电气化铁路牵引变电所主接线设计及继电保护分析

陶倩　刘磊　武金甲

《中长期高速铁路网规划》中指出，至2025年，中国铁路网发展规模将高达17.5万公里，当中高铁将实现3.8万公里。到2030年，中国的远景铁路网发展规模将实现20万公里，当中高铁将实现4.5万公里。铁道行业广阔的市场前景，特别是高速铁路的高速发展会带来电气化铁路供电系统行业旺盛的市场需求。

我国目前的客运专线用的单相工频（50Hz）交流电，除个别大运量货运线路之外，牵引供电系统都采用AT供电.AT供电通常配置的继电保护为馈线距离保护、过电流保护、电流速断保护等保护。在自动化技术迅猛发展下，牵引供电系统及继电保护系统已有综合自动化发展的趋势。

铁路是我国交通运输中的重要组成部分，国家铁路和城市轨道交通是关系到我国国计民生的重大基础设施。电力牵引在铁路、城轨和工矿运输中广泛应用，提高了运量和经济效益，电气化铁路为我国铁路缓解了运输压力，与我国能源结构状况相适应，对我们出行及社会发展有着重要的作用，是当今铁路机车牵引的主要动力来源。

牵引变电所的安全可靠工作是维护电气化高速铁路正常安全可靠运转的重要前提，其继电保护工作就是维持牵引变电站正常工作和故障切除的最主要维护手段之一。主要功能包括：通过对用户的动作定值设定迅速切断故障装置和线路，减少了故障范围和故障时间所造成的经济损失。利用自动重合闸、后备供电电源自投等设备，保证供电的安全可靠、减少了供电故障停电时间。以及通过故障标记，迅速对故障地点加以定位，从而加速了故障抢修的速度。采用了微机综合自动化控制系统，从而完成对牵引变电所设备的远程调度。牵引变电所继电保护是保证牵引变电所可靠工作的关键，如果加设了继电保护系统装置，就可以使牵引变电所按正常状态工作。所以，牵引变电所主接线设计以及继电保护系统的可靠配置、安全操作，对于电气化铁路的运营具有关键的意义。

一、牵引变电所主接线设计要求及主要设计内容

（一）电气主接线的设计功能

高铁牵引供电系统主要任务是为高铁电力机车的操作和控制不间断地供应高效且稳定电力。相对于普速列车，由于高速铁路牵引载荷量大、列车车速快且发车运行密度较高，所以对牵引供电系统稳定性、可靠度等都提出了更高的要求。

牵引变电所的主接线是将该地区电源进线以及所内的各种高压电气设备，按工作要求依次顺序连接构成的电气主电路。由于牵引变电所设计需要因地制宜，设计过程中要根据变电所的规模和形式，并结合当地实际才能做出合理的设计。

电气主接线体现了牵引变电所各设备之间的作用以及回路间的相互关系，是变电所的主体。主接线的设计方案直接关系到牵引所设备的选型、供电设备的布局，继保配置整定等确定。

（二）电气主接线设计要求

电气主接线应需尽可能地满足可靠性高、灵活性能好和经济性优越的要求。

1.可靠性：保证在正常运行时供电连续。

2.灵活性：主接线应确保当投入切除的装置或线路时，动作方便。

3.经济性：牵引所主接线应保证初投资与運行费用达到经济合理。

（三）牵引变电所主接线设计内容

1.牵引变电所负荷计算，及牵引变压器与自用电变压器的容量计算。根据待设计变电所的原始资料，确定负荷类型及大小。再在负荷计算的基础上，进行计算容量，校核容量及安装容量的计算。最后确定牵引变电所牵引变压器以及自用电变压器的备用方式、型号及台数。

2.主接线设计。根据该牵引变电所实际情况，保证电力牵引负荷的可靠工作，并使设计的主接线灵活地运行，在此基础上还应尽量减少投资和运行费用以达到最好的经济利益。设计时还应考虑运量增长，增加馈线等的改建扩建。

3.短路计算及设备选型。先对系统进行等效，再对系统进行短路计算。通过短路计算得到结果，按正常条件进行设备选型并按短路情况对所选设备进行动、热稳定校验，保证所选设备的可靠性。

4.防雷接地的设计。根据牵引变电所实地条件进行防雷及接地设计。

铁路供电系统示意图见图1。电源Ⅰ与Ⅱ通过输电线路对电网中引进入的三相高压电（110kV）经过牵引变压器T、T进行了变换，最终化为适应于电力机车运行用电的单相工频交流电（27.5kV），给接触网线路供电，图1中T为一个自供电变压器，使27.5kV的三相电压降低为6kV～10kV的三相交流电，给牵引所内设备提供电能。图1中的QF～QF是断路器。断路器在正常供电保持在合闸状况，如果断电事故发生时，可使断路器分闸，由控制开关实现。如果整个控制系统中的设备发生故障，故障区域被断路器切断。在这些情形下，就有自动装置可以自动地把测量值和整定值进行比较，以便确定系统状况是正常还是故障。当供电系统出现故障时，它也需要根据事先设定的条件发送命令，比如使故障区段的断路器跳闸，或者发送报警信息。能实现这些功能的自动装置，就是继电保护设备。

图1 牵引供电示意图

继电保护的功能主要包括：用来切断短路故障，避免影响电力机车正常运行、损坏电气设备、缩短寿命及破坏供电运行稳定性。继电保护还可以用来监视系统运行状态。经过上述分析，选择适当的继电保护方式是保证供电系统安全工作和改善电能品质的最有效手段。

（一）变压器保护配置

1.变压器主保护配置

（1）瓦斯保护

瓦斯保护是利用牵引变压器油及其他绝缘材料受热分解产生气体来实现的保护。发生严重故障时，重瓦斯动作并作用于保护装置，防止事故范围的扩大。

（2）纵差动保护

电流纵差动保护可以甄别出区内区外故障，不需和其他元件保护相配合，可以无延时的切除区内各种故障。

2.后备保护配置

（1）过电流保护

当过电流保护动作启动后，会使变压器各侧的断路器跳闸。对升压变压器或容量较大的降压变压器来说，启动电流较高，灵敏度较低。

（2）低压启动过电流保护

为了防止保护外发生短路故障时，所造成的短路过电流对变压器造成损害，使用低压启动过电流保护来作为其差动保护及馈线保护的后备保护。

（3）反时限过负荷保护

在牵引变压器过负荷运行时间较长时，该变压器的绕组会因发热而损坏。应该依据可能出现的过负荷情况，为牵引变压器配置过负荷保护。对牵引变压器，过负荷保护应能反应公共绕组和每一侧过负荷。

（二）馈线保护配置

1.线路主保护的配置

在牵引变电所的馈线处中配置距离保护作为主保护。一般电气化铁路的馈线保护都由四边形阻抗继电器作为主保护。

2.线路后备保护的配置

配备电流增量保护为馈线的主后备保护，电流速断，反时限电流保护、馈线过负荷保护等作为牵引变电所馈线的辅助后备保护，从而使继电保护为提高牵引供电系统的安全、稳定和经济运行发挥最大的效能。

（1）电流增量保护

电流增量是利用馈线短路时电流瞬时增大的特性。

（2）电流速断保护

牵引变电所馈线配置了电流速断保护。该保护整定值较高，保护范围比较短。

（3）三段过电流保护

三段过电流保护简单，可靠性较高，在一般时候能快速切除故障，但该保护受电网接线及系统运行方式变化的影響大，灵敏度及保护范围也会不满足要求。

（4）反时限过电流保护

反时限过电流保护利用动作时间与被保护线路中电流大小有关的一种保护，当馈线故障电流大时，保护的动作时限短，故障电流小时，动作时限就长。

（5）馈线过负荷保护

接触网在长期大电流运行时会发热，因此张力下降，稳定性降低，进而影响铁路的正常运行，牵引变电所馈线配备过负荷保护对接触网进行保护。

本文阐释了电气化铁路牵引变电所主接线设计及继电保护整定分析。基于现有设计标准，根据牵引变电所设计要求，结合工程实际进行分析，设计时不仅考虑了供电的可靠性、安全性、经济性，还涉及到牵引变电所扩容等远期规划。通过牵引变电所主接线的设计要求、主要设计内容及牵引变电所继电保护配置，为牵引变电所稳定、可靠运行提供了基础。