高铁牵引网继电保护与动车组的配合应用

王浩成 林泽启 徐梦

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266111

1 牵引供电系统

电力系统提供两条独立的电源输入线。电能经牵引变电所转化后，送到牵引网，让电力机车取电流，然后完成电力牵引,牵引变电站、牵引网、电力机车组成牵引供电系统。

1.1 牵引变电所、分区所、AT所

牵引变电所的功能是将高压引入的系统转化为低压交流电,然后将其发送到悬链线沿着铁路通过馈线电力机车提供电力,由于牵引负荷是一个单相负荷,以单相负载均匀地分布到三个阶段的电力系统,牵引变压器通常选择特殊接线变压器,斯科特布线、阻抗匹配平衡接线等变压器。高速铁路使用V/x连接牵引变压器。为了使供电更加灵活，通常在两个牵引变电所的供电区域之间设置分区所。

1.2 牵引网

牵引网是一个比较复杂的多线供电回路，主要由馈线、接触网、回流线组成。牵引网的主要供电方式分为:直接供电、带吸流变压器（BT）供电、自耦变压器（AT）供电和全并联AT供电。其中BT供电方式目前很少使用，主要原因是BT供电方式不能保护通信线路，且与接触网的连接方式相对复杂、麻烦，导致机车接收电流条件差。

2 继电保护研究

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。

2.1 距离保护

普速的电气化铁路牵引的采用距离保护为主要保护网络,并使用自动综合负载电流中谐波含量和动态调节四边形的边界的作用特点,以防止保护故障下的负载电流。

2.2 过电流保护

根据牵引网供电方式的不同和继电保护的选择需要，可配置1-3级过流保护，并采取综合的谐波抑制和励磁涌流阻断措施。

2.3 电流增量保护

电流增量保护区分负载电流和故障电流根据电流的大小变化在很短的时间：在正常情况下,电力机车运行沿着直线前进,和提高牵引网电流不会超过一个车辆的当前的最大值。当牵引网发生故障时，短路电流急剧增大，且增大的电流远远大于负载电流。

2.4 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600-1000A。当接触网长时间处于大电流状态时，容易产生热量，从而使牵引网的膨胀力降低，稳定性能也会恶化，影响高速重载铁路的正常运行。因此，为了保护接触网，必须安装热过载保护装置。该原理以机车荷载和环境温度为基础，根据接触网热模型实时计算接触网温度。当计算温度高于设定温度时，馈线断路器断开[1]。

3 牵引网继电保护与动车组配合分析

3.1 保护动作时间配合

3.1.1 短路发生在车载变压器高压侧时

当动车组变压器高压侧发生短路时，变电站的馈线电流比较大，故障在牵引网短时保护的保护范围内。此时，有必要考虑短期保护与动车组内部保护的合作。对于90ms动车组断路器固有的开断时间，加上保护装置的响应时间，动车组内部故障消除时间超过0.1s，现有的牵引网短延时保护不能通过内部动车组实现0.1s延时。保护协调需要增加到0.15s才能达到两者的选择性。对于固有开断时间分别为40ms和60ms的断路器，保护装置的响应时间按松动器20ms考虑。动车组内部高压侧故障的消除时间基本可以保证在0.1s以内，0.1s延迟的牵引网短延时保护可以实现与动车组内部保护的协调。

3.1.2 短路发生在车载变压器低压侧时

当动车组变压器低压侧发生短路时，转换到变压器高压侧的最大短路电流约为1000A，短路阻抗也很大。这种短路不会引起内部电流速断保护、距离保护、过流保护运行，不考虑其协调性。当动车组车载变压器的低压侧短路,电流增加造成的短路电流可以达到当前的行动阈值增加保护,电流增加保护的协调和内部应该考虑保护动车组。根据动车组的数据，动车组内部过流保护延时为0.5s，加上保护装置（20ms）和车载断路器固有响应时间（40-90ms），即动车组断路器排除故障的时间最长。长度是0.61s。当前增量保护的延迟不应小于0.7s，以达到与动车组内部保护配合的目的。

3.2 电流增量保护与动车组电流的配合

目前，电流增量保护的ΔI值为电流基波有效值之差。计算电流有效值的时间窗口为1个周期，计算ΔI的两个有效值之差为2个周期。因此，研究动车组电流增量特性的关键在于阐明动车组电流在2个周期内的增加情况。

从动车组的数据来看，动车组电流从0上升到额定电流的过程是1-2秒内的线性变化。根据长形动车组的当前最大额定电流计算，每2次循环的平均电流增量ΔI最多约为40A。与当前常用的ΔI设定值从几百到几千相比，电流变化几乎可以忽略不计，正常的动车组取电流不会导致电流增量保护发生故障[2]。

根据现场报告，目前动作值较小的增量保护部分出现故障，怀疑与离线受电弓有关。根据动车组对低电压的响应，理论上有一定的概率，当受电弓离线时（离线时间小于10ms），车载牵引变流器不会阻塞脉冲，导致牵引电流突然变化。建议牵引网电流增量保护采取较小的动作值，可为列车组额定电流的0.5倍，以提高保护灵敏度。

4 结语

我国高速铁路均采用电力牵引，牵引供电系统作为动力源的作用更为重要。然而，由于我国高速铁路发展时间短，发展速度快，相关的保护技术跟不上发展速度。普通铁路的保护原则和措施只能采用，不能有效满足高速铁路牵引供电系统。因此，对高速铁路牵引供电系统继电保护进行持续深入的研究，不仅符合现场的实际需要，而且具有重要的社会和经济价值。