基于高速铁路牵引供电系统继电保护分析

基于高速铁路牵引供电系统继电保护分析

姚仲朝,毕春阳,平瑶,祖越 ,范景雨

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：近年来中国铁路建设事业的发展速度加快，装备配置水平全面提升。目前，中国铁路网“四纵四横”已实现全面建成，“八纵八横”高速铁路网正着力构建，铁路网运营质量也获得了显著提高。铁路供电系统是维持高铁正常运营的重要一环，供电故障将严重影响列车运行秩序。牵引供电系统中的继电保护装置是确保高速铁路可靠运行的重要设备之一，其合理的设计为该线路供电的可靠、安全、经济运行提供了保障。

关键词：高速铁路；牵引供电系统；继电保护

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。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。当出现故障时，相应的继电保护装置应及时采取有效措施切除故障，确保牵引供电系统及时恢复正常工作、安全可靠的运行。

一、高速铁路牵引供电系统继电保护的内容

所谓继电保护，简单来说就是当牵引供电系统出现运行故障时，系统应对故障的一种自动化举措。伴随我国牵引供电系统的优化，继电保护装置俨然成了这一系统中不可或缺的重要组成部分。目前常见的继电保护装置大都有自动重合闸、微机继电保护、三段距离保护以及变压器保护四种，差别继电保护方式适用条件的侧重也存有一定差异。以自动重合闸继电保护为例，这一继电保护方式比较常用于容易出现暂时性故障（如雷击等）的系统中，这一继电保护装置能在继电保护装置跳闸一段时间后将断开的断路重新打开，进而达到恢复供电、解决断路问题的状况。

二、高速铁路牵引供电系统继电保护的作用

安全作为高速铁路这一民生基础设施建设的核心，只有保障高速铁路的安全、稳定运行才能保障铁路能更好地服务于人民，基于此，在高速铁路牵引供电系统继电保护的环节，这一保护的作用大都集中表现在下述3方面：

（一）能及时发现系统中隐藏的异常项，提高检修维护准确性

由于高速铁路牵引供电系统比较复杂，所以一旦这一系统出现问题，在没有继电保护的前提下工作人员就需要对这一系统作出详细的检查，才能发现系统中存在的各种异常，延误修复、维护系统的最佳时机，致使无法挽回的损失；基于这一问题，当牵引供电系统中加设继电保护时，继电保护装置就能及时发现系统中出现的异常，并将异常区域进行标准，进而提升工作人员检修、维护系统的有效性，降低系统故障对高速铁路运行产生的影响。

（二）能实时反馈系统运行的状态，规避可能出现的各种问题

虽然我国有关高速铁路牵引供电系统的研究已经持续了几十年，这一系统的完善度已经获得了较大程度的提升，然而这一系统在实际运行中难免会产生各种各样的问题。基于此，系统中应用继电保护的价值就表现了出来，继电保护装置能将系统运行的实际情况实时的反馈给操作人员，进而帮助工作人员更精准的发现系统运行中可能会存有问题的部分，为后续提高整个系统运行的安全、稳定提供参考。

（三）能完成对系统的远程操控，为系统自动化运行提供依据

随着自动化、智能化技术在高速铁路运行中的普及，推动牵引供电系统的自动化也就成了这一系统发展的必然趋势。基于此，牵引供电系统中继电保护的应用也能促进自动化、智能化技术在这一系统中的运行，让工作人员远程操控这一系统成为可能。

三、高速铁路牵引供电系统继电保护的优化措施

（一）重视继电保护管理工作

只有在源头上重视了这一工作，才能确保继电保护在这一系统中的有效落实。比如，在后续牵引供电系统继电保护的过程中，管理人员应结合牵引供电系统运行的情况，设计能保证继电保护工作落实的规章制度，以此保证系统中继电保护工作的落实，发挥这一工作的成效。

（二）完善继电保护数据搜集

在大数据技术发展的背景下，单一开展实践层面的继电保护工作是不够的，所以，在后续优化牵引供电系统继电保护工作时，管理者也应注重对系统工作相关数据搜集的工作，只有如此才能为后续这一系统继电保护的优化供给参考数据，实现推动牵引供电系统继电保护工作发展的目的。

（三）优化继电保护设计方案

除以上两方面能优化高速铁路牵引供电系统继电保护的举措外，管理者们最好还要将现有牵引供电系统的继电保护方案做出优化，由此提升继电保护方案与系统运行需求间的匹配度，从中提升这一继电保护的效果。比如，在优化继电保护工作时，管理者可尝试将纵联差动作为牵引供电系统继电保护的主保护装置，将电流保护作为这一系统继电保护的后备保护装置，以此提高系统继电保护的选择性和时效性，从中实现提高系统继电保护效果的目的。同时，管理者还可以尝试将分相电流差动保护设计为系统的主保护，以此提高这一系统继电保护的灵敏度。

四、牵引供电系统继电保护微机保护装置硬件设计及分析

（一）数据采集模块

装置采用XILINX的FPGA实现模拟量采集，通过总线接口与CPU通信，实现模拟量的采集和上送，对模拟量通道最多的牵引变压器保护装置有：高压侧三相电压、三相电流、低压侧T1\T2，F1\F2相电流相电压，共14路，其它保护测控装置的模拟量通道较少，可参考此方案，本设计选用ADI公司的2片8通道的AD芯片，该芯片支持双极性输入、多通道同时采样，采样频率可达200K，采用96点/周波，采样频率为4.8K，满足要求。在采样模块设计时需要考虑有：1）AD芯片如何实现自检，通过给定AD芯片指定通道一个固定电压比如5V，每次采样数据都判断该通道采样值是否在指定范围内，来确定AD芯片是否在正常工作；2）模拟输入回路的滤波措施，采用二阶RC低通滤波，滤除高频干扰信号，同时通过TVS管将各通道的输入信号限幅在有限范围内，以防止损坏后端AD芯片及其它电路；3）通过实际抗干扰测试在电路板的敏感及有效泄放点增加对地滤波电容，泄放干扰信号；4）输入通道互感器的抗干扰能力，选择具有屏蔽功能的互感器，以防止互感器产生或者受到空间干扰，同时，互感器的初级和次级的绝缘要达到3KV及以上；5）通过电磁兼容项目自测试，优化电路板走线、选择最优干扰泄放点，尤其是浪涌、快速瞬变等抗干扰能力测试，确保采集数据的可靠性。

（二）开入开出模块

根据装置类型不同，可选择配置1个或者多个开入、开出模块，1个全开入模块，提供30路开入量，1个全开出模块，提供16路开出量。开入量以DC220V/110V的强电形式进入装置，进入装置后都通过光耦进行光电隔离，开出量以继电器空接点形式输出，开入开出模块均采用16位ARM微处理器实现，与DSP之间采用CAN总线进行数据交换。开入开出模块设计时需要考虑：（1）强电与弱电回路的隔离措施，每个回路采用光-电隔离方式，隔离电压达3750V,完全避免强电串扰进入后端弱电回路；（2）强电回路长时间工作的功耗及散热考虑，尤其是单插件多达30路开入而且长时间工作；（3）强电回路信号有效范围，由于外部信号经常存在一定的干扰，个别回路有时高达几十伏，回路设计时要考虑输入信号的启动范围，依据相关标准为55%-70%的额定范围，比如为110VDC的开入信号时启动电压范围为60.5-77V，通过设计保证低于60.5V的干扰信号是无效信号；（4）开入开出模块的抗干扰能力，优化电路板走线、选择最优干扰泄放点，尤其是浪涌、冲击电压等测试，确保开入开出模块可靠工作；（5）开出回路的自检功能设计，确认开出信号真实有效，才能保证装置的保护功能可靠动作时，所以需要对开出信号进行自检，在板内设计了开出信号反馈回路，定时自检，并形成自检报告；（6）针对位置监视回路，由于存在长时间通电，需要注意回路的功耗及散热以及对周边元器件的影响；（7）针对非电量回路，由于非电量故障动作于直接跳闸，所以必须要防止误动作，而非电量信号连接的电缆由于耦合等原因造成电容电流较大，还有直接串入交流信号而导致误动作的事故也存在，这里设计了一种能防止：串入交流信号不误动作、直流有效信号在指定的55%的额定电压范围以下不动作、在70%的额定以上能可靠动作的电路，确保非电量回路的可靠动作于跳闸。

五、结语

总而言之，现阶段高速铁路全部实行电力牵引，作为源动力的牵引供电系统的作用更为凸显。基于我国高速铁路发展时间短、发展速度快，因此，应对高速铁路牵引供电系统的继电保护进行持续深入研究，既响应现场实际需求，同时也具有重要的社会经济价值。

参考文献：

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