电铁供电线路继电保护整定原则及分析

时间：2024-07-28

李炜

(湖南省电力公司调度通信局，湖南长沙 410007)

电气化铁路运输为采用电力网供电、电力机车驱动的大量物资与旅客的运输系统。电气化铁路以其牵引力大、速度快、能耗低、效率高、污染小、对环境友好等优越性在世界各发达国家得到快速发展。到2012年，我国将建成“四纵四横”高速铁路网，建成客运专线42条，总里程1.3万km，其中速度250 km/h的线路5 000 km、速度350 km/h的线路8 000 km。到2012年，国网公司经营区域内电气化铁路牵引站将超过1 000座，在2008年基础上翻番。仅客运专线网就需新增230多座牵引站，其中大多数需要采用220 kV电压等级供电。

截至2009年底，湖南省境内已投产电气化铁路7条，分别是京广铁路、湘黔铁路、枝柳铁路、渝怀铁路、浙赣铁路、武广高铁、洛张铁路。

武广铁路客运专线是京广铁路客运专线的一部分。线路经湖北省咸宁市西侧，沿京珠高速公路南行进入湖南省境内，途经岳阳市、长沙市、株洲市、衡阳市、郴州市后进入广东省境内。武广客运专线湖南境内长518.5 km，新建梅子、先锋、坦渡、塝上、经塘、边山、师古、松山、豪坡、用口、董家11座高速铁路牵引变电站，目前已经投产运营。

1 电气化铁路运行特性及电气特征

1.1 电气化铁路的特性

电气化铁路牵引负荷是一种特殊负荷，具有不对称性、非线性、冲击性，短时集中负荷特征明显，越区供电能力要求高，负序谐波特性明显等显著特点。电气化铁路牵引供电系统是一个非常庞大而复杂的系统，包括牵引变、接触网、电力机车等很多部分，每部分又呈现复杂多样的特点。这些使得配套供电工程的方案设计不同于普通供电工程的方案设计，设计更加复杂，对供电技术提出了更高标准，协调工作量更大。对于速度160 km/h，牵引重量为1 000 t，所需的列车牵引功率为4 600 kW;速度提高到250 km/h，牵引重量仍为1 000 t时，列车牵引功率达到13 300 kW，速度提高0.6倍，牵引功率增加1.9倍;高速铁路设计最高速度350 km/h，列车牵引功率将达到24 800 kW，速度提高1.2倍，牵引功率则提高4.4倍。对于万吨重载列车、设计速度100 km/h时，牵引功率达到28 000 kW，重载铁路牵引功率还稍大于高速铁路的牵引功率。

1.2 湖南电网220 kV电气化铁路一次接线及电气特征

湖南电网采用2回三相输电线路接人系统，电铁牵引站的典型接线如图1。图1中所示为示意接线，系统变电所母线为双母，本图仅表示单母，牵引站内部为采用2台单相变压器组成V/V结线。

这种2台单相变压器组成V/V结线不同于以前采用的单相接线的电铁牵引变压器，两者的电气量分析也不同。如图2所示。

图1 电铁牵引站典型一次接线

图2 单相变压器和V/V接线变压器的电气量特征分析

从图2可以看出，对于单相接线的牵引变压器而言，由于电铁牵引变的低压侧电压等级为55 kV，高压侧的电压等级为220 kV，即高、低压侧的电压比为4∶1，所以存在如下电气关系:

高压侧三相电流为

低压侧电流和高压侧电流之间的关系为

即:

对于V/V接线的牵引变压器而言，其高低压侧电流存在如下的关联关系:

即:

2 供电线路保护配置情况及整定原则

2.1 220 kV电气化铁路供电线路保护配置

(1)电铁供电线路的保护按单线送终端方式考虑，即仅在系统变电所侧配置微机距离、零序保护装置，线路在电铁牵引站侧不配置任何保护。

(2)线路保护采取三相跳闸方式，重合闸功能退出。

(3)电铁供电线路系统侧不考虑旁路代。

(4)距离保护不需经振荡闭锁。

2.2 220 kV电气化铁路供电线路保护整定原则

由于电铁牵引站侧的变压器保护等属于铁路部门的整定范围，所以仅需整定线路保护。针对湖南电网首次出现的220 kV电气化铁路供电线路，特制定了如下统一规范的整定原则。

(1)距离保护 (包括相间距离保护和接地距离保护)Ⅰ段，Ⅱ段，Ⅲ段均伸到电铁变压器内，但不伸出变压器低压侧母线处。其中距离保护Ⅰ段按照对本线路全长有1.5倍的灵敏度整定，延时0 s;距离保护Ⅱ段按照对本线路全长有2倍以上的灵敏度整定，延时1.2 s;距离保护Ⅲ段按照对本线路全长有3倍以上的灵敏度整定，延时1.5 s。

目前220 kV电气化铁路供电线路无全线速动保护，因此考虑将距离保护Ⅰ段延伸至牵引变压器内部，但是不超出牵引变压器的低压侧，这样一方面可以保证线路上任何一点故障有无延时段保护，即距离Ⅰ段保护动作切除故障，另一方面可以避免牵引变压器低压侧故障引起线路保护越级跳闸。电铁线路一般较短，其阻抗比牵引变压器的阻抗小许多，距离保护Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ段的灵敏度按一般性原则整定，距离保护Ⅱ，Ⅲ段的延时则考虑与牵引变高压侧后备保护配合 (铁路部门提供了统一的时限)。

(2)电铁出线退出重合闸，所有保护段均采用三跳原则，三相启动失灵。

由于V/V结线的牵引变压器不允许存在非全相运行状态，所以对于电铁线路只能三相跳闸，而不能沿用湖南电网220 kV主网一直采用的单跳单重的运行方式。对于电铁线路是否投入重合闸，当时存在多种考虑。由于电铁线路是终端线路，如果能够快速重合，可以避免牵引站内依靠备自投动作来切换供电线路，而且电网的大部分故障是瞬时性故障，重合成功率较高。但是考虑到三相重合闸对电网的冲击性，处于安全稳定原因考虑，最终决定停用重合闸。

(3)零序Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ段均投入使用。零序Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ整定原则按保本线路末端金属性接地故障有1.5倍以上的灵敏度整定，零序Ⅳ段按照300 A，4.5 s整定。

电铁牵引站不存在变压器中性点接地点，只有在发生接地故障情况下才存在零序电流，并且牵引变的低压侧发生接地故障时零序电流不会反应到高压侧，因此只对零序Ⅳ段按照经100 Ω接地电阻有灵敏度来整定。

(4)电铁供电线路不考虑旁路代。由于湖南电网220 kV变电站的旁路保护均为闭锁式纵联保护，考虑到电铁牵引站本身有2路电源，而且无闭锁式纵联保护，所有电铁供电线路不考虑旁路代的运行方式。

(5)距离保护不需经振荡闭锁。对于220 kV电气化铁路供电线路而言，由于是单电源线路，不具备产生振荡的条件，因此距离保护无需经振荡闭锁。

(6)断路器保护中的三相不一致保护延时整定为0.5 s。湖南电网常规220 kV线路的断路器三相不一致保护延时整定为1.2 s，当时是基于考虑躲过单相重合闸的延时0.7 s。但是对于220 kV电气化铁路供电线路而言，由于退出了重合闸功能而且采用三相跳闸方式，所以可以将断路器三相不一致的延时缩短，只要可靠躲过断路器的短时三相不同步时间即可。

3 供电线路运行的问题及解决方案

3.1 线路不能投入重合闸功能，供电可靠性降低

受湖南地区气候特点影响，220 kV架空线路因雷击、山火、污闪、舞动等原因引起的 (单相)瞬间接地故障概率远大于永久性接地故障，故重合闸功能 (单跳单重)是保障架空线路可靠供电的有效措施。但按武广高铁设计单位及运行部门的意见，为保证牵引变主变 (不平衡变压器)的安全稳定运行，要求牵引变的2回220 kV供电线路电网侧线路保护均不得投入单相重合闸功能。但是湖南电网220 kV电网一直采用单相重合闸，对于三相重合闸需要验证电网安全稳定水平是否满足要求。另一方面，就算是电网安全稳定水平允许投入三相重合闸，但是由于线路本身未配置全线速动的纵联保护，线路的距离保护范围伸至牵引变压器内部，当牵引变压器内部故障时，如果牵引变压器的差动保护拒动而未跳开牵引变压器的高压侧开关，将造成线路三相重合于故障的牵引变压器，有可能加剧牵引变压器的损坏。基于以上原因，最终决定退出线路保护的重合闸功能。

如此，当雷击等原因造成主供线路发生瞬间接地故障时，只能三相跳闸，并立即通过牵引变电站站内备自投改为备用线路供电，而一旦此时备用线路再发生故障跳闸 (因2条线路相距不远，不排除该类现象发生。如局部区域密集落雷、山火、舞动、污秽等)，必将导致该牵引变失压。

从武广高铁运行部门了解到，为预防牵引变失压 (如上述2回线路均跳闸或全站停电检修)影响高铁营运，设计上考虑了临近牵引变供电互补方案。但按武广高铁相关管理制度，如需启动供电互补方案，需上报铁道部统一调度。因此供电可靠性降低。

3.2 牵引变交叉备自投方式不合理

武广客运的所有牵引站均有备自投装置。正常运行情况下，当1回供电线路故障跳闸后，备自投装置可以将牵引站的供电切换到另1回供电线路。但是在运行过程中，发现部分牵引变现有交叉备自投的运行方式，也就是在1回供电线路故障跳闸后，在没有查清楚故障点的情况下，将另1回供电线路交叉备自投切至原来的牵引变压器来供电，当故障点发生在牵引变压器内部时，将造成双供电源相继失去。

3.3 保护的选择性受到影响

在现有牵引变的继电保护配置情况下，当牵引变站内发生故障时，电源侧线路保护距离Ⅰ段和牵引变差动保护由于都是0 s动作，因此在动作时序上产生竞争，无法保证继电保护动作的选择性。

3.4 措施建议

3.4.1 备自投方式为交叉供电的应改为独立供电。以某变电站为例，正常运行时，主电源文先线供电给1，3号牵引变压器，失压时主电源所供变压器高压侧断路器101和低压侧断路器201，203自动跳开，第2路进线电源新先线不再接着给1，3号牵引变压器供电，而是改为向2，4号牵引变压器供电，即合上所供变压器高压侧断路器102和低压侧断路器202，204。

3.4.2 现有牵引变应增加线路侧断路器和相应保护，降低建设投资不能以降低供电可靠性为代价。在现有牵引变站内增加线路侧断路器，这样可以在线路上专设全线速动的纵联保护。如果线路本身装设了快速纵联保护，这样线路保护的后备保护Ⅰ段只需要保本线路末端故障有灵敏度即可，不需要再延伸至牵引变压器内部，线路保护的后备保护Ⅱ，Ⅲ段等就可以在延时上与牵引变压器的相关保护进行配合，从而保证了保护的选择性。在这种情况下，可以考虑投入线路保护的三相重合闸，以保障线路瞬时故障下依靠重合闸能连续供电，牵引变压器的备自投时间可以与线路保护的重合闸时间进行配合，仅在重合闸动作不成功的情况下再进行备自投。

3.4.3 建议电铁牵引变采用平衡变压器。目前，电铁牵引变采用不平衡变压器，既限制了线路断路器重合闸功能的使用又降低了线路供电可靠性，也给电网稳定运行带来其他方面的影响 (如谐波、负序电流增加等)。建议电铁牵引变采用三相供电、牵引变采用平衡变压器。