高速铁路综合自动化系统保护特点

许 江，王 扬，郭勤俭

0 引言

针对高速铁路（下文简称高铁）的供电方式以及运行方式，牵引综合自动化（下文简称综自）系统保护有了新的变化，从而形成了新的特点。

1 高铁运行特点

高铁供电方式为AT 供电方式，牵引变电所一般不设置自耦变压器（下文简称自耦变），在供电臂上AT 所和分区所设置自耦变，并在AT 所和分区所实现并联运行，提高供电效率。高铁牵引负荷已经发生变化，线路上多为大功率交直交动车三型动车组和动车二型动车组，功率因素基本为1，2次，3 次，5 次，7 次，9 次等谐波含量非常少。因而高速牵引变电所一次设备已经不再配置电容器静态补偿、动补等设备，牵引变压器也多采用利用率最高的V/v 变压器或者单相变压器。

2 高铁综自保护变化情况

2.1 差动保护接线的变化

一般高铁牵引变电所设置V/v 或者单相变压器，目的是提高牵引变压器利用率。

针对牵引变压器保护仍然是按照常规设置，变化之处主要在于差动保护装置接线方式。在牵引变压器上设置了一个套管电流互感器，考虑到扩大差动保护范围，因此该套管电流互感器接到差动保护装置中，为提高可靠性，该套管电流互感器和高压侧电流互感器角接后引入到保护装置高压侧差动回路中，同样考虑到扩大差动保护范围，主变压器（下文简称主变）低压侧两相中的T 线和F 线电流互感器也都角接后引入到保护装置低压侧差动回路中，见图1。

图1 差动保护接线示意图

2.2 馈线阻抗角度计算变化

以往普速铁路机车负荷正常运行时，阻抗角在第一象限，正常机车负荷时，阻抗角度在40°左右，高铁动车组的功率因数一般是0.95，因此阻抗角度为−18°～18°。阻抗计算式：

式中，U 为二次电压，一般取T 线电压；I 为二次电流，T 线、F 线电流叠加值。

2.3 馈线阻抗与电流保护接线的变化

保护电流是T 线、F 线输入装置后，在保护装置内部进行“叠加”计算的。

同样，阻抗计算也要考虑到电流极性的变化。

3 高铁综自保护变化

3.1 差动保护回路接线变化产生的问题

由于高、低压侧电流互感器均角接后进综自装置，除了注意定值中差动涉及到变压器额定电流因为角接产生变化外，还要特别注意检修主变高低压电流互感器后差动回路高低压侧电流互感器极性是否角接正确，因此要特别考虑到高低压侧6 个电流互感器极性问题。

3.2 阻抗值过大影响阻抗角判断

3.3 电流接线变化产生的问题

由于阻抗保护以及电流保护元件中电流为T线和F 线的“叠加值”，如果T 线或者F 线极性出现问题，那么将影响到阻抗保护元件以及电流保护元件正确动作。这里的极性正确包括2 种情况，一是T 线和F 线的合流后极性和电压极性要正确，二是T 线和F 线之间的极性要正确。第1 种情况可以通过机车取流时查看阻抗角度来验证；第2 种情况就比较复杂，要考虑到T 线、F 线保护绕组是否在开关柜内部被短接，或者F 线极性反和T 线同相位，比如F 线保护绕组电流互感器极性反，机车运行在牵引变电所和AT 所之间时，在AT 投入运行情况下，牵引变电所T 线电流往往比F 线电流大很多，因此通过机车取流时可以看到阻抗角度也是正确的，即使当机车在AT 所和AT 分区所之间AT 段中运行，此时T 线电流比F 线电流大一些，通常T 线电流约为F 线电流的1.2～1.3 倍，由于电流合成（T 线和F 线的“叠加值”电流仅为F 线电流值的0.2～0.3 倍），就能发现阻抗突然变化很大，但是现场仅凭观察还是不容易区分，造成后果是在全并联方式下接触网故障时，阻抗保护元件和电流元件将拒动，会出现越级跳闸。那么该现象可以判断阻抗保护装置的极性有问题。

同理，如果T（F）线保护绕组在开关柜内被短接，造成后果将是在T（F）线短路电流不大情况下，阻抗保护元件和电流元件有可能不动作，有一个明显的现象，即在全并联方式下AT 段发生故障时会出现越级跳闸；或者是同一供电臂上2 个馈线断路器只有一个跳闸并出现越级跳闸情况，那么该现象可以判断阻抗保护装置的极性有问题。

由此可以看出，主变差动保护回路及馈线保护回路电流互感器极性及接线正确与否非常重要。

4 解决方法

针对主变差动保护回路接线正确与否，一般在竣工前进行试验检测，确保投入运行前其接线正确，试验检测方法很多，例如极性试验、六角图等方法。一般都能保证接线正确，但经过一段时间运行后，仍会出现一些问题，多为检修期间出现接线接触不良，或者松动，为保证及时发现上述问题，还应采取必要措施。

4.1 针对主变设置差动越限电流告警

例如，高压侧套管电流互感器5LH 被短接，那么流入高压侧差动回路只有3LH，在正常行车时，如果负荷并不大，那么装置计算出的差动电流并不能达到定值，保护装置就不会动作，只有负荷足够大或者外部短路时，馈线保护尚未到达定值时限，变压器差动动作就会造成越级跳闸。如高铁某牵引变电所差动保护定值：

比率差动A 相动作电流 0.39 A

比率制动I 段A 相制动电流 0.48 A

平衡系数 1.5

比率制动I 段制动系数 0.4

比率制动II 段A 相制动电流 2.52 A

比率制动II 段制动系数 0.8

变压器类型 V/v 变压器

差动平衡公式：

正常运行时主变低压侧α 相负载电流500 A，对应高压侧A 相电流为62.5 A。

输入装置低压侧差动电流为500 /2 000 =0.25 A，折算到高压侧电流为0.25 / 1.5 = 0.166 7 A。

高压侧由于只有3LH（5LH 被短接），那么输入装置高压侧差动电流62.5 / 750 = 0.083 3 A，最后计算出差动电流为∣0.083 3 - 0.166 7∣=0.083 4 A，显然该电流低于定值0.39 A，也就是说高压侧电流互感器角接出现一个LH 被短接是不会造成差动动作。

以上只是一种差动装置角接电流互感器被短接的情况，其余3 种同样可以推导计算（见表1）。

表1 差动装置角接电流互感器被短接情况汇总表

针对上述情况，差动装置和电流互感器被短接最有效的检测方法是根据高低压侧有一路电流互感器被短接形成的最小差动电流值形成越限报警在调度或者复视终端显示，同时加强平时值班员对装置差动电流的巡视。根据表1，按照0.0834 A 即可设定为差动越限门槛电流，加上可靠系数1.2，差动越限门槛电流：0.083 4 / 1.2 = 0.069 A。

4.2 馈线极性检查

利用录波或故障波形来检查馈线角度以及馈线电流保护绕组的极性。

第1 种：录波方式，见图2。

图2 正常取流录波波形图

该图为机车在正常取流时波形，可以很清晰看到T 线电流和母线电压之间相位差（约0°）以及T线和F 线电流之间的相位差（180°）。

图3 为机车在减速时向网上反送电，可以很清晰看到T 线电流和母线电压之间相位差（180°）以及T 线和F 线电流之间的相位差（180°）。当机车取流逐渐减少，就对应反送电情况。

图3 反送电录波波形图

第2 种：查看故障波形，见图4。

图4 显示：F 线短路，F 线电流超前电压73°，由于T 线和F 线极性相反，因此阻抗角度为73°。短路时波形可以很好验证T 线电流，F 线电流以及电压（接触网T 线）之间关系。

图4 故障录波波形图

图5 为T 线电流，F 线电流极性相反的情况，短路电流过大引起电流增量元件动作，且阻抗角为0°，由于T 线电流，F 线电流数值相差较大。虽然极性相同，叠加后值较大同样导致保护装置动作。

综合以上检查馈线阻抗保护元件以及电流元件极性最好的方法就是察看故障波形，在没有故障波形情况下通过录波的形式来确定极性。

图5 馈线T、F 线流互极性错误故障波形图

5 结束语

高铁运行方式和供电形式以及电流互感器接线的变化形成了高铁综自保护特点，高铁综自保护装置要做到不误动，不拒动，就必须加强日常检查，尤其电流互感器检修后一定要严格检查极性。针对主变要做好差动回路的遥测越限检查，针对馈线做好阻抗角度以及电流互感器极性检查。