浅谈重载铁路牵引供电系统馈线保护

王占力

摘 要：随着我国高速、重载铁路的迅猛发展，重载铁路在交通体系中所处地位的日益提高，保证重载铁路的安全稳定运行已成为人们关注和研究的热点，而作为其重要环节，牵引供电系统的研究更成为了重中之重。本文主要针对重载铁路牵引供电系统馈线保护问题进行分析和讨论。

关键词：重载铁路；牵引系统；供电系统；馈线保护；

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。

一、重载铁路牵引供电系统

电力系统提供两路独立电源进线，在通过牵引变电所转变电能后，再送给牵引网，以使电力机车能够取流，然后完成电力牵引，牵引变电所、牵引网和电力机车组成了牵引供电系统。

1、牵引变电所、分区所、AT所

牵引变电所的功能就是把系统引入的高电压转换成低电压的交流电，然后再通过馈电线送给铁路沿线的接触网，向电力机车提供电量，因为牵引负荷是单相负荷，为了尽可能将单相负荷均匀地分配到电力系统三相中去，牵引变压器常选择比较特别的接线变压器，比如斯科特接线、阻抗匹配平衡接线等变压器。重载铁路大多采用V/x接线等牵引变压器。常常在两个牵引变电所的供电区中间设置分区所，以使供电更加灵活。

2、牵引网

牵引网是由馈电线、接触网、回流线组成的多导线供电的回路。

它有很多种供电方式，例如直接供电和带吸流变压器（BT）供电、自耦变压器（AT）供电和全并联AT供电方式。其中BT供电由于大地回流和“半段效应”其对通信线路的防护效果并不理想，同时由于“吸-回”装置将接触网的连接方式变得麻烦，机车的受流条件变得更差，所以现在已经不经常使用了。

（1）直接供电方式。直接供电这种方式相较而言是比较简单的，电力机车工作所需要的电能是由牵引变电所输出的电能供给的，这种供电方式就是直接供电方式。它有很多好處，这种方式的结构比较简单，而且节省投资，但是其回路电阻大，供电距离较短。同时因为牵引供电系统是单相负荷的，这种供电方式无法使其平衡，这样就会严重影响通信线路。

（2）AT供电方式。随着大功率电力机车的不断投入运行，牵引网需要提供更高的电能，为此引入AT供电方式，牵引变电所主变输出电压为55kV，经AT向接触网供电，一端接接触线，另一端接正馈线，其中点抽头则与钢轨相连。这种供电方式下，其馈电电压高，供电能力强，牵引变电所的数量可以减少，从而节省投资。而其接触线和正馈线中的电流近似大小相等方向相反，所以牵引电流对通信线路的影响较小。目前，我国的大秦、京秦、郑武等普速电气化铁路线路都采用了AT供电方式。

（3）全并联AT供电方式。为了进一步提高牵引网电压，减小牵引网电能损失，采用了牵引网的上下行线路在AT所和分区所处进行并联的接线方式。我国高速、重载铁路普遍采用全并联AT供电方式。这种供电方式下机车的负荷电流由于并联支路的存在将会有多个供电回路，使牵引网的电阻值降低了，并且使牵引网的供电能力增加了，但是在牵引网故障时，同样存在多个回路给短路点供电，使故障分析更加复杂，同时使其继电保护与普速铁路时有很大不同。

3、电力机车负荷

电力机车按照牵引驱动电机的不同可以分为直流电力机车（又称交-直电力机车）和交流电力机车（又称交-直-交电力机车）。在普速铁路中通常采用交-直电力机车，而在高速、重载铁路中全部采用交-直-交电力机车。两种机车由于采用的整流电路不同，使得其谐波成分、功率因数等有很大区别，进而对其继电保护产生影响。

二、重载铁路牵引供电系统馈线保护

1、大电流脱扣保护

当电流超过整定门限，并达到规定的延时时立即跳闸。直流短路的特点是电流快速上升， 保护在短路电流到达峰值前触发断路器跳闸。对于电流上升非常快的近端短路，大电流脱扣保护往往先于电流速断保护动作。

动作电流Idz的整定：

Idz=kIdmin

式中：k―可靠 系数，一般取1.5左右；Idmin―最小的短路电流值。

大电流脱扣保护的整定依据主要是短路电流值和最大馈线电流值。以牵引整流机组容量为 3000kW 的直流 1500V 牵引供电系统为例，其远端短路电流一般不低于 20kA，最大馈线电流一般不超过 3kA，而大电流脱扣保护整定范围一般为4～12kA，整定值通常在 6kA 以上。

2、过流保护

可作为上述两种保护的后备保护。在保护控制单元预先整定电流Imax值和时间T值。当通过直流馈线短路的电流值在预先设定的时间T内超过Imax值时，过流保护装置动作使直流馈线断路器跳闸来清除故障。显然，Imax值应小于大电流脱扣保护装置动作值Idz。对于Imax值的设定，可分别设定正反方向的Imax+值和Imax-值。当机车处于再生状态或当地牵引变电所整流机组退出运行，所内直流馈线被用于直流越区供电回路时，如果线路发生故障，会有反向电流通过直流馈线断路器，反向过流保护用于检测并清除该故障。

3、接触网热过负荷保护

该保护作为电流上升率保护的辅助保护，当直流线路处于过负荷状态时，即使没有任何短路故障发生，接触线或进线电缆的温度也会上升，当热过负荷电流流过时，该电流虽不至引起巨大的破坏，但此电流持续时间长了，其产生的热量会超过某些薄弱设备所允许的发热量，引起这些设备不同程度的损坏。

接触网热过负荷保护主要是根据接触网的电阻率、电阻率修正系数、长度、横截面积、电流，计算出接触网的发热量，再根据接触网和空气的比热等热负荷特性及通风量等环境条件，由经验公式给出接触网的电缆温度。当测量的电缆温度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。

该保护的对象是接触网。接触线有其自身固有的热特性，是一条以电流为变量的反时限曲线。这就要求保护装置整定的曲线与接触线的固有曲线进行配合。同时，保护装置的整定曲线还应与馈线的电流保护进行配合。

结束语

重载铁路牵引供电系统的可靠性涉及设计、施工、运营管理等多个环节，牵引供电系统配置的馈线保护，基本上能够快速、准确切除大多数短路故障。为了确保重载铁路牵引供电系统管理的科学化，必须要综合采用采取多元化的牵引供电数据采集与处理技术、供电正常状态下的综合评价技术，以更好的确保重载铁路稳健、安全运行。

参考文献：

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