高速铁路牵引供电系统馈线保护问题分析

高速铁路牵引供电系统馈线保护问题分析

朱桂宇

（中国铁路哈尔滨局集团有限公司齐齐哈尔供电段黑龙江省齐齐哈尔市161000）

摘要：社会经济的迅猛发展，促进了交通运输业的发展，使得高速铁路在人流、物流运输方面的功能和作用得到了较好的发挥。高速铁路牵引供电系统的供电能力问题关系高速铁路运营的安全性和稳定性，如何做好馈线保护是现阶段必须考虑的一个重要问题。基于此，本文主要对高速铁路牵引供电系统馈线保护问题进行了简要的分析，希望可以为相关人员提供一定借鉴。

关键词：高速铁路；牵引供电系统；馈线保护；问题分析

1高速铁路牵引供电系统以及馈线保护概述

1.1牵引供电系统

牵引供电系统是高速铁路的动力心脏，需要为机车提供持续可靠的电力供应，为行车提供通信用电等，是整个高速铁路的核心组成部分。牵引供电系统从电力系统或一次供电系统接受电能，通过变压、变相或换流（将工频交流变换为低频交流或直流电压）后，向电力机车提供所需电流制式的电能，是完成牵引电能传输、配电等全部功能的一个完整系统。牵引供电系统的性能直接影响列车牵引功率的利用以及牵引传动控制系统的性能。其供电方式可分为：直接供电方式（TR）、BT（吸流变压器）供电方式、AT（自耦变压器）供电方式、直供+回流（DN）供电方式（TRNF）和同轴电力电缆供电方式。

1.2馈线保护

牵引变电所馈线保护装置是供电线路的大脑,能反应供电线路的故障和不正常运行状态,并能迅速地、有选择性的作用于断路器切除故障线路,从而保证无故障线路的正常运行,最大限度的避免事故的发生。

2高速铁路牵引供电系统馈线保护问题

2.1牵引网导线短路故障

牵引网导线短路故障问题对于高速铁路牵引供电系统的供电能力有着较大的影响，关系到系统运行的安全性和稳定性。从现阶段高速铁路牵引供电系统的运行情况来看，主要包括Ｆ－Ｒ短路、Ｔ－Ｆ短路和Ｔ－Ｒ短路。短路故障问题的产生，主要受绝缘子影响。绝缘子在牵引供电系统运行过程中，受到外部环境影响较大，易导致电弧短路，从而影响设备运行的安全性和稳定性。

2.2牵引网断线接地故障

断线故障也是高速铁路牵引供电系统常见问题。断线故障主要包含正馈线断线和接触网断线，其中正馈线断线的发生几率较高。正馈线断线包括了电源侧悬空、非电源侧悬空接地故障。牵引网断线接地故障可能造成供电系统无法进行正常的供电，导致高速铁路牵引供电系统无法正常工作，给高速铁路运行带来不利影响。由于牵引网断线故障发生几率较高，因此在维护过程中就需加强检修和维护的次数，并做好时间方面的安排。

3高速铁路牵引供电系统馈线保护方法

3.1阻抗（距离）保护

在馈线保护中一般采用距离保护作为主保护。距离（阻抗）保护是反映故障点至保护安装处的距离，并根据距离的远近确定动作时间的一种保护装置。距离保护既反映被保护线路故障时电压的降低，又反应电流的升高，是反映线路阻抗下降而动作的保护，采用方向阻抗继电器还可反应相角的变化，具有灵敏度高，保护范围及选择性不受系统运行方式影响和动作迅速的特点。

3.2电流速断保护

当供电系统发生严重故障时为消除近点阻抗保护动作死区，设置该保护，对重负荷线路可以选择低电压闭锁、二次谐波闭锁、谐波抑制特性。电流速断保护的缺点是其保护范围受系统运行方式的影响，在某些情况下电流速断保护可能没有保护范围。因此，一般需要对电流速断保护的灵敏性进行校验。电流速断保护按躲过最大运行方式下供电臂线路末端金属性短路电流整定，动作电流整定值较大，同时要求快速动作，但保护范围较小，大约保护整条供电臂首端的25%左右。当馈线发生变电所近端短路故障时，电流速断保护动作，故障电流较大，故障电压较低。

3.3过电流保护

过电流保护一般作为牵引馈线的后备保护，按躲过供电线路的最大负荷电流整定。机车在线路上行驶时，负荷电流经常变化，即在任一电流值下运行的时间都很短；而故障电流只要一产生，就一直持续到故障切除后方可实现过电流保护。

3.427.5kV馈线保护技术

馈线的智能化改造主要是通过增加合智一体装置和断路器在线监测IED实现的。（1）合并单元负责采集母线电压和馈线电流，在转换模数后经SV网点对点传送至馈线保护测控装置和网络分析仪等智能终端。同时还具备断路器操作箱功能，包含分合闸回路、合后监视、重合闸、操作电源监视和控制回路断线监视等操作。系统支持以GOOSE方式上传一次设备的状态信息，同时接受来自站控层和间隔层GOOSE下行控制命令，实现对一次设备的实时控制。此外，系统能够记录GOOSE下行控制命令，含收到命令的时刻、来源及出口动作时刻等信息，并能够提供查看方式。断路器在线监测装置如图1所示，可用于监测分合闸线圈电流，并将信息直接上传至站控层MMS网。（2）电子式互感器的应用。电子式互感器与常规互感器的测量数据相互统一，能够满足智能变电所的保护、综合分析、智能告警和辅助应用的需求，提升了互感器模拟量数据的精度和抗干扰性能。

图1断路器在线监测装置

3.5站域后备保护方案

根据失电保护动作逻辑判断，“电压、电流信号作为辅助判断条件”的作用是判断牵引变电所一次设备和牵引网是否存在故障。该辅助判断的功能实际是一种能识别全所故障的站域后备保护功能。在牵引变电所既有保护功能失效时可实现牵引变电所一次设备和牵引网的保护功能，且具有以下特点：（1）1套保护装置完成牵引变电所全部一次设备和牵引网的保护功能；（2）可准确识别各种故障所在位置，具有良好的选择性；（3）设置27.5kV母线保护，在母线故障时可迅速动作切除故障；（4）保护装置采集的模拟量和开关量在各种保护间共用，节约硬件资源。

4案例分析

4.1概况

某城市高速铁路，牵引变电所212馈线回路因正馈线绝缘子遭雷击炸裂，正馈线脱落后与PW线接触短路；发生故障的同时，变电所212馈线综自模块损坏，保护失效，造成越级跳闸，故标装置不能启动；雷电过电压同时造成正馈线上网隔离开关操作机构电源跳闸，隔离开关不能远动操作，加大了故障判断处理难度（图2）。

4.2原因分析

本次故障的直接原因是正馈线绝缘子遭雷击炸裂，正馈线脱落后与PW线接触短路。发生故障的同时，212馈线保护CPU板烧损，保护失效，造成越级跳闸；正馈线上网隔离开关操作电源跳闸，造成无法远动分开正馈线。AT故标装置因212馈线保护CPU板失效未能给出故障报告，导致调度员误判为所内故障。212馈线保护未动作的原因：馈线保护装置的开关量输入回路及其光电隔离元件都在CPU板上，室外隔离开关（院内的WO2）机构箱的开关量信号回路瞬时过电压，击穿了CPU板上的输入回路对应的光电隔离元件（OP63），烧损了CPU板上的逻辑运算芯片（lattice），造成212馈线保护不能启动。211馈线保护未动作的原因：短路点距212馈线上网点较近（1.55km），212未跳闸时流过211馈线的短路电流过小，造成211馈线保护不能启动。网上隔离开关W02F远动操作拒动的原因：开关附近遭受雷击时，地电位上升造成隔离开关机构箱内的电涌保护器导通，工频电源通过电涌保护器形成工频续流，从而造成空气开关2ZK跳闸，使操作机构失电而不能执行远动操作。AT故标装置无故障报告的原因：故标装置测距功能是由馈线保护装置保护出口继电器接点进行触发，在211、212馈线保护装置拒动的情况下故标装置不会形成故测报告。

4.3改进方案

图2故障示意图

4.3.1保护装置。CPU板烧损的改进方案对于保护装置CPU板烧损问题，可以采取以下几种改进方案：（1）将开关量输入回路的普通接线端子更换为光电隔离端子。（2）将开关量输入回路的普通接线端子更换为端子型电涌保护器。（3）增加测控装置，将隔离开关控制与馈线保护分开。通过对比分析，采用光电隔离端子的方案能达到对馈线保护装置进行过电压防护的目的，且比较易于现场实施，推荐采用该方案。抗将落在四边形外侧，不会引起阻抗保护动作，而222DL最大负荷时刻的阻抗角为31.2，故阻抗Ⅰ段、Ⅱ段未动作是合理的。

4.3.2防范措施。通过上述分析，说明馈线222DL缺少高阻接地保护，若馈线发生高阻接地故障，不能及时切除故障线路，对馈线设备的危害极大。因此，馈线保护需增设对高阻接地故障较灵敏的电流增量保护。比较短路与负荷2种状态可知，无论是牵引运行工况还是再生制动工况，负荷电流中均含有大量高次谐波（3次谐波为主），另外当AT或机车变压器投入时产生的励磁涌流含有很高的二次谐波分量，而短路故障时，故障电流基本是基波，故利用高次谐波抑制、二次谐波闭锁功能，通过判断基波电流增量而动作的I保护，可以不受机车再生负荷的影响，并作为距离保护的后备保护对高阻接地故障能起到较好的保护作用。对馈线保护装置增设电流增量保护后，再未发生保护越级动作的情况。

结束语

高速铁路牵引供电系统馈线保护问题关系到系统运行的稳定性和可靠性，对于高速铁路运输业的发展有着巨大的影响，在实际工作过程中必须对相关问题予以重视。高速铁路牵引供电系统馈线保护工作，要针对现有问题做好分析，加强技术更新，提升系统运行的安全性和可靠性，以满足高速铁路牵引供电系统馈线保护的需求。

参考文献

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