電氣化鐵路牽引變電所主接線設(shè)計(jì)及繼電保護(hù)分析

陶倩　劉磊　武金甲

《中長期高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中指出，至2025年，中國鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)模將高達(dá)17.5萬公里，當(dāng)中高鐵將實(shí)現(xiàn)3.8萬公里。到2030年，中國的遠(yuǎn)景鐵路網(wǎng)發(fā)展規(guī)模將實(shí)現(xiàn)20萬公里，當(dāng)中高鐵將實(shí)現(xiàn)4.5萬公里。鐵道行業(yè)廣闊的市場前景，特別是高速鐵路的高速發(fā)展會帶來電氣化鐵路供電系統(tǒng)行業(yè)旺盛的市場需求。

我國目前的客運(yùn)專線用的單相工頻（50Hz）交流電，除個(gè)別大運(yùn)量貨運(yùn)線路之外，牽引供電系統(tǒng)都采用AT供電.AT供電通常配置的繼電保護(hù)為饋線距離保護(hù)、過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)等保護(hù)。在自動化技術(shù)迅猛發(fā)展下，牽引供電系統(tǒng)及繼電保護(hù)系統(tǒng)已有綜合自動化發(fā)展的趨勢。

鐵路是我國交通運(yùn)輸中的重要組成部分，國家鐵路和城市軌道交通是關(guān)系到我國國計(jì)民生的重大基礎(chǔ)設(shè)施。電力牽引在鐵路、城軌和工礦運(yùn)輸中廣泛應(yīng)用，提高了運(yùn)量和經(jīng)濟(jì)效益，電氣化鐵路為我國鐵路緩解了運(yùn)輸壓力，與我國能源結(jié)構(gòu)狀況相適應(yīng)，對我們出行及社會發(fā)展有著重要的作用，是當(dāng)今鐵路機(jī)車牽引的主要?jiǎng)恿碓础?/p>

牽引變電所的安全可靠工作是維護(hù)電氣化高速鐵路正常安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的重要前提，其繼電保護(hù)工作就是維持牽引變電站正常工作和故障切除的最主要維護(hù)手段之一。主要功能包括：通過對用戶的動作定值設(shè)定迅速切斷故障裝置和線路，減少了故障范圍和故障時(shí)間所造成的經(jīng)濟(jì)損失。利用自動重合閘、后備供電電源自投等設(shè)備，保證供電的安全可靠、減少了供電故障停電時(shí)間。以及通過故障標(biāo)記，迅速對故障地點(diǎn)加以定位，從而加速了故障搶修的速度。采用了微機(jī)綜合自動化控制系統(tǒng)，從而完成對牽引變電所設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)度。牽引變電所繼電保護(hù)是保證牽引變電所可靠工作的關(guān)鍵，如果加設(shè)了繼電保護(hù)系統(tǒng)裝置，就可以使?fàn)恳冸娝凑顟B(tài)工作。所以，牽引變電所主接線設(shè)計(jì)以及繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠配置、安全操作，對于電氣化鐵路的運(yùn)營具有關(guān)鍵的意義。

一、牽引變電所主接線設(shè)計(jì)要求及主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

（一）電氣主接線的設(shè)計(jì)功能

高鐵牽引供電系統(tǒng)主要任務(wù)是為高鐵電力機(jī)車的操作和控制不間斷地供應(yīng)高效且穩(wěn)定電力。相對于普速列車，由于高速鐵路牽引載荷量大、列車車速快且發(fā)車運(yùn)行密度較高，所以對牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠度等都提出了更高的要求。

牽引變電所的主接線是將該地區(qū)電源進(jìn)線以及所內(nèi)的各種高壓電氣設(shè)備，按工作要求依次順序連接構(gòu)成的電氣主電路。由于牽引變電所設(shè)計(jì)需要因地制宜，設(shè)計(jì)過程中要根據(jù)變電所的規(guī)模和形式，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際才能做出合理的設(shè)計(jì)。

電氣主接線體現(xiàn)了牽引變電所各設(shè)備之間的作用以及回路間的相互關(guān)系，是變電所的主體。主接線的設(shè)計(jì)方案直接關(guān)系到牽引所設(shè)備的選型、供電設(shè)備的布局，繼保配置整定等確定。

（二）電氣主接線設(shè)計(jì)要求

電氣主接線應(yīng)需盡可能地滿足可靠性高、靈活性能好和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)越的要求。

1.可靠性：保證在正常運(yùn)行時(shí)供電連續(xù)。

2.靈活性：主接線應(yīng)確保當(dāng)投入切除的裝置或線路時(shí)，動作方便。

3.經(jīng)濟(jì)性：牽引所主接線應(yīng)保證初投資與運(yùn)行費(fèi)用達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理。

（三）牽引變電所主接線設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.牽引變電所負(fù)荷計(jì)算，及牽引變壓器與自用電變壓器的容量計(jì)算。根據(jù)待設(shè)計(jì)變電所的原始資料，確定負(fù)荷類型及大小。再在負(fù)荷計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行計(jì)算容量，校核容量及安裝容量的計(jì)算。最后確定牽引變電所牽引變壓器以及自用電變壓器的備用方式、型號及臺數(shù)。

2.主接線設(shè)計(jì)。根據(jù)該牽引變電所實(shí)際情況，保證電力牽引負(fù)荷的可靠工作，并使設(shè)計(jì)的主接線靈活地運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)盡量減少投資和運(yùn)行費(fèi)用以達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)利益。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮運(yùn)量增長，增加饋線等的改建擴(kuò)建。

3.短路計(jì)算及設(shè)備選型。先對系統(tǒng)進(jìn)行等效，再對系統(tǒng)進(jìn)行短路計(jì)算。通過短路計(jì)算得到結(jié)果，按正常條件進(jìn)行設(shè)備選型并按短路情況對所選設(shè)備進(jìn)行動、熱穩(wěn)定校驗(yàn)，保證所選設(shè)備的可靠性。

4.防雷接地的設(shè)計(jì)。根據(jù)牽引變電所實(shí)地條件進(jìn)行防雷及接地設(shè)計(jì)。

鐵路供電系統(tǒng)示意圖見圖1。電源Ⅰ與Ⅱ通過輸電線路對電網(wǎng)中引進(jìn)入的三相高壓電（110kV）經(jīng)過牽引變壓器T、T進(jìn)行了變換，最終化為適應(yīng)于電力機(jī)車運(yùn)行用電的單相工頻交流電（27.5kV），給接觸網(wǎng)線路供電，圖1中T為一個(gè)自供電變壓器，使27.5kV的三相電壓降低為6kV～10kV的三相交流電，給牽引所內(nèi)設(shè)備提供電能。圖1中的QF～QF是斷路器。斷路器在正常供電保持在合閘狀況，如果斷電事故發(fā)生時(shí)，可使斷路器分閘，由控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)。如果整個(gè)控制系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)生故障，故障區(qū)域被斷路器切斷。在這些情形下，就有自動裝置可以自動地把測量值和整定值進(jìn)行比較，以便確定系統(tǒng)狀況是正常還是故障。當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，它也需要根據(jù)事先設(shè)定的條件發(fā)送命令，比如使故障區(qū)段的斷路器跳閘，或者發(fā)送報(bào)警信息。能實(shí)現(xiàn)這些功能的自動裝置，就是繼電保護(hù)設(shè)備。

圖1 牽引供電示意圖

繼電保護(hù)的功能主要包括：用來切斷短路故障，避免影響電力機(jī)車正常運(yùn)行、損壞電氣設(shè)備、縮短壽命及破壞供電運(yùn)行穩(wěn)定性。繼電保護(hù)還可以用來監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)過上述分析，選擇適當(dāng)?shù)睦^電保護(hù)方式是保證供電系統(tǒng)安全工作和改善電能品質(zhì)的最有效手段。

（一）變壓器保護(hù)配置

1.變壓器主保護(hù)配置

（1）瓦斯保護(hù)

瓦斯保護(hù)是利用牽引變壓器油及其他絕緣材料受熱分解產(chǎn)生氣體來實(shí)現(xiàn)的保護(hù)。發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，重瓦斯動作并作用于保護(hù)裝置，防止事故范圍的擴(kuò)大。

（2）縱差動保護(hù)

電流縱差動保護(hù)可以甄別出區(qū)內(nèi)區(qū)外故障，不需和其他元件保護(hù)相配合，可以無延時(shí)的切除區(qū)內(nèi)各種故障。

2.后備保護(hù)配置

（1）過電流保護(hù)

當(dāng)過電流保護(hù)動作啟動后，會使變壓器各側(cè)的斷路器跳閘。對升壓變壓器或容量較大的降壓變壓器來說，啟動電流較高，靈敏度較低。

（2）低壓啟動過電流保護(hù)

為了防止保護(hù)外發(fā)生短路故障時(shí)，所造成的短路過電流對變壓器造成損害，使用低壓啟動過電流保護(hù)來作為其差動保護(hù)及饋線保護(hù)的后備保護(hù)。

（3）反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)

在牽引變壓器過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間較長時(shí)，該變壓器的繞組會因發(fā)熱而損壞。應(yīng)該依據(jù)可能出現(xiàn)的過負(fù)荷情況，為牽引變壓器配置過負(fù)荷保護(hù)。對牽引變壓器，過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)能反應(yīng)公共繞組和每一側(cè)過負(fù)荷。

（二）饋線保護(hù)配置

1.線路主保護(hù)的配置

在牽引變電所的饋線處中配置距離保護(hù)作為主保護(hù)。一般電氣化鐵路的饋線保護(hù)都由四邊形阻抗繼電器作為主保護(hù)。

2.線路后備保護(hù)的配置

配備電流增量保護(hù)為饋線的主后備保護(hù)，電流速斷，反時(shí)限電流保護(hù)、饋線過負(fù)荷保護(hù)等作為牽引變電所饋線的輔助后備保護(hù)，從而使繼電保護(hù)為提高牽引供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行發(fā)揮最大的效能。

（1）電流增量保護(hù)

電流增量是利用饋線短路時(shí)電流瞬時(shí)增大的特性。

（2）電流速斷保護(hù)

牽引變電所饋線配置了電流速斷保護(hù)。該保護(hù)整定值較高，保護(hù)范圍比較短。

（3）三段過電流保護(hù)

三段過電流保護(hù)簡單，可靠性較高，在一般時(shí)候能快速切除故障，但該保護(hù)受電網(wǎng)接線及系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響大，靈敏度及保護(hù)范圍也會不滿足要求。

（4）反時(shí)限過電流保護(hù)

反時(shí)限過電流保護(hù)利用動作時(shí)間與被保護(hù)線路中電流大小有關(guān)的一種保護(hù)，當(dāng)饋線故障電流大時(shí)，保護(hù)的動作時(shí)限短，故障電流小時(shí)，動作時(shí)限就長。

（5）饋線過負(fù)荷保護(hù)

接觸網(wǎng)在長期大電流運(yùn)行時(shí)會發(fā)熱，因此張力下降，穩(wěn)定性降低，進(jìn)而影響鐵路的正常運(yùn)行，牽引變電所饋線配備過負(fù)荷保護(hù)對接觸網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。

本文闡釋了電氣化鐵路牽引變電所主接線設(shè)計(jì)及繼電保護(hù)整定分析。基于現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)牽引變電所設(shè)計(jì)要求，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮了供電的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，還涉及到牽引變電所擴(kuò)容等遠(yuǎn)期規(guī)劃。通過牽引變電所主接線的設(shè)計(jì)要求、主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及牽引變電所繼電保護(hù)配置，為牽引變電所穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供了基礎(chǔ)。