电气化铁路牵引变电所馈线保护功能分析

【摘要】随着我国经济水平的不断提高，高速电气化铁路的建设给人们的生活带来了巨大的便利。为了确保电气化铁路运行的平稳性与安全性，相关人员就要对为高速铁路提供电能的牵引变电所的馈线进行运营维护工作。本论文就在此基础上结合有关电气化铁路建设的文献以及本人在电气化铁路的运行过程中的工作经验对牵引变电所馈线在运行中遇到的故障问题进行分析，再重点对其的保护措施在实际运用中的功能作深入分析。

【关键词】电气化铁路;牵引变电所;馈线故障;保护功能

在电气化铁路中牵引变电所是牵引供电系统中重要的组成部分。因此，相关人员一定要做好对牵引变电所馈线的保护工作，确保其性能良好及安全运行。一般牵引变电所的保护系统是由以下几个部分组成的：变压器主保护、变压器后备保护、馈线保护及其他一次设备的具体保护组成的。而在其中，最具有不稳定性质的馈线在条件极差的铁道环境中更易产生故障问题，这会导致整个牵引供电系统的运转困难，从而对电气化铁路的安全运行带来影响。因此，相关人员重点要对馈线的正常供电实施保护工作。

一、牵引变电所馈线故障问题的有关分析

1.1馈线故障的简要介绍

接触网出现故障是在电气化铁路牵引变电所中最常遇到的问题之一，也是发生频率最高、范围最广的一种故障。随着电气化铁路的发展，特别是高速客运专线的建设运行对电能的需求与质量的要求越来越高，馈线故障就亟待解决，对馈线继电保护的功能就需要越加完善、准确，不然就会影响牵引变电所供电系统的正常运转。

对于馈线故障的处理技术经过了三个不同的阶段，分别是：人工式馈线处理阶段、分布式馈线处理阶段以及集中式馈线处理故障阶段。研究人员对这三种不同阶段的处理方式进行了大量的试验后指出分布式馈线处理方式是最基本的解决馈线故障问题的方法。

1.2馈线故障的原因分析

馈线故障是归属于接触网故障又称短路故障中的一种典型的故障类型，其发生的频率高，范围广泛。在2013年3月9日13：16左右，京广高铁定州东站的牵引变电所211#、212#的馈线发生跳闸现象，经过相关人员的整体故障排查后进行了手动合闸操作，结果合闸失败。随即在13：29分，相关人员从开展供电调度工作，将定州东站的牵引变电所的F线撤下，给予T线供电成功。接着在3月10日凌晨左右，相关人员对天窗内的基础设备进行检修时发现，在保定东至定州东站的跨中处F线与PW线有灼伤的痕迹。对此，有关人员召集所有设计工程师开会对此问题进行研讨，经过细致的现场排查与检修工作以及在查阅了借鉴了国内外著名的有关著作后，这起馈线灼烧事故的主要故障原因是受当时强风天气的影响，F线与PW线发生放电现象，这次放电主要的原因是在F线与PW线对向下锚柱处，其之间的动态安全距离小于规定的300mm。

仔细分析以上的京广高铁的牵引变电所馈线发生故障的典型案例后，我们大致可以得出易引起馈线发生故障现象的原因主要有以下两种因素：

1.2.1客观原因

由于接触网长期暴露于空气中，受到空气中的阳光、大气、微粒子等漂浮杂质的影响，其稳定性不强的绝缘层就会产生故障现象，间接就会导致接触网馈线产生短路故障，进一步会对接触网的馈线部分产生一定的安全损害。虽然这种故障问题的发生率极高，但是由于其本身对整体供电系统所构成的安全危害性较少，因此，只要相关人员积极采取处理措施，就可以避免此类问题的发生。

1.2.2主观原因

这里所指的主观原因大致可以概括为牵引变电所本身的性能不完善、设计人员设计的不合理以及科学供电技术的不完善这三个方面。在电气化铁路中牵引变电所是一种把区域电力系统送来的电能通过牵引变压器将220kV的电压降至27.5kV，再输送到铁路上的接触网，为电力机车提供电力来源的电力设施，其本身由于科学技术的不完善，以及在铁路干线的分布与设置布局上面没有做到结合实际地质情况等特点，使得牵引变电所的设置与布局不够合理等从而导致变电所里的馈线产生不同的故障问题。

二、牵引变电所馈线保护功能的深入研究

现如今，只有积极的采取合理的方式去完善牵引变电所供电系统中的馈线保护装置，使其能正常地在实际应用中发挥其应有的性能，这样才能促进我国的电气化铁路的高效运行与快速发展。下面就主要分析在日常操作中应用最广泛，解决馈线故障问题的两种可行方法，并对馈线保护提出了完善策略。

2.1距离保护措施的原理及应用分析

为了能够检测出被测试线路的电压与线路电流的比例大小，从而更好的去解决馈线故障，我们就要采取这种叫距离保护的方式。距离保护措施是由启动元件、方向元件，阻抗元件、时间元件与出口元件这四个部分组成。在距离保护措施中还有一个元件也很重要，它就是阻抗继电器，其通常都是单相式的，其可以在继电器内只加入一个电压u与一个电流i，而在这继电器中电压u与电流i的比值就叫做继电器的测量阻抗值Zm。通常的测量阻抗可表示为：。一般的阻抗继电器可以分为以下三类：

（1）圆特性阻抗继电器

在其中最常见的就是全阻抗继电器，它是一个以坐标原点为圆心，以阻抗值的绝对值为半径的一个圆形，在圆内区域为保护区，圆外为非保护区。在保护区内工作的表达式为。只要测量阻抗机器在保护区内，那么继电器就在工作状态，从而达到保护馈线的作用。

（2）方向阻抗继电器

在方向阻抗继电器中的圆形构建就不同于圆特性的阻抗继电器，其是以一个阻抗值的绝对值为直径并且通过坐标原点的圆，同理圆内保护，且保护的动作具有一定的方向性。其特点在于对于加入到阻抗继电器中的电压与电流会产生相应的变化，致使其的动作阻抗就会不同。

（3）偏移特性阻抗继电器

此种类型的阻抗继电器是介于上述两种阻抗继电器性能之间的一种，其的动作特性发生了向右偏移了一个量的改变。其的特性圆的组成方式也会有所不同。

分析完不同类型的阻抗继电器后，通过图1距离保护措施的原理示意图，我们可以设阻抗继电器的使用电压为Uop=Um-ImZset，这里的Zset是指在馈线中要保护的区域的阻抗值。由此得知，在馈线的保护区域内出现短路的故障，电压小于0，如果在馈线的保护区域外出现短路的故障，那么电压就会大于0.当整体电压值大于测量阻抗值时，这就表明此时变电所处于保护馈线的状态。

图1 距离保护措施的原理示意图

在分析距离保护时限的特性时，我们可以借鉴参考三段式保护电流的时限设定。距离保护的时限配合是馈线进行防护工作的首要选择措施：

例如在新丰镇铁路牵引变电所，其采用了国内目前最先进的综合自动化设备，其中设有18条不同区域不同方向的馈线传输电能，在有一次使用过程中由于受到了外界环境的影响，绝缘层发生了故障，导致其供电系统整个瘫痪，在经过专业人员的仔细排查与分析后，采取增加电流的方法使得测量阻抗值逐步增大，起到了对馈线的保护作用。由于其反应的电压与电流值较直观，明显，又便于测量，测量结果又较为精确，因此，人们多采取这种距离保护措施去解决馈线故障的问题。

2.2自适应距离保护措施应用分析

在对自适应距离的保护措施进行试验时我们采用的是综合谐波含量，利用新的数学定义式对测量阻抗值进行了细致的计算，由于供电系统的电力机车中含有丰富的奇次谐波能量，所以测量出的谐波阻抗值如果功率大于整定值，那么就表示自动收缩继电器的功能处于边界状态，如果测量出的阻抗值大于整定值，在遇到馈线发生短路问题时，一定量的谐波能量也会在短路的线路中存在，这时将短路线路的综合谐波含量定位一个参数，将测量出的阻抗值与这个定值参数进行比较分析，当阻抗值小于这个综合谐波含量值时就表明此刻保护装置应减少或停止对于边界的收缩。由于自适应距离保护措施设计到不同领域的专业知识以及其需要利用不同的数学与物理公式进行试验与计算，在一般的实际操作中，专业人员还是更青睐于使用距离保护措施来提高牵引变电站馈线的防御性能。

当检测到的二次谐波含量超过整定值时，会闭锁距离保护：

其中：KYL为二次谐波含量整定值。

・动作特性实现

当检测到的综合谐波含量超过整定值时，会对距离保护抑制：

其中： =（I2+I3+I5）/I1;

I1、I2、I3、I5―分别为基波、二次、三次、五次谐波分量;

Kh─谐波抑制加权系数;

Rh、Xh―分别为考虑谐波抑制后的电阻和电抗。

在馈线装置中应用自适应距离保护措施时要注意对于平台要使用适合的工作速率，尽量避免使其达到限制速度，在保护装置上要采用1.2k/s的采样速度。通过对于sin与cos的滤波器的幅频图表的分析得知，sin的保护装置对于高速率的频率相比于cos的保护装置的抑制能力更好，而cos的保护装置对于直流电源的抑制作用要更好，各有各的优点。但是根据各方面综合来看，在电气化铁路的牵引变电所中对于馈线装置的保护选择cos保护装置是最好的，主要是因为cos保护装置抑制的直流电源对测距的影响较大，这就可以减少馈线在使用中所受的损害。而高频分量的成分少，对馈线的损害也就减少。

2.3 馈线保护的后续措施完善

在对馈线进行以距离保护为主导方式的保护工作后，还需要通过其他的方式来做好对馈线保护功能以及系统的完善。这里的完善后续措施主要有：配置线路电流增量保护、电流速断保护以及馈线过负荷保护等。其中最常见的也是最易操作的就是电流速断的方式，在图2的人工式馈线故障处理图中，我们可以看到在变电站M的后部位置有速断装置，在变电站的电能经过这速断装置的处理后就会通过线路的电流方向传输电能，这样也是在对牵引变电所的馈线起到了保护作用。

图2 人工式馈线故障处理技术示意图

三、结语

在经过长期的应用后，距离保护措施在解决馈线故障方面可行性最好。因此，作者建议相关人员积极采取距离保护等措施去解决馈线故障的问题，并积极采取电流增量、电流速断、馈线过负荷保护等后续措施去完善馈线保护措施，这样才能更好的解决馈线故障问题，进一步推进我国的牵引变电所供电系统能够更好的为不同区域的不同用户服务。

参考文献：

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