浅谈铁路牵引变电所馈线保护

亓 雷 刘爱宾 曹恒波

（济南铁路局，山东 济南 250000）

供电系统中的变压器、输电线路、母线以及用电设备，一旦发生故障，迅速而有选择性的切除故障设备，是保证供电系统及其设备安全运行最有效的方法之一。切除故障的时间通常要小到几十毫秒到几百毫秒，实践证明，只有装设在供电系统上的继电保护装置，才有可能完成这个任务。继电保护装置，就是指能反映供电系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。下面就继电保护应用于馈线保护进行简单介绍。

1 馈线保护面对的几个问题

交流电气化铁路牵引供电系统是一个单相系统。其负荷特性不同于一般的电力系统负荷，主要表现在：

1）牵引负荷不仅是移动的，而且其大小随时都在变化；

2）牵引供电臂供电距离长，单位阻抗比一般输电线路单位阻抗大；

3）牵引负荷的变化频率及幅度远远大于一般的电力负荷；

4）当在接触网电压下空载投入机车牵引变压器，或馈线突然断电、机车失压后由自动重合闸动作将馈线断路器重新投入，或电力机车在运行过程中失电而又复得（如机车惰性通过电分相），或含有AT、BT的牵引网空载投入等情况下会产生励磁电流；

5）为了适应机车沿线路移动牵引网的结构比电力系统输电线路要复杂得多。

2 馈线保护的分类

2.1 距离保护

由于交流牵引负荷与交流牵引网短路参数与电力系统有很大的不同，仅反映电流值变化的电流保护灵敏系数较低，一般不能作为牵引馈线的主保护。距离保护既反映被保护线路故障时电压的降低，又反应电流的升高，即距离保护反映的是故障点至保护安装处的距离（阻抗值），采用方向阻抗继电器时还可反应相角的变化，同时不受系统运行方式的影响，其灵敏系数较高。因此在馈线保护中一般采用距离保护作为主保护。

2．2 电流速断保护

从牵引负荷的特点可知，在某些情况下牵引网短路电流将接近负荷，甚至低于负荷电流。因此，如何区分故障电流和正常负荷电流是电流速断保护的关键。整流型电力机车的电流均含有大量的高次谐波，因此可以利用谐波含量的多少来区分是正常的负荷电流，还是故障电流。另外，励磁涌流含有大量的二次谐波电流，因此可以利用二次谐波含量区分励磁涌流和故障电流。

牵引网运行方式的不同以及保护安装位置的不同，电流速断的整定也就不同。例如，在单线单向供电方式下，牵引变电所馈线电流速断保护一般根据最大负荷电流整定。在复线末端（分区所）并联运行方式下，牵引变电所馈线电流速断保护按末端（分区所）短路时的最大短路电流整定。电流速断保护的缺点是其保护范围受系统运行方式的影响，在某些情况下电流速断保护可能没有保护范围。因此，一般需要对电流速断保护的灵敏性进行校验，当灵敏性不能满足要求时，可以在电流速断保护中增加低电压启动判据，同时适当减小电流整定值，若仍不能满足灵敏性要求，则电流速断保护不能采用。

2．3 电流增量保护

当牵引网发生短路故障时，如果在短路点存在过渡电阻，过渡电阻将使短路电流减小，同时使测量阻抗增大。如果过渡电阻较大，可能导致距离保护和电流速断保护拒动。通过分析牵引负荷电流和故障电流可以看出：在正常情况下，由于电力机车电路中大电感的作用，电力机车电流在短时间内增量不会很大，尤其是在电力机车启动时。当牵引网和电力机车发生短路故障时，短路电流将急剧增加。根据这个特点构成的保护称为电流增量保护。因此，电流增量保护的基本思想是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。

电流增量保护的主要优点是选择能力比普通电流保护强。一般电流保护是根据最大负荷电流整定，而一个供电区间的最大负荷电流一般能达到一列电力机车最大电流的2倍左右。而电流增量保护除了反映稳态最大负荷电流以外，还同时反映短时间内电流的增量。因此，其电流整定值 可适当减小到一列电力机车的最大电流。例如，日本东海道新干线上一般过电流保护的整定值为2000A左右，而电流增量保护为1000A，故其保护范围将大大延长。同时从电流增量的原理可以看出，在牵引网发生高阻接地故障、异相短路故障时，电流增量保护的灵敏性比普通电流保护和距离保护的灵敏性要高。

2．4 反时限过负荷保护

高速电气化铁路一般采用大功率电力机车，行车密度高，负荷电流大，当接触网因为长期大电流发热达到一定的程度时，应切断馈线断路器，以保证行车安全。电力机车在线路上行驶的时候，负荷电流经常变化，即在任一电流之下运行的时间都很短。而故障电流只要一旦产生，就会持续到故障切除以后才会消失。因此可以根据电流持续时间的不同来区分是正常负荷电流还是故障电流。根据这一原理可以构成反时限过负荷保护。反时限过负荷保护一般作为馈线保护的后备保护，需保护线路全长。

2．5 接触网发热保护

电气化铁道的发展方向是高速、重载。在高速、重载的情况下要求接触网具有高度的稳定性，只有高度的稳定性才能保证接触悬挂不变形，才能保证稳定的受流质量，才能保证高速重载列车的正常运行。高速重载列车的单车牵引电流较大，在列车时速为300-350km/h时可达到600-1000A，接触网在长期大电流的情况下发热，张力降低，稳定性下降，从而影响到高速重载铁路的正常运行，因此需要设置热过负荷保护完成对接触网的保护。

接触网发热保护的动作原理主要是通过采集外界环境温度和接触线电流，通过内部程序计算，将计算结果与整定值相比较，如超出规定值便发出报警、跳闸命令，从而达到保护接触网的目的。

接触网发热保护的两个基本元素为外界环境温度和负荷电流。外界环境温度的测量通过一个温度传感器完成。将测量的外界温度转化为电流信号输入到保护装置。当检测到外界温度超过正常范围时，闭锁温度输入，并保留上次的测量值。保护装置采集外部接触线流过的电流，通过内部运算程序计算出接触线的温度，当计算的温度超过设定的跳闸温度时，启动跳闸回路，跳开馈线断路器。

2．6 一次自动重合闸

为了保障牵引供电的可靠性，在馈线保护中设置一次自动重合闸。当牵引网发生瞬时性故障时，通过馈线保护的自动重合闸能够快速恢复供电。当线路发生永久性故障时，如果故障电流很大，为了防止对牵引网的第二次冲击，可选择投入大电流闭锁重合闸功能。

总之，馈线是电气化铁路正常运行的重要组成部分，其安全稳定的运行是电气化铁路的关键因素。不管什么类型的馈线保护，其目的均是减少设备故障损失，增强铁路运输的可靠性。