高鐵牽引網(wǎng)繼電保護(hù)與動車組的配合應(yīng)用

王浩成 林澤啟 徐夢

中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111

1 牽引供電系統(tǒng)

電力系統(tǒng)提供兩條獨立的電源輸入線。電能經(jīng)牽引變電所轉(zhuǎn)化后，送到牽引網(wǎng)，讓電力機車取電流，然后完成電力牽引,牽引變電站、牽引網(wǎng)、電力機車組成牽引供電系統(tǒng)。

1.1 牽引變電所、分區(qū)所、AT所

牽引變電所的功能是將高壓引入的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為低壓交流電,然后將其發(fā)送到懸鏈線沿著鐵路通過饋線電力機車提供電力,由于牽引負(fù)荷是一個單相負(fù)荷,以單相負(fù)載均勻地分布到三個階段的電力系統(tǒng),牽引變壓器通常選擇特殊接線變壓器,斯科特布線、阻抗匹配平衡接線等變壓器。高速鐵路使用V/x連接牽引變壓器。為了使供電更加靈活，通常在兩個牽引變電所的供電區(qū)域之間設(shè)置分區(qū)所。

1.2 牽引網(wǎng)

牽引網(wǎng)是一個比較復(fù)雜的多線供電回路，主要由饋線、接觸網(wǎng)、回流線組成。牽引網(wǎng)的主要供電方式分為:直接供電、帶吸流變壓器（BT）供電、自耦變壓器（AT）供電和全并聯(lián)AT供電。其中BT供電方式目前很少使用，主要原因是BT供電方式不能保護(hù)通信線路，且與接觸網(wǎng)的連接方式相對復(fù)雜、麻煩，導(dǎo)致機車接收電流條件差。

2 繼電保護(hù)研究

高速鐵路牽引網(wǎng)沿用了普速鐵路采用的保護(hù)原理，主要有距離保護(hù)、過電流保護(hù)、電流增量保護(hù)等。

2.1 距離保護(hù)

普速的電氣化鐵路牽引的采用距離保護(hù)為主要保護(hù)網(wǎng)絡(luò),并使用自動綜合負(fù)載電流中諧波含量和動態(tài)調(diào)節(jié)四邊形的邊界的作用特點,以防止保護(hù)故障下的負(fù)載電流。

2.2 過電流保護(hù)

根據(jù)牽引網(wǎng)供電方式的不同和繼電保護(hù)的選擇需要，可配置1-3級過流保護(hù)，并采取綜合的諧波抑制和勵磁涌流阻斷措施。

2.3 電流增量保護(hù)

電流增量保護(hù)區(qū)分負(fù)載電流和故障電流根據(jù)電流的大小變化在很短的時間：在正常情況下,電力機車運行沿著直線前進(jìn),和提高牽引網(wǎng)電流不會超過一個車輛的當(dāng)前的最大值。當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時，短路電流急劇增大，且增大的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載電流。

2.4 接觸網(wǎng)發(fā)熱保護(hù)

高速重載列車的單車牽引電流較大，在300-350km/h時可達(dá)600-1000A。當(dāng)接觸網(wǎng)長時間處于大電流狀態(tài)時，容易產(chǎn)生熱量，從而使?fàn)恳W(wǎng)的膨脹力降低，穩(wěn)定性能也會惡化，影響高速重載鐵路的正常運行。因此，為了保護(hù)接觸網(wǎng)，必須安裝熱過載保護(hù)裝置。該原理以機車荷載和環(huán)境溫度為基礎(chǔ)，根據(jù)接觸網(wǎng)熱模型實時計算接觸網(wǎng)溫度。當(dāng)計算溫度高于設(shè)定溫度時，饋線斷路器斷開[1]。

3 牽引網(wǎng)繼電保護(hù)與動車組配合分析

3.1 保護(hù)動作時間配合

3.1.1 短路發(fā)生在車載變壓器高壓側(cè)時

當(dāng)動車組變壓器高壓側(cè)發(fā)生短路時，變電站的饋線電流比較大，故障在牽引網(wǎng)短時保護(hù)的保護(hù)范圍內(nèi)。此時，有必要考慮短期保護(hù)與動車組內(nèi)部保護(hù)的合作。對于90ms動車組斷路器固有的開斷時間，加上保護(hù)裝置的響應(yīng)時間，動車組內(nèi)部故障消除時間超過0.1s，現(xiàn)有的牽引網(wǎng)短延時保護(hù)不能通過內(nèi)部動車組實現(xiàn)0.1s延時。保護(hù)協(xié)調(diào)需要增加到0.15s才能達(dá)到兩者的選擇性。對于固有開斷時間分別為40ms和60ms的斷路器，保護(hù)裝置的響應(yīng)時間按松動器20ms考慮。動車組內(nèi)部高壓側(cè)故障的消除時間基本可以保證在0.1s以內(nèi)，0.1s延遲的牽引網(wǎng)短延時保護(hù)可以實現(xiàn)與動車組內(nèi)部保護(hù)的協(xié)調(diào)。

3.1.2 短路發(fā)生在車載變壓器低壓側(cè)時

當(dāng)動車組變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時，轉(zhuǎn)換到變壓器高壓側(cè)的最大短路電流約為1000A，短路阻抗也很大。這種短路不會引起內(nèi)部電流速斷保護(hù)、距離保護(hù)、過流保護(hù)運行，不考慮其協(xié)調(diào)性。當(dāng)動車組車載變壓器的低壓側(cè)短路,電流增加造成的短路電流可以達(dá)到當(dāng)前的行動閾值增加保護(hù),電流增加保護(hù)的協(xié)調(diào)和內(nèi)部應(yīng)該考慮保護(hù)動車組。根據(jù)動車組的數(shù)據(jù)，動車組內(nèi)部過流保護(hù)延時為0.5s，加上保護(hù)裝置（20ms）和車載斷路器固有響應(yīng)時間（40-90ms），即動車組斷路器排除故障的時間最長。長度是0.61s。當(dāng)前增量保護(hù)的延遲不應(yīng)小于0.7s，以達(dá)到與動車組內(nèi)部保護(hù)配合的目的。

3.2 電流增量保護(hù)與動車組電流的配合

目前，電流增量保護(hù)的ΔI值為電流基波有效值之差。計算電流有效值的時間窗口為1個周期，計算ΔI的兩個有效值之差為2個周期。因此，研究動車組電流增量特性的關(guān)鍵在于闡明動車組電流在2個周期內(nèi)的增加情況。

從動車組的數(shù)據(jù)來看，動車組電流從0上升到額定電流的過程是1-2秒內(nèi)的線性變化。根據(jù)長形動車組的當(dāng)前最大額定電流計算，每2次循環(huán)的平均電流增量ΔI最多約為40A。與當(dāng)前常用的ΔI設(shè)定值從幾百到幾千相比，電流變化幾乎可以忽略不計，正常的動車組取電流不會導(dǎo)致電流增量保護(hù)發(fā)生故障[2]。

根據(jù)現(xiàn)場報告，目前動作值較小的增量保護(hù)部分出現(xiàn)故障，懷疑與離線受電弓有關(guān)。根據(jù)動車組對低電壓的響應(yīng)，理論上有一定的概率，當(dāng)受電弓離線時（離線時間小于10ms），車載牽引變流器不會阻塞脈沖，導(dǎo)致牽引電流突然變化。建議牽引網(wǎng)電流增量保護(hù)采取較小的動作值，可為列車組額定電流的0.5倍，以提高保護(hù)靈敏度。

4 結(jié)語

我國高速鐵路均采用電力牽引，牽引供電系統(tǒng)作為動力源的作用更為重要。然而，由于我國高速鐵路發(fā)展時間短，發(fā)展速度快，相關(guān)的保護(hù)技術(shù)跟不上發(fā)展速度。普通鐵路的保護(hù)原則和措施只能采用，不能有效滿足高速鐵路牽引供電系統(tǒng)。因此，對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)進(jìn)行持續(xù)深入的研究，不僅符合現(xiàn)場的實際需要，而且具有重要的社會和經(jīng)濟價值。