《高速铁路牵引供电系统继电保护》
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摘 要：对高速铁路牵引供电系统而言,会存在列车制动造成能源浪费以及牵引变电所供电距离较短的问题,增加了线路牵引变电数量和工程建设成本.本文从牵引供电系统简介入手,对高速铁路牵引供电系统继电保护进行了分析,希望能为相关的工作人员提供一定的参考.
关键词：高速铁路;继电保护;牵引供电系统
高速铁路以其速度快、安全性好、输送能力大、单位能源消耗低、经济效益好、舒适方便等优点而成为我国铁路发展的方向.而高速列车则是研究牵引供电系统的基础.高速铁路的牵引供电系统继电保护发挥了重要的作用,继电保护在牵引供电系统正常运行时,满足机车运行的各个方面.完善现有牵引供电系统保护原理和功能.
分析两种接线形式的差异、特点,以及各运行方式下的保护配置、整定原则,得出合理的保护整定原则,有利于我国高铁的发展,具有十分重要的理论与实际意义.
1 牵引供电系统
牵引变电所、牵引网和电力机车负荷组成了牵引供电系统.
1.1 关于牵引供电系统馈线保护,以及牵引网故障特征和常规原理的馈线保护误动或拒动行为的基础上,分别提出了由电流中综合谐波含量控制的三段自适应距离保护原理、自适应电流增量保护原理,和自由相电压中综合谐波含量控制而自适应电压增量的异相短路故障保护原理;这些原理分别经过了现场运行或仿真试验的验证,结果表明原理是正确的.
1.2 牵引网
关于牵引网瞬时性与永久性故障识别,在瞬时性故障时,故障线路的耦合电压决定于电感耦合和电容耦合.系统地分析了复线电力牵引网同一方向上、下行线路既有电感耦合,又有电容耦合,而永久性故障时,耦合电压决定于电感耦合的特征,提出了基于耦合电压的自适应故障性质识别原理：仿真实验表明：该原理识别瞬时性与永久性故障的灵敏度较高.
1.3 电力机车负荷
直流传动电力机车作为我国铁路列车牵引动力的主力,通过系统研究电力机车运行于稳态和暂态两种工况下的负荷特性,提出了将直流传动电力机车无功特性用电压的二次函数模型进行等效数学描述的思想,并由此得到了交流侧电力机车的负荷模型.其谐波和不平衡特性对牵引供电系统及公用电网的影响不容忽视.
2 继电保护研究
2.1 线路保护研究
2.1.1 电力系统线路保护.由于全线速动的需要,电力系统220kV以上电压等级的线路普遍采用以光纤为通信通道的线路电流差动保护作为主保护.光纤电流差动保护其工作原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上,具有良好的选择性,能快速地切除保护区内的故障,长期以来对的研究一直不断.
牵引网采用差动保护,在负荷工况下差动电流将是所有负荷电流之和,电力线路能够应用电流差动保护的一个重要前提是电力负荷在被保护线路的区域以外,与牵引网有很大不同.差动保护的动作电流必须躲过最大负荷电流.一旦采取这些措施又会恶化差动保护的性能,增加了保护的复杂性和拒动的概率,因此牵引网不宜直接采用差动保护.暂态电流往往可达机车额定负荷电流的数倍,从而需要电流差动保护采取诸如进一步提高动作电流门槛、增加动作延时、增加闭锁判据等措施才能保证在负荷工况下不会误动.作为牵引网的负荷,电力机车或动车组会在牵引网区段内沿线移动.在此情况下,差动保护的动作电流与过电流保护的动作电流相同,两者的灵敏度也相同.此外,应用差动保护还需要克服电力机车过电分相时引起的冲击电流以及在牵引网区段内启动时的启动电流等问题,这些使得继电保护可以采取更复杂和更精细的算法.
2.1.2 牵引网保护.高速铁路牵引网沿用了普速铁路采用的保护原理,主要有距离保护、过电流保护、电流增量保护等.
第一,距离保护.普速电气化铁路采用距离保护作为牵引网的主保护,并利用负荷电流中的综合谐波含量自动动态调节四边形动作特性的边界,从而防止保护在负荷电流下误动作.
第二,过电流保护.根据牵引网供电方式的不同和继电保护选择性的需要,过电流保护可配置1～3段,并可采取综合谐波抑制和励磁涌流闭锁措施.
第三,电流增量保护.电流增量保护根据电流在短时间内的变化幅度来区分是负荷电流和故障电流：在正常情况时,电力机车沿线顺向行使,牵引网电流的增量不会超过1辆车电流的最大值;在牵引网故障时,短路电流急剧增大,电流的增量比负荷电流大得多.
第四,接触网发热保护.高速重载列车的单车牵引电流较大,在300～350km/h时可达到600～1000A,接触网在比较长时间内都是大电流时,容易发热,然后牵引网的扩张力会降低,稳定性也会变差,所以为了保护接触网,必须设置热过负荷保护.该原理是以机车负荷和环境温度为基础,根据接触网热模型实时计算接触网温度,当计算的温度比设定的温度高时,跳闹回路就会工作,使馈线断路器断开.
2.2 变压器保护研究
变压器在正常工作或外部故障时,变压器节点的电流代数和为零,即差流为零;差动保护的性能受不平衡电流影响,而励磁涌流和电流互感器饱和都会在差动冋路产生很大的不平衡电流,牵引供电系统及方式影响着牵引网电压水平,与此同时,牵引供电系统的安全运行取决于电气保护的配置.我国高速铁路使用的是AT供电方式,这种供电方式可以使牵引变压器端输出电压升高一倍.增加供电臂的长度,减少线路牵引变电所的设置,提高输电的能力,减少牵引网的阻抗,减少对通信造成的影响.防止差动保护误动的关键是区分励磁涌流识别和TA饱和识别.国内外研究者在以上方面进行研究,同时提出了许多可行的办法.
由于距离保护同时利用了短路时的电压,电流的变化特征,通过测量故障阻抗来确定故障所处范围,具有保护区稳定、灵敏度高、动作情况受电网运行方式变化影响小的优点,将距离保护用作牵引变压器的后备保护特征.低电压启动过电流保护具有灵敏高优点,但是由于高速铁路采用了220kV外部及大容量牵引变压器,低电压启动过电流保护存在着拒动的可能.牵引变压器后备距离保护的特殊问题,借鉴牵引网馈线距离保护多年来的成熟经验,探讨了其动作特性,保护配置及流量阻抗等情况,通过数字仿真验证了理论分析的正确性.由于牵引负荷为单相负荷,在牵引供电系统正常运行时就存在负序电压和负序电流,有可能造成复合电压启动的过电流保护误动作.在电力系统中,一般复合电压启动的过电流保护被用作变压器的后备保护.
3 結语
铁路电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求,继电保护配置一般规定,电力系统中的电力设备和线路,应装设短路故障和异常运行保护装置.相应的保护分主保护和后备保护,必要时增加辅助保护.
参考文献
[1]陈小川.铁路供电继电保护与自动化[M].北京：中国铁道出版社,2015.
[2]刘玉洁,盛彩飞,林飞,游小杰,郑琼林.高速动车组网侧电流谐波特性的研究[J].电气传动,2017,40（1）.
（作者单位：哈尔滨铁道职业技术学院）
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高速铁路和继电保护引用文献:
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