高鐵牽引網(wǎng)繼電保護與動車組的配合

陳國寶

摘要：動車組作為高速鐵路網(wǎng)的供電對象，其電流特性及其自身的繼電保護直接影響高鐵繼電保護的設(shè)置。當前，鐵路供電專業(yè)尚未完全掌握高速動車組的電流特性及內(nèi)部保護設(shè)置，也未對兩者的配合進行深入研究?；诖?，本文分析了高鐵牽引網(wǎng)繼電保護與動車組的配合。

關(guān)鍵詞：牽引網(wǎng);繼電保護;動車組;配合

一、繼電保護

1、線路保護

1）電力系統(tǒng)線路保護。因全線速動的需要，電力系統(tǒng)需采用光纖傳輸通道來保護220kV以上電壓下的電流，該保護也稱為光差保護。當故障發(fā)生時，這種系統(tǒng)保護能及時切斷該區(qū)域內(nèi)故障系統(tǒng)。與牽引網(wǎng)相比，兩者有很大的差異。在牽引網(wǎng)負載下，動車在其區(qū)域內(nèi)沿線路移動。當采用差動保護時，產(chǎn)生的差動電流是所有電流的總和，差動保護期間，電流需避開最大負載。

2）牽引網(wǎng)保護

①距離保護。普通電氣化鐵路依靠距離保護對牽引變電所母線進行監(jiān)測，與牽引網(wǎng)本身阻抗相比，電壓與電路電流比值是判斷線路是否故障的一個因素，依靠距離保護防止保護在負載電流下出現(xiàn)故障。

②過電流保護。牽引網(wǎng)供電、繼電保護方式不同，過電流保護可采取1～3段配置方式，并采用勵磁涌流閉鎖保護。

③電流增量保護。該方法能在短期內(nèi)根據(jù)電流變化判斷實際情況。通常，牽引網(wǎng)電流增量不超過固定值;故障發(fā)生后，電流將急劇增加并產(chǎn)生過大電流流量。

④變壓器保護。動車組系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是變壓器，其繼電保護對車輛的正常運行起著重要作用。當變壓器故障和負荷過大時，會發(fā)生過負荷故障，影響牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)。主、后備保護能有效保證變壓器退出運行及其安全。

2、變壓器保護。電壓器是系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備，其繼電保護直接影響供電設(shè)備的穩(wěn)定性。變壓器通常為差動保護，會受到不平衡電流的影響。防止差動保護誤動的關(guān)鍵是有效區(qū)分勵磁涌流和TA飽和。許多研究者也基于此加強了研究，勵磁識別方法包括二次諧波制動原理，通過判斷差動電流和基波比值判斷設(shè)備故障。

除變壓器主保護外，還需后備保護，以防止外部短路影響電壓器。同時，采用差動保護，確保后備保護。電力系統(tǒng)中，復(fù)合電壓常用作后備保護。牽引負荷為單相負荷，在系統(tǒng)運行中產(chǎn)生復(fù)合電壓，引起過電流保護誤動。因我國不以復(fù)合電壓作為判斷依據(jù)，而采用低壓啟動過電流保護作為實際保護。然而，由于高鐵使用的牽引變壓器容量超過220kV，因此電阻增大。在低電壓下，元件將拒動，因而其保護是對現(xiàn)有保護方式進行改進或采用其他方法。

二、標準規(guī)范及應(yīng)用情況

1、標準規(guī)范。我國高鐵牽引網(wǎng)繼電保護設(shè)計主要依據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》和《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》，其是綜合性規(guī)范，對牽引供電系統(tǒng)繼電保護的規(guī)定不夠詳細，牽引網(wǎng)繼電保護與動車組的配合要求為：①《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》要求“牽引供電系統(tǒng)的各級保護、饋線和電力機車或電動車組內(nèi)部保護應(yīng)相互配合”。②《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中未提及牽引網(wǎng)繼電保護與動車組配合問題。

2、應(yīng)用情況。實際應(yīng)用中，高鐵牽引網(wǎng)繼電保護與動車組的配合為：①短延時保護和動車組保護的時間配合。考慮到牽引網(wǎng)短延時保護與動車組保護的時間配合，可避免動車組內(nèi)部故障時牽引網(wǎng)保護先動作。在鐵路牽引網(wǎng)保護中，電流速斷保護及距離Ⅰ段保護是延時最短的保護，通常需考慮其與動車組內(nèi)部保護的配合。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在以往項目中，兩種保護所取動作時限并不完全一致。例如，在京津城際中，兩個保護無延時，而國內(nèi)設(shè)計的其他項目大多數(shù)動作時限為0.1s，部分為0.06s。②電流增量保護和動車組電流的配合。電流增量保護是通過判斷牽引網(wǎng)電流的突變來判定故障的發(fā)生，整定時間應(yīng)避免在運行條件下對保護的誤判，整定值應(yīng)考慮避免運行中動車組取流帶來的電流突變。實際應(yīng)用中，因未參考動車組實際電流變化特性，電流增量保護的動作電流采用經(jīng)驗值，為動車組額定電流的0.3～1.1倍。

三、動車組相關(guān)資料

通過對動車組的調(diào)研，收集到的與牽引網(wǎng)保護有關(guān)的動車組資料包括以下內(nèi)容：

1、動車組內(nèi)的保護延時。動車組內(nèi)部保護包括電壓、電流保護。其中，電壓保護分為過壓保、低壓保護，過壓保護與牽引網(wǎng)保護無配合;當?shù)蛪罕Ｗo網(wǎng)壓小于16.5kV時，瞬時封鎖變流器觸發(fā)脈沖，封鎖時間為μs級。電流保護分為無延時速斷保護及有延時過電流保護，過電流保護延時為0.5s。

2、動車組斷路器固有分閘時間。根據(jù)各車型采用的斷路器不同，動車組斷路器固有分閘時間分為40、60、90ms。

3、動車組取流引起的電流變化率。調(diào)查表明，動車組牽引變流器采用電流變化率控制策略，在啟動、過分相、再生等工況下，牽引變流器電流從零到額定電流的變化過程控制在1～2s內(nèi)完成，在此過程中，電流呈線性緩慢變化。

四、牽引網(wǎng)繼電保護與動車組配合

1、保護動作時間配合

①當車載變壓器高壓側(cè)發(fā)生短路時。當動車組變壓器高壓側(cè)發(fā)生短路時，變電站饋線電流較大，故障在牽引網(wǎng)短延時保護的保護范圍內(nèi)，此時需考慮短延時保護與動車組內(nèi)部保護間的配合。

對于固有分閘時間為90ms動車組斷路器，加上保護裝置響應(yīng)時間，動車組內(nèi)部故障切除時間超過0.1s，現(xiàn)有牽引網(wǎng)短延時保護0.1s延時不能實現(xiàn)與動車組內(nèi)部保護配合，需將其增加到0.15s，以實現(xiàn)兩者的選擇性。對于固有分閘時間為40ms、60ms的斷路器，保護裝置的響應(yīng)時間按相對寬松的20ms考慮，動車組內(nèi)部高壓側(cè)故障的切除時間基本上可保證在0.1s內(nèi)，牽引網(wǎng)短延時保護的0.1s延時可實現(xiàn)與動車組內(nèi)部保護的配合。

②當車載變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時。當動車組變壓器低壓側(cè)發(fā)生短路時，折算到變壓器高壓側(cè)的最大短路電流約為1000A，短路阻抗也較大，該短路不會引起內(nèi)部電流速斷保護、距離保護和過電流保護動作，因此不考慮其配合。

當動車組車載變壓器低壓側(cè)短路時，短路電流帶來的電流增量可達到電流增量保護的動作門檻，應(yīng)考慮電流增量保護與動車組內(nèi)部保護的配合。根據(jù)動車組資料，動車組內(nèi)部過電流保護延時為0.5s，加上保護裝置（20ms）及車載斷路器的固有響應(yīng)時間（40～90ms），即此時動車組斷路器切除故障的最長時間為0.61s。電流增量保護的延時不應(yīng)小于0.7s，以配合動車組內(nèi)部保護。

2、電流增量保護和動車組電流的配合。電流增量保護值均為電流基波有效值差值，計算電流有效值時間窗口為1個周期，的兩個電流有效值相差2周波。因此，研究動車組電流增量特性的關(guān)鍵是弄清動車組在2周波內(nèi)的電流增量。

從動車組資料來看，動車組電流從零上升到額定電流過程在1～2s內(nèi)呈線性變化。根據(jù)長編組動車組電流最大額定計算，每2計算的平均電流增量最大約為40A。與當前使用的數(shù)百至數(shù)千A整定值相比，其電流變化量幾乎可忽略，動車組正常取流不會引起電流增量保護誤動。

另外，部分動作值小的電流增量保護誤動疑與離線受電弓有關(guān)。根據(jù)動車組對低電壓的響應(yīng)，理論上有一定概率，因此當受電弓小離線（離線時間小于10ms）時，車載牽引變流器不封鎖脈沖，導(dǎo)致牽引取流突變。此時，動車組電流最大變化幅度不超過圖1所示范圍，圖中電流幅度為動車組額定電流。此時，可計算出2周波電流有效值變化量約為動車組額定電流的0.3倍。因而，牽引網(wǎng)電流增量保護宜取較小動作值，可為動車組額定電流的0.5倍，以提高保護靈敏度。

總之，國內(nèi)高速鐵路采用電力牽引，牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)顯得更為重要。我國高鐵繼續(xù)采用原有的保護配置，難以滿足當前動車牽引供電系統(tǒng)的要求。因此，有必要繼續(xù)加強牽引網(wǎng)繼電保護的研究。

參考文獻：

[1]單鑫升.牽引網(wǎng)繼電保護與動車組配合分析[J].中國科技縱橫，2020（23）.

[2]王純偉.高鐵牽引網(wǎng)繼電保護與動車組的配合[J].電氣化鐵道，20201（s1）.