一种电铁供电线路继电保护配置方案

程 强，王俊奇

（国网山西省电力公司电力调度控制中心，山西 太原 030001）

0 引言

随着大规模电气化铁路的推进，由220 kV供电的电铁线路逐渐增多，近两年随着大西高铁和中南铁路投运，山西也有23座牵引站投产。针对电铁供电线路保护配置方案和整定原则及保护装置的特殊要求，各网省公司进行了大量研究。文献[1]比较了二回二相式和二回三相式输电线路接入系统电铁供电线路的区别，提出了继电保护配置原则和整定原则；文献[2]分析了武广客运专线继电保护配置的弊端并提出了解决方案；文献[3]提出了高铁牵引变电所继电保护配置方案；文献[4]阐述了南广铁路郁南牵引站供电线路继电保护设计的情况。目前牵引站供电线路普遍采用在系统站侧双重化配置距离保护，该保护存在频繁启动和对低压侧故障灵敏度不足的问题。针对这些问题，提出了一种采用纯电流保护的配置方案，并给出了定值整定原则。

1 电气化铁路的运行特性及电气特性

1.1 电铁牵引站的一次接线方案

目前山西境内大西高铁、中南铁路牵引站均采用两回三相输电线路接入系统，两回供电线路互为热备用，大多数牵引站内部采用V/V接线，系统站均采用双母线接线形式。V/V接线采用2台单相变压器实现，电铁接入系统图如图1所示。

图1 典型两回三相线路供电牵引站接线图

1.2 电铁负荷特性及对系统的影响

电气化铁路牵引负荷是一种特殊负荷，具有不对称性、非线性、冲击性，短时集中负荷特性明显，越区供电能力要求高，负序谐波特性明显等显著特点[2]。

2 电铁供电线路继电保护配置方案

2.1 规程对电铁线路保护的要求

根据《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB/T 14285—2006）[5]中对电气化铁路供电线路有以下几点要求。

a）用三相电源对电铁负荷供电的线路，可装设与一般线路相同的保护。采用两相电源对电铁负荷供电的线路，可装设两段式距离、两段式电流保护。

b）电气化铁路供电产生的不对称分量和冲击负荷可能会使线路保护装置频繁启动，必要时，可增设保护装置快速复归的回路。

c）电气化铁路供电在电网中造成的谐波分量可能导致线路保护装置误动，必要时，可增设谐波分量闭锁回路。

2.2 现有配置方案及存在的问题

现有电铁牵引站为终端负荷变电站，送电线路保护配置按系统站侧配置双套常规距离保护、零序电流保护，牵引站侧不配置线路保护。由于V/V接线方式，单相重合闸方式已经不能满足牵引站安全稳定运行的要求，因此电铁线路采用三相跳闸三相重合方式。

由于电铁负荷的冲击性，常规线路距离保护如不加修改，可能存在频繁启动的问题；同时如果线路保护作主变远后备时，可能存在低压侧故障灵敏度不足的问题。针对距离保护的这些问题，山西电网对电铁版距离保护做了以下要求。

为避免保护装置频繁启动，增加“低电压启动元件”，与“电流突变量启动元件”构成“与门”关系。

线路保护应作为牵引站主变压器的远后备保护，为避免牵引站主变低压侧故障而“低电压启动元件”灵敏度不够，故需增加“三段阻抗辅助启动元件”，以保障主变低压故障时线路保护装置可靠启动。“三段阻抗辅助启动元件”与“电流突变量启动元件”构成“与门”，再与“低电压启动元件+电流突变量启动元件”构成“或门”关系。

对电铁、钢厂等冲击性负荷线路（主要是“3/2”接线）保护版本，要求增加“投三相跳闸方式”控制字，当该控制字投入时，保护装置在任何类型故障时均三相跳闸。

虽然上述改进后，距离保护能够满足电铁供电线路的相关要求，但是采用距离保护会使装置维护复杂、测向量困难。同时，对低压侧因为电压的闭锁作用，灵敏度需要特殊考虑。

2.3 改进的配置方案及优点

基于距离保护存在的维护复杂、对低压侧灵敏度和选择性需配合的问题，结合电铁线路为终端变电站的特点，可以对电铁线路的保护配置做如下改进，即用纯过流保护、零序过流保护来适应电铁的供电需要。

一方面电铁牵引站为无源的终端变电站，在系统侧配置的纯电流保护装置不用带方向，因而不用测向量，装置简单维护方便，费用低廉；同时终端线路不存在电流保护灵敏度和选择性难以配合的问题，纯电流保护对低压侧的灵敏度很容易保证，只需根据电铁负荷特性确定合适的整定原则即可。配置纯电流保护简单可靠，保护动作速度快于差动保护，能够很好地保护电铁牵引线路。

3 改进方案的整定原则分析

3.1 电铁线路故障电流

改进的纯电流保护能否很好地适应电铁牵引线路，一个最重要的因素就是能否确定出合理的整定原则，从而保证线末和主变低压侧灵敏度的同时也能够避免频繁启动。下文以一组典型数据来对电铁线路的短路电流进行分析。典型参数如下：

系统参数：大方式X*＝0.15；小方式X*＝0.3；

变压器：XT*＝3；

每公里线路：XL*＝0.005

在上述参数的系统下，纯电流保护感受到的短路电流如图2所示。

图2 电铁牵引站供电线路故障电流分布图

3.2 整定计算原则探讨

纯电流保护需要整定的有启动电流、相电流保护I、II、III段、零序电流的I、II、III段和重合闸。

3.2.1 启动电流

启动电流按躲过电铁的负荷波动电流整定。牵引站设计时，变压器的选型均考虑了最大负荷的情况，因此电铁线路最大的波动电流不会大于牵引站变压器的额定电流。目前山西电铁牵引站的单相变压器容量为40 MVA，电铁变（单相）额定电流为40 000/220＝182 A，因此电铁的波动电流最大约

182 A，启动电流可整定为240 A。

3.2.2 相电流整定原则

相电流保护的I段可取对线末高压侧有灵敏度，又必须躲过低压侧故障，取3 000 A，时间取为0 s；相电流保护的II段可取对线末高压侧有灵敏度，又必须躲过低压侧故障，定值取2 000 A，时间取为0.3 s；相电流保护的III段可取对变压器低压侧有灵敏度，又必须躲过负荷电流200 A，定值取为300 A，时间与低压侧延时配合2.3 s。

3.2.3 零序电流整定原则

电铁牵引站变压器不接地，低压故障高压侧无零序电流，因此零序电流保护仅需要考虑线路接地故障有灵敏度即可。零序电流保护的I段可取对线末高压侧有灵敏度，定值取600 A，时间0 s；零序电流保护的II段：可取对线末高压侧有灵敏度，定值取400 A，时间0.3 s；零序电流保护的III段：可取对线路高阻接地有灵敏度，定值取200 A，时间1 s。

3.2.4 重合闸整定原则

重合闸由保护跳闸启动，与牵引站侧备自投延时（4 s）反配合，延时取1 s。

4 结论

本文结合牵引变电站电气特性和目前牵引变电站线路保护配置现状，阐述了配置常规距离保护的缺点，计算了典型参数下电铁牵引线路的短路电流，分析了采用纯电流保护作为电铁牵引线路主保护的可行性，并对整定原则进行了讨论。下一步，可在选择实际电铁牵引站供电线路进行试验，并结合运行实际对该配置方案进一步的可行性分析。

[1] 陈剑,李炜.武广客运专线220 kV线路保护相关问题探讨[J].电力系统保护与控制,2009,37(19):84-87.

[2] 李炜.电铁供电线路继电保护整定原则及分析[J].湖南电力,2011,31 （4） :29-32.

[3] 刘兴学.高速铁路牵引变电所继电保护方案探讨[J].铁道工程学报,2013,1:88-91.

[4]文婷，柳澹.南广铁路郁南牵引站220 kV供电线路继电保护配置分析[J].广东电力,2013,24(7):98-100.

[5] 中国电机工程学会继电保护专业委员会.GB/T 14285—2006 继电保护和安全自动装置技术规程[S].北京：中国电力出版社,2006.