高铁牵引网继电保护与动车组的配合

陈国宝

摘要：动车组作为高速铁路网的供电对象，其电流特性及其自身的继电保护直接影响高铁继电保护的设置。当前，铁路供电专业尚未完全掌握高速动车组的电流特性及内部保护设置，也未对两者的配合进行深入研究。基于此，本文分析了高铁牵引网继电保护与动车组的配合。

关键词：牵引网;继电保护;动车组;配合

一、继电保护

1、线路保护

1）电力系统线路保护。因全线速动的需要，电力系统需采用光纤传输通道来保护220kV以上电压下的电流，该保护也称为光差保护。当故障发生时，这种系统保护能及时切断该区域内故障系统。与牵引网相比，两者有很大的差异。在牵引网负载下，动车在其区域内沿线路移动。当采用差动保护时，产生的差动电流是所有电流的总和，差动保护期间，电流需避开最大负载。

2）牵引网保护

①距离保护。普通电气化铁路依靠距离保护对牵引变电所母线进行监测，与牵引网本身阻抗相比，电压与电路电流比值是判断线路是否故障的一个因素，依靠距离保护防止保护在负载电流下出现故障。

②过电流保护。牵引网供电、继电保护方式不同，过电流保护可采取1～3段配置方式，并采用励磁涌流闭锁保护。

③电流增量保护。该方法能在短期内根据电流变化判断实际情况。通常，牵引网电流增量不超过固定值;故障发生后，电流将急剧增加并产生过大电流流量。

④变压器保护。动车组系统的关键设备是变压器，其继电保护对车辆的正常运行起着重要作用。当变压器故障和负荷过大时，会发生过负荷故障，影响牵引网供电系统。主、后备保护能有效保证变压器退出运行及其安全。

2、变压器保护。电压器是系统中关键设备，其继电保护直接影响供电设备的稳定性。变压器通常为差动保护，会受到不平衡电流的影响。防止差动保护误动的关键是有效区分励磁涌流和TA饱和。许多研究者也基于此加强了研究，励磁识别方法包括二次谐波制动原理，通过判断差动电流和基波比值判断设备故障。

除变压器主保护外，还需后备保护，以防止外部短路影响电压器。同时，采用差动保护，确保后备保护。电力系统中，复合电压常用作后备保护。牵引负荷为单相负荷，在系统运行中产生复合电压，引起过电流保护误动。因我国不以复合电压作为判断依据，而采用低压启动过电流保护作为实际保护。然而，由于高铁使用的牵引变压器容量超过220kV，因此电阻增大。在低电压下，元件将拒动，因而其保护是对现有保护方式进行改进或采用其他方法。

二、标准规范及应用情况

1、标准规范。我国高铁牵引网继电保护设计主要依据《高速铁路设计规范》和《铁路电力牵引供电设计规范》，其是综合性规范，对牵引供电系统继电保护的规定不够详细，牵引网继电保护与动车组的配合要求为：①《铁路电力牵引供电设计规范》要求“牵引供电系统的各级保护、馈线和电力机车或电动车组内部保护应相互配合”。②《高速铁路设计规范》中未提及牵引网继电保护与动车组配合问题。

2、应用情况。实际应用中，高铁牵引网继电保护与动车组的配合为：①短延时保护和动车组保护的时间配合。考虑到牵引网短延时保护与动车组保护的时间配合，可避免动车组内部故障时牵引网保护先动作。在铁路牵引网保护中，电流速断保护及距离Ⅰ段保护是延时最短的保护，通常需考虑其与动车组内部保护的配合。调查发现，在以往项目中，两种保护所取动作时限并不完全一致。例如，在京津城际中，两个保护无延时，而国内设计的其他项目大多数动作时限为0.1s，部分为0.06s。②电流增量保护和动车组电流的配合。电流增量保护是通过判断牵引网电流的突变来判定故障的发生，整定时间应避免在运行条件下对保护的误判，整定值应考虑避免运行中动车组取流带来的电流突变。实际应用中，因未参考动车组实际电流变化特性，电流增量保护的动作电流采用经验值，为动车组额定电流的0.3～1.1倍。

三、动车组相关资料

通过对动车组的调研，收集到的与牵引网保护有关的动车组资料包括以下内容：

1、动车组内的保护延时。动车组内部保护包括电压、电流保护。其中，电压保护分为过压保、低压保护，过压保护与牵引网保护无配合;当低压保护网压小于16.5kV时，瞬时封锁变流器触发脉冲，封锁时间为μs级。电流保护分为无延时速断保护及有延时过电流保护，过电流保护延时为0.5s。

2、动车组断路器固有分闸时间。根据各车型采用的断路器不同，动车组断路器固有分闸时间分为40、60、90ms。

3、动车组取流引起的电流变化率。调查表明，动车组牵引变流器采用电流变化率控制策略，在启动、过分相、再生等工况下，牵引变流器电流从零到额定电流的变化过程控制在1～2s内完成，在此过程中，电流呈线性缓慢变化。

四、牵引网继电保护与动车组配合

1、保护动作时间配合

①当车载变压器高压侧发生短路时。当动车组变压器高压侧发生短路时，变电站馈线电流较大，故障在牵引网短延时保护的保护范围内，此时需考虑短延时保护与动车组内部保护间的配合。

对于固有分闸时间为90ms动车组断路器，加上保护装置响应时间，动车组内部故障切除时间超过0.1s，现有牵引网短延时保护0.1s延时不能实现与动车组内部保护配合，需将其增加到0.15s，以实现两者的选择性。对于固有分闸时间为40ms、60ms的断路器，保护装置的响应时间按相对宽松的20ms考虑，动车组内部高压侧故障的切除时间基本上可保证在0.1s内，牵引网短延时保护的0.1s延时可实现与动车组内部保护的配合。

②当车载变压器低压侧发生短路时。当动车组变压器低压侧发生短路时，折算到变压器高压侧的最大短路电流约为1000A，短路阻抗也较大，该短路不会引起内部电流速断保护、距离保护和过电流保护动作，因此不考虑其配合。

当动车组车载变压器低压侧短路时，短路电流带来的电流增量可达到电流增量保护的动作门槛，应考虑电流增量保护与动车组内部保护的配合。根据动车组资料，动车组内部过电流保护延时为0.5s，加上保护装置（20ms）及车载断路器的固有响应时间（40～90ms），即此时动车组断路器切除故障的最长时间为0.61s。电流增量保护的延时不应小于0.7s，以配合动车组内部保护。

2、电流增量保护和动车组电流的配合。电流增量保护值均为电流基波有效值差值，计算电流有效值时间窗口为1个周期，的两个电流有效值相差2周波。因此，研究动车组电流增量特性的关键是弄清动车组在2周波内的电流增量。

从动车组资料来看，动车组电流从零上升到额定电流过程在1～2s内呈线性变化。根据长编组动车组电流最大额定计算，每2计算的平均电流增量最大约为40A。与当前使用的数百至数千A整定值相比，其电流变化量几乎可忽略，动车组正常取流不会引起电流增量保护误动。

另外，部分动作值小的电流增量保护误动疑与离线受电弓有关。根据动车组对低电压的响应，理论上有一定概率，因此当受电弓小离线（离线时间小于10ms）时，车载牵引变流器不封锁脉冲，导致牵引取流突变。此时，动车组电流最大变化幅度不超过图1所示范围，图中电流幅度为动车组额定电流。此時，可计算出2周波电流有效值变化量约为动车组额定电流的0.3倍。因而，牵引网电流增量保护宜取较小动作值，可为动车组额定电流的0.5倍，以提高保护灵敏度。

总之，国内高速铁路采用电力牵引，牵引网供电系统显得更为重要。我国高铁继续采用原有的保护配置，难以满足当前动车牵引供电系统的要求。因此，有必要继续加强牵引网继电保护的研究。

参考文献：

[1]单鑫升.牵引网继电保护与动车组配合分析[J].中国科技纵横，2020（23）.

[2]王纯伟.高铁牵引网继电保护与动车组的配合[J].电气化铁道，20201（s1）.