王占力

摘 要：隨著我國(guó)高速、重載鐵路的迅猛發(fā)展，重載鐵路在交通體系中所處地位的日益提高，保證重載鐵路的安全穩(wěn)定運(yùn)行已成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，而作為其重要環(huán)節(jié)，牽引供電系統(tǒng)的研究更成為了重中之重。本文主要針對(duì)重載鐵路牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)問(wèn)題進(jìn)行分析和討論。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；牽引系統(tǒng)；供電系統(tǒng)；饋線保護(hù)；

供電系統(tǒng)中的變壓器、輸電線路、母線以及用電設(shè)備，一旦發(fā)生故障，迅速而有選擇性的切除故障設(shè)備，是保證供電系統(tǒng)及其設(shè)備安全運(yùn)行最有效的方法之一。切除故障的時(shí)間通常要小到幾十毫秒到幾百毫秒，實(shí)踐證明，只有裝設(shè)在供電系統(tǒng)上的繼電保護(hù)裝置，才有可能完成這個(gè)任務(wù)。

一、重載鐵路牽引供電系統(tǒng)

電力系統(tǒng)提供兩路獨(dú)立電源進(jìn)線，在通過(guò)牽引變電所轉(zhuǎn)變電能后，再送給牽引網(wǎng)，以使電力機(jī)車(chē)能夠取流，然后完成電力牽引，牽引變電所、牽引網(wǎng)和電力機(jī)車(chē)組成了牽引供電系統(tǒng)。

1、牽引變電所、分區(qū)所、AT所

牽引變電所的功能就是把系統(tǒng)引入的高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓的交流電，然后再通過(guò)饋電線送給鐵路沿線的接觸網(wǎng)，向電力機(jī)車(chē)提供電量，因?yàn)闋恳?fù)荷是單相負(fù)荷，為了盡可能將單相負(fù)荷均勻地分配到電力系統(tǒng)三相中去，牽引變壓器常選擇比較特別的接線變壓器，比如斯科特接線、阻抗匹配平衡接線等變壓器。重載鐵路大多采用V/x接線等牽引變壓器。常常在兩個(gè)牽引變電所的供電區(qū)中間設(shè)置分區(qū)所，以使供電更加靈活。

2、牽引網(wǎng)

牽引網(wǎng)是由饋電線、接觸網(wǎng)、回流線組成的多導(dǎo)線供電的回路。

它有很多種供電方式，例如直接供電和帶吸流變壓器（BT）供電、自耦變壓器（AT）供電和全并聯(lián)AT供電方式。其中BT供電由于大地回流和“半段效應(yīng)”其對(duì)通信線路的防護(hù)效果并不理想，同時(shí)由于“吸-回”裝置將接觸網(wǎng)的連接方式變得麻煩，機(jī)車(chē)的受流條件變得更差，所以現(xiàn)在已經(jīng)不經(jīng)常使用了。

（1）直接供電方式。直接供電這種方式相較而言是比較簡(jiǎn)單的，電力機(jī)車(chē)工作所需要的電能是由牽引變電所輸出的電能供給的，這種供電方式就是直接供電方式。它有很多好處，這種方式的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且節(jié)省投資，但是其回路電阻大，供電距離較短。同時(shí)因?yàn)闋恳╇娤到y(tǒng)是單相負(fù)荷的，這種供電方式無(wú)法使其平衡，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響通信線路。

（2）AT供電方式。隨著大功率電力機(jī)車(chē)的不斷投入運(yùn)行，牽引網(wǎng)需要提供更高的電能，為此引入AT供電方式，牽引變電所主變輸出電壓為55kV，經(jīng)AT向接觸網(wǎng)供電，一端接接觸線，另一端接正饋線，其中點(diǎn)抽頭則與鋼軌相連。這種供電方式下，其饋電電壓高，供電能力強(qiáng)，牽引變電所的數(shù)量可以減少，從而節(jié)省投資。而其接觸線和正饋線中的電流近似大小相等方向相反，所以牽引電流對(duì)通信線路的影響較小。目前，我國(guó)的大秦、京秦、鄭武等普速電氣化鐵路線路都采用了AT供電方式。

（3）全并聯(lián)AT供電方式。為了進(jìn)一步提高牽引網(wǎng)電壓，減小牽引網(wǎng)電能損失，采用了牽引網(wǎng)的上下行線路在AT所和分區(qū)所處進(jìn)行并聯(lián)的接線方式。我國(guó)高速、重載鐵路普遍采用全并聯(lián)AT供電方式。這種供電方式下機(jī)車(chē)的負(fù)荷電流由于并聯(lián)支路的存在將會(huì)有多個(gè)供電回路，使?fàn)恳W(wǎng)的電阻值降低了，并且使?fàn)恳W(wǎng)的供電能力增加了，但是在牽引網(wǎng)故障時(shí)，同樣存在多個(gè)回路給短路點(diǎn)供電，使故障分析更加復(fù)雜，同時(shí)使其繼電保護(hù)與普速鐵路時(shí)有很大不同。

3、電力機(jī)車(chē)負(fù)荷

電力機(jī)車(chē)按照牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)的不同可以分為直流電力機(jī)車(chē)（又稱交-直電力機(jī)車(chē)）和交流電力機(jī)車(chē)（又稱交-直-交電力機(jī)車(chē)）。在普速鐵路中通常采用交-直電力機(jī)車(chē)，而在高速、重載鐵路中全部采用交-直-交電力機(jī)車(chē)。兩種機(jī)車(chē)由于采用的整流電路不同，使得其諧波成分、功率因數(shù)等有很大區(qū)別，進(jìn)而對(duì)其繼電保護(hù)產(chǎn)生影響。

二、重載鐵路牽引供電系統(tǒng)饋線保護(hù)

1、大電流脫扣保護(hù)

當(dāng)電流超過(guò)整定門(mén)限，并達(dá)到規(guī)定的延時(shí)時(shí)立即跳閘。直流短路的特點(diǎn)是電流快速上升， 保護(hù)在短路電流到達(dá)峰值前觸發(fā)斷路器跳閘。對(duì)于電流上升非常快的近端短路，大電流脫扣保護(hù)往往先于電流速斷保護(hù)動(dòng)作。

動(dòng)作電流Idz的整定：

Idz=kIdmin

式中：k―可靠 系數(shù)，一般取1.5左右；Idmin―最小的短路電流值。

大電流脫扣保護(hù)的整定依據(jù)主要是短路電流值和最大饋線電流值。以牽引整流機(jī)組容量為 3000kW 的直流 1500V 牽引供電系統(tǒng)為例，其遠(yuǎn)端短路電流一般不低于 20kA，最大饋線電流一般不超過(guò) 3kA，而大電流脫扣保護(hù)整定范圍一般為4～12kA，整定值通常在 6kA 以上。

2、過(guò)流保護(hù)

可作為上述兩種保護(hù)的后備保護(hù)。在保護(hù)控制單元預(yù)先整定電流Imax值和時(shí)間T值。當(dāng)通過(guò)直流饋線短路的電流值在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間T內(nèi)超過(guò)Imax值時(shí)，過(guò)流保護(hù)裝置動(dòng)作使直流饋線斷路器跳閘來(lái)清除故障。顯然，Imax值應(yīng)小于大電流脫扣保護(hù)裝置動(dòng)作值Idz。對(duì)于Imax值的設(shè)定，可分別設(shè)定正反方向的Imax+值和Imax-值。當(dāng)機(jī)車(chē)處于再生狀態(tài)或當(dāng)?shù)貭恳冸娝鳈C(jī)組退出運(yùn)行，所內(nèi)直流饋線被用于直流越區(qū)供電回路時(shí)，如果線路發(fā)生故障，會(huì)有反向電流通過(guò)直流饋線斷路器，反向過(guò)流保護(hù)用于檢測(cè)并清除該故障。

3、接觸網(wǎng)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)

該保護(hù)作為電流上升率保護(hù)的輔助保護(hù)，當(dāng)直流線路處于過(guò)負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，即使沒(méi)有任何短路故障發(fā)生，接觸線或進(jìn)線電纜的溫度也會(huì)上升，當(dāng)熱過(guò)負(fù)荷電流流過(guò)時(shí)，該電流雖不至引起巨大的破壞，但此電流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)了，其產(chǎn)生的熱量會(huì)超過(guò)某些薄弱設(shè)備所允許的發(fā)熱量，引起這些設(shè)備不同程度的損壞。

接觸網(wǎng)熱過(guò)負(fù)荷保護(hù)主要是根據(jù)接觸網(wǎng)的電阻率、電阻率修正系數(shù)、長(zhǎng)度、橫截面積、電流，計(jì)算出接觸網(wǎng)的發(fā)熱量，再根據(jù)接觸網(wǎng)和空氣的比熱等熱負(fù)荷特性及通風(fēng)量等環(huán)境條件，由經(jīng)驗(yàn)公式給出接觸網(wǎng)的電纜溫度。當(dāng)測(cè)量的電纜溫度超出規(guī)定值便發(fā)出報(bào)警，跳閘命令，從而達(dá)到保護(hù)接觸網(wǎng)的目的。

該保護(hù)的對(duì)象是接觸網(wǎng)。接觸線有其自身固有的熱特性，是一條以電流為變量的反時(shí)限曲線。這就要求保護(hù)裝置整定的曲線與接觸線的固有曲線進(jìn)行配合。同時(shí)，保護(hù)裝置的整定曲線還應(yīng)與饋線的電流保護(hù)進(jìn)行配合。

結(jié)束語(yǔ)

重載鐵路牽引供電系統(tǒng)的可靠性涉及設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理等多個(gè)環(huán)節(jié)，牽引供電系統(tǒng)配置的饋線保護(hù)，基本上能夠快速、準(zhǔn)確切除大多數(shù)短路故障。為了確保重載鐵路牽引供電系統(tǒng)管理的科學(xué)化，必須要綜合采用采取多元化的牽引供電數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、供電正常狀態(tài)下的綜合評(píng)價(jià)技術(shù)，以更好的確保重載鐵路穩(wěn)健、安全運(yùn)行。

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