基于铁路供电系统中牵引变电所保护研究

基于铁路供电系统中牵引变电所保护研究

张鑫

国电南京自动化股份有限公司          江苏南京210032

摘要：铁路牵引供电系统的核心组成是牵引变电所，为确保铁路在运行过程的电力供应，需尽可能提高牵引变电所的可靠性，根据国家相关技术规范，需对牵引变电所设计继电保护和防雷保护等保护性措施。本文重要研究了继电保护中的母线保护和馈线保护，分析了其中存在的设计不足，并提出了优化的技术路径，同时简单介绍了防雷保护的技术措施。

关键词：铁路供电系统；牵引变电所；保护措施

引言：

牵引变电所中包括一次设备和二次设备，保护性措施关键在于确保一次设备的可靠运行，二次设备起到控制、监控、维护一次设备的重要作用。其中最为核心的是继电保护措施和防雷保护措施。从实际应用的情况来看，继电保护中的母线保护和馈线保护分别存在整定时间过长和可靠性较低的问题，需采取技术措施优化母线保护和馈线保护，防雷保护是牵引变电所的防护重点，也需强化技术研究。

一、牵引变电所的继电保护

（一）现有高铁牵引供电系统的继电保护配置运行方式

第一，供电系统运行方式。高铁牵引供电系统可采用BT供电和AT供电两种不同的方式，但目前以AT供电为主要的技术路线，其特点是可显著降低线路上的电能耗损、全面提升电能质量。供电系统按照牵引变电做→AT所→分区所的方式进行配置，可参考图1来理解。在供电系统运行正常的情况下AT全并联供电系统可实现上、下行并联供电，一旦系统中出现供电故障，并联供电的开关断开，实现分列运行，从而避免故障电路对正常分支电路的影响[1]。

第二，保护配置运行方案。关于铁路系统牵引变电所及其附属的各类变配电设备的保护方案，当前已经形成了相应的技术规范，主要可依据《铁路电力牵引供电设计规范》来完成相应的变电所保护配置。牵引变电所的核心设备是变压器和附属线路，其中包括了一次设备和二次设备。具体的保护配置受到变压器电压等级的影响，超过220kv（含220kv）的变压其需采用双重保护，低于这一电压等级时单套保护即可。保护配置主要针对三种类型的故障现象，其一是系统跳闸，其二是信号故障，其三是馈线保护。例如，跳闸时常见的保护动作包括纵联差动保护、Ⅱ段过负荷保护。馈线保护的常见措施为自动重合闸、过电流保护以及电流速断保护。信号故障的主要保护性措施为Ⅰ段过负荷保护。

图1.AT全并联供电方式示意图

（二）母线保护存在的问题及其保护配置方案

1.问题分析

牵引变电所的变压器上设置了数量较多的母线，以金属铜为主要的制造材料，在其表面设置有专门的绝缘保护层，母线在变压器运行的过程中容易出现短路的故障，系统中也为母线设计了保护性措施，主要为低压侧的低压启动过流保护，但这种保护措施并非为母线专门设计，同时在还其他方面发挥着重要的作用。馈线接触发生故障的情况下也会引起低压侧过电流的现象，进而触发低压过电流保护，因而母线短路和馈线接触网故障都属于该保护的控制对象，具体要区分实际的故障因素[2]。由此便造成馈线保护需和低压侧的低压过流保护相互协调，不利于整定工作的时间控制。

2.优化方案

（1）设置母差保护。当母线出现故障之后，需尽快采取措施将故障的母线从系统中切除或者隔离，一方面是要保证处理速度，另一方面是要达到有选择的处理。差动保护的原理在变配电系统的保护设计中发挥着重要的理论作用，可根据这一原理设计专门的母线差动保护方案，这种设计方案的原理基于如下两个方面。①母线作为电流的载体，在运行正常的情况下，母线上的电流流入端和电流流出端的电流强度应该保持一致，如果流出端大于或者小于流入端，表明其中存在故障；②理论上讲母线电流流出端的强度不会超过流入端，电流在母线故障的情况下会进入到大地中。母线差动保护是一种针对母线的专用保护设计方案，可提高处理母线故障的速度。

（2）优化低压启动过流保护。母线短路引发的巨大电流可有效触发低压启动过流保护动作，问题在于该保护措施发生作用的时间较为滞后，原因馈线保护限制了该保护动作的作用时机，二者要实现协调与配合。解决这一问题的思路是优化馈线保护与低压启动过流保护的配合机制， 降低整定时长，提高反应速度。具体方法是在馈线保护中增设2个继电保护，其中一个与低压启动过流保护实现串联，利用继电器的控制作用将馈线保护对低压启动过流保护的制约性降到最低程度[3]。

（三）馈线保护存在的问题及其保护配置方案

1.问题分析

以110kv牵引变电所为例，馈线保护采用单套配置，提供的主保护功能为距离保护，同时还起到了一系列的后备保护作用，典型的如过流保护。当接触网出现故障时可利用馈线保护装置来及时将其切断，防止故障因素对高铁设备产生危害。但馈线保护装置本身也存在一定的故障风险，其保护作用存在失效的风险。馈线保护措施本身也较为复杂，其中存在较多的潜在故障隐患，典型的如程序设置不正确、保护装置受损失效等，当其出现故障之后，整定的效率将大幅受限。

2.优化措施

（1）设置双重保护。在每一路馈线设置一套保护装置的情况下难免会产生保护失效的情况，设计双重相互独立的馈线保护之后将大幅提升了保护措施的可靠性，即使其中的某一路馈线保护出现了故障，另一路还在继续运行，两路保护同时出现故障的可能性非常低。

（2）互为备用。上限的线路设计了一路馈线保护装置，下行的线路同样设计了独立的馈线保护装置，如果上下行分别设计双保护，那么上下行线路就需要设计4路馈线保护，成本上升。可将上行线路的馈线保护和下行线路的馈线保护设计成互为保护，上下行馈线保护同时出现故障的概率也非常低，这是设计互为保护的重要理论基础。

二、牵引变电所的防雷保护

（一）铁路牵引变电所雷击危害分析

铁车在运行过程中通过架空的接触网获得电力能源，而这些架空线路在遭遇雷击的情况下可产生感应电压，并且这种电压值远远超过安全范围，电压可顺着线路入侵到牵引变电所之内。还有一种情况是雷电直接作用在架空线路上，产生瞬时的高电压，这种情况下也存在电压入侵的现象。显然，电压的急剧升高对牵引变电所内的一次和二次设备都会造成严峻的考验，需采取技术措施加以预防。

（二）防雷保护措施

1.设置避雷线

由于架空线路受到雷击影响而产生过电压，因此，预防这一问题的有效技术措施是在变电所附近设置避雷线，这一措施是将线路上的过电压和过电流直接消除在进线端，防止其侵入变电站，通常此类避雷线的范围控制在1km之内。

2.预防感应雷击作用的措施

除了设置避雷线，还需在变电站的进出线位置上设置避雷器，避雷线已经限制了过电压的等级，但有可能存在一定的残压，此时避雷器可进一步发挥作用，限制了残压的电压等级。

3.预防直击雷电侵害的措施

避雷针在预防直击雷侵害方面效果显著，其尖端部位具备一定的放电功能，雷电通常伴随着带电云而形成，避雷针的尖端通过放电作用可有效地中和带电云中的电荷，二者相互作用后可降低雷电的强度，并使其缓慢释放[4]。

三、结束语

铁路供电系统的牵引变电所在运行过程中存在各种类型的故障风险，常见的如过电流、过电压等。为了提高铁路供电系统的可靠性，需对牵引变电所设计专门的保护性措施。在实践过程中发现馈线保护采用单套设计时存在可靠性不足的问题，因而需通过双保护提高可靠性。母线保护可采用母差保护的设计方案，这样可提高母线故障的处理速度。防雷保护要综合运用避雷针、避雷器以及避雷线等技术措施。

参考文献：

[1]施昀岑.牵引变电所防雷保护措施[J].电子技术与软件工程,2017(6):1.

[2]阮小飞,曹亚萍,王旭,等.铁路牵引变电所二次侧设备强电危害分析及防护措施研究[J].铁道通信信号,2020,56(7):4.

[3]周萌,姚俊杰.高铁牵引变电所信息直采直送系统网络安全措施[J].铁路技术创新,2021(3):6.

[4]刘建华.地铁牵引变电所直流框架电压保护频繁报警分析与对策[J].铁路技术创新,2019(6):4.