電力機車負荷

電力機車按照牽引驅動，可分為直流與交流電力機車，通常普速鐵路采用直流電力機車，高速采用交流。兩種機車由于內部整流的電路存在差異，在功率等方面存在的區別較大，分別對繼電保護產生影響。

2.繼電保護研究

2.1 線路保護研究

2.1.1 電力系統線路保護

由于全線速動的需要，電力系統面對220kV以上的電壓，需要采用光纖傳輸通道才能保護電流。這種保護也被稱為光差保護，此類系統保護在故障發生時，及時切斷該區域內的故障系統。與牽引網相比較，兩者存在較大的差異。牽引網負荷，動車會沿著其區域內的沿線移動。當采取差動保護的情況下，產生的差動電流是所有的電流之和，差動保護時，電流需要避開最大負荷。

2.1.2 牽引網保護

（1）距離保護。普通電氣化鐵路依靠的是距離保護，用來監測牽引變電所的母線，其電壓與電路電流的比值與牽引網本身阻抗相比，是判斷線路是否故障的因素，依靠距離保護，防止保護在負荷電流下出現故障。

（2）過電流保護。牽引網的供電方式、繼電保護方式不同，過電流保護可以采取1～3段的配置方式，采用勵磁涌流閉鎖的方法進行保護[1]。

（3）電流增量保護。該方法會根據電流短時間內的變化，對其實際情況作出判斷。正常情況下，牽引網的電流增量不會超出固定值；出現故障后，會導致電流急劇增大，產生過大的電流流量。

（4）變壓器保護。動車組系統關鍵設備為變壓器，其繼電保護對于車輛正常運行有重要作用。當變壓器出現故障，負荷過大，會出現過負荷故障對牽引網供電系統造成影響，采用主要保護和后備保護可以有效保障變壓器退出運行，保障安全。

2.2 變壓器保護研究

電壓器是系統中的關鍵性設備，其繼電保護可以對供電設備的穩定性產生影響。變壓器通常為差動保護，并且會受到不平衡電流的影響。防止差動保護誤動的關鍵在于有效區分勵磁涌流與TA飽和識別。許多研究者也基于此加強了研究，對于勵磁識別的方法主要有二次諧波制動原理，通過對差動電流、基波比值判斷，對設備的故障情況作出判斷。

除了變壓器的主保護外，還需要進行后備保護，防止外部出現短路，對電壓器產生影響，同時采用差動保護保障后備保護。電力系統中，常用的復合電壓作為后備保護。由于牽引負荷為單相負荷，導致系統運行出現復合電壓，誘發過電流保護誤動作。因為我國并未采取復合電壓作為判斷依據，而是采用低壓啟動過電流保護作為實際保護。但是由于高鐵采用的牽引變壓器容量多是220kV以上，導致電阻增加。使得低電壓下，元件會出現拒動的現象[2]。因此，當前對其保護是從改進現有保護模式，或者采用其他方法入手。

3.動車組標準規范、應用與相關資料

3.1 標準規范

我國高鐵中對于牽引網繼電保護的設計，依照國家的相關規范進行。針對兩者的配合有如下要求：首先牽引供電系統需要保障各等級、動車之間實現相互配合；高鐵設計規范中，對于牽引網繼電保護與動車組的配合，沒有明確的內容。

3.2 應用情況

根據實際應用來看，兩者的配合情況如下。

因考慮到牽引網短延時保護與動車保護時間的配合，可以避免動車故障時，牽引網先進行保護。在牽引網保護中，對于電流速斷保護的距離是延時最短的保護。需要考慮到動車組，與其進行配合；電流增量保護與動車組配合，原理是依牽引網的電流對故障作出判斷。實際應用中，未能參考實際的動車組電流變化，將額定電流的參數按照0.4～1.0倍取值。

3.3 動車資料

對動車組調查收集其相關的牽引網保護資料：內部保護延時，動車組有電壓與電流兩種內部保護。其中過壓保護與牽引網保護無配合，這里不多敘述。而其包含的低壓保護面臨小于16.5kV的電壓時，會封鎖變流器。電流保護分為無延時與有延時，延時的時間為0.5s；動車組的斷路器具有具體的分閘時間，會根據車型不同，采用不同的時間；動車組取流會造成電流變化，對此，針對牽引變流器進行控制，將其從零到額定電流的變化，控制在1s～2s之內。在該過程的電流變化，呈現出的變化趨勢較慢[3]。

4.實際配合分析

4.1 保護動作時間配合

變壓器高壓側短路發生時，產生的饋線電流較大，故障發生處于保護范圍內。需要考慮的問題是，延時保護與動車組內部保護的配合。對于固有分閘的90ms斷路器，以及保護裝置，出現故障時，動車組切除故障的時間超過0.1s。而牽引網采取的延時保護時間無法實現有效的保護。需要增加時間到0.15s才能有效時間兩者的配合；對于40/60ms的斷路器，按照20ms考慮，切除時間保證在0.1s內，牽引網的延時保護就能與動車組時間有效的配合。

對于變壓器低壓側，需要對其短路電流進行考慮。因抗阻較大，不考慮其他配合。根據動車組資料，延時保護加上保護裝飾，與斷路器固有響應時間，可以計算此時切出故障時間最長需要0.61s。對此，增量保護的時間不應該小于0.7s，這樣才能實現有效的配合。

4.2 電流增量保護與動車組的配合

當前電流增量保護ΔI的參數均值為電流基波的有效差值，有效值為1周波，計算ΔI的電流得知，相差2周波，也就是需要知曉2周波內的電流增量。從動車組資料可以知曉，其電流變化在1s～2s內呈現線性變化。其ΔI為40A，與常用的整定值相比較，該變化量過小，不會對電流增量產生影響。對此，建議牽引網采用較小的動作值，提升保護靈敏度，減少誤動作出現。

5.結論

國內的高速鐵路產用的是電力牽引，牽引網供電系統顯得更加重要。我國高速鐵路沿用原有的保護配置，難以滿足現階段的動車牽引供電系統。對此，需要繼續加強對牽引網繼電保護加強研究。本文根據動車組的特性，完善動車組電流與牽引網繼電保護進行優化，滿足動車組的實際需求。