重载铁路过负荷保护误动分析及对策分析

郝海峰

(国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350)

0 引言

电气化铁路牵引变电所是牵引供电系统的一个重要节点，是为电力机车供电的核心设施。实际运行中，牵引变电所保护测控装置常见的跳闸原因有过负荷[1-3]、金属性接地短路、带电过分相及高阻接地[4]等。随着电气化铁路的发展，铁路行车速度加快，机车密度加大，列车载货量加大，导致机车牵引负荷急剧变化，供电线路的供电能力日趋紧张，过负荷跳闸问题日益突出[5]。目前现有技术中，一般牵引变电所采取的措施是投入反时限过负荷保护，其主要原理是利用反时限曲线，根据过负荷电流的大小调整跳闸时间，防止接触网长时间大电流发热，从而保证列车及接触网安全。这种方式对于一般的行车密度不大、不涉及越区供电的普通铁路线路，可以起到保护线路及机车安全的作用，但是过负荷时间达到定值后仍会跳闸，造成供电中断。对于供电线路较长，列车行车密度较大或涉及越区供电的重载铁路，现有主保护均为变电所馈线距离保护。实际应用中，若供电区间线路较长，用电列车过多，则线路最大负荷电流将接近甚至超过接触网末端短路电流，导致既有牵引供电系统继电保护功能无法准确区分过负荷电流与接触网末端短路电流，造成列车正常运行时不必要的过负荷误跳闸，从而对行车安全和整个线路产生不利影响，亟需尽快改进完善。

因此，针对重载铁路因无法区分越区供电、行车密度大时的末端短路电流及过负荷电流导致的弊端，基于现有成熟通信技术及朔黄铁路接触网光纤复合保护线，通过供电臂不同变电所间智能保护装置的数据交互，完成机车负荷与短路情况的判别，进而调整牵引变电所过负荷保护定值，确保过负荷保护不误动，达到牵引供电系统接触网安全供电的目的。

1 既有过负荷保护功能缺陷与隐患

朔黄重载铁路正线总长近598 km，设计年运输能力为近期3.5 亿t (2013 年)，远期4.5 亿t。一般情况下，2 万t 级单台电力机车负荷电流约为700 A[6]。对于常规的长度为45 km 的供电臂，在列车追踪时间较短的情况下，同时存在的列车数量可能超过3 台；或者在越区供电情况下，同一供电区间的列车数量也可能超过3 台。3 台机车的负荷电流最大可达2 100 A，已经超过接触网末端短路电流。

因此，牵引变电所馈线继电保护装置将无法区分运行大电流是由过负荷引起还是由接触网末端短路引起，对线路安全造成隐患。具体产生的安全隐患有以下三个方面。

1) 重载线路的牵引变压器容量较大，线路末端短路时，线路短路电流很大，但由于继电保护装置无法区分此大电流是过负荷电流还是短路电流，故其跳闸时间不能确定，因此，会对线路及设备产生较长时间的冲击。

2) 若线路已经处于过负荷状态，此时牵引变电所馈线保护装置检测到的电流接近甚至超过短路电流，若馈线保护装置根据过电流保护原理立刻跳闸，则会影响线路的负载能力，不利于应急状态及正常运行时的负荷调配。

3) 现有过负荷保护没有统一的时限及安全预警功能，只是单纯的根据过负荷电流的大小，通过反时限方程计算出跳闸时间，这对于日益发展的重载铁路技术，已显得落后而僵化，难以与我国正在建设的智能牵引供电系统相适应。

2 解决方案与对策分析

国能朔黄铁路发展有限公司正在逐步对朔黄、黄万等重载铁路进行改造，配置接触网光纤复合保护线用于接地回流及区间所亭之间的互通信，并在牵引变电所亭内配置智能装置用于广域保护。智能保护装置能够基于IEC 61850 标准实现相邻变电所装置之间的相互通信与信息交互，通信结构如图1所示。

图1 所示智能保护装置内包含有数据收集模块、数据处理模块、数据反馈模块和储存模块等。各模块需要完成的主要功能如下。

1) 数据收集模块：收集本变电所及本供电臂中AT 所、分区所所有馈线实时负荷数据。

2) 数据处理模块：基于数据收集模块收集的负荷数据，分析本供电臂上的列车数量及负荷情况。

3) 数据反馈模块：将处理完成的数据实时发送至本供电臂牵引变电所内智能装置及相邻供电臂牵引变电所的智能装置，各所智能装置将相关数据同时上传至本所的监控主机，再由监控主机将数据下发至变电所内各保护装置，各保护装置能对本供电臂馈线保护过负荷及过电流类保护定值进行调整，进而对保护跳闸出口进行控制，减小误跳对电气化铁路安全供电造成的影响。

4) 储存模块：储存本供电臂上牵引变电所及所有AT 所、分区所的各种当前数据、历史数据，同时储存相邻牵引变电所供电臂相关数据，便于后续查询及追溯，并通过对存储负荷变化趋势的分析，有效指导检修及列车运行图的调整。

牵引变电所两侧的AT 所、分区所智能装置通过数据收集模块收集负荷电流相关数据后，采用IEC 61850 数据传输协议，使用光纤复合保护线广域网络通道，传输给牵引变电所智能装置。牵引变电所内智能装置的数据处理模块，将本所及两侧AT 所、分区所智能装置数据收集模块上传的相关数据进行分析与计算，实时分析当前时刻本供电臂的负荷情况，以及所辖供电臂的负荷变化情况。对突增的电流量，需要判断该电流变化来源于机车从本供电臂运行至下个供电臂，还是来源于本供电臂末端发生接触网短路故障。牵引变电所内智能装置的数据反馈模块将已处理的数据发送给牵引变电所监控主机，再由监控主机将相关数据信息实时发送给变压器后备保护装置和馈线保护装置，并对牵引变电所所内这两类装置的过负荷保护定值进行实时调整，从而达到判别过负荷电流和末端短路电流的目的，使保护既具有选择性，也更加灵敏灵活。负荷状态判断流程如图2 所示。

图2 负荷状态判断流程

数据处理模块在具体应用中，如果线路末端发生短路故障时，其电流在供电臂呈现突增趋势，而对相邻供电臂上各所无影响(牵引供电系统分相设置的原因)；而过负荷时的电流突增，则会随着机车前行在各区间依次产生。虽然都伴随着电流突增，但两者成因是不一样的。因此，只要收集两相邻供电臂的负荷情况，通过负荷数据分析出机车的运行方向及运行速度，从而计算出机车运行至本供电臂的时间，与电流突增时间进行比较，即可判别出是线路过负荷还是短路。由于同一供电臂上牵引变电所、AT 所、分区所之间，以及不同供电臂的牵引变电所之间，这些所亭内的智能装置的数据反馈模块均采用IEC 61850 协议通信，通过接触网光纤复合保护线进行数据信息交互，从而保证了装置之间通信的实时性。

为实现上述目标，各牵引变电所必须能够区分负荷状态、接触网末端短路状态及正常运行状态。

1) 负荷运行状态及检测识别。各牵引变电所的数据反馈模块将数据处理模块处理后的数据发送至其他供电臂的牵引变电所智能装置，后者在接收到相关数据后进行延时(此延时与列车运行速度及运行方向有关)，并将信息通过监控主机发送给各保护装置，若在此延时内，各保护装置检测到电流量突变，则其认定为负荷增加，机车已经运行到本供电臂，此时扩大过负荷定值，使其与线路末端短路故障进行区分，牵引变电所内保护装置不跳闸。

2) 接触网末端短路状态及识别。若本供电臂变电所在运行中，未收到相邻供电臂智能保护装置的数据反馈模块所发送的有负荷变化的数据信息，但此时本供电臂各处出现线路电流突增，且变电所保护装置感知到的电流达到过电流保护定值，则可判定为线路末端发生短路故障，需要跳闸，然后牵引变电所保护装置进入跳闸模式。

过流类保护动作原理如图3 所示，其中，Iset为过流类保护电流定值，当检测电流大于电流定值，且未收到相邻供电臂机车进入区间的信息，延时到达后，即跳闸出口。

图3 过流类保护原理

3) 正常运行状态识别。牵引变电所智能保护装置的数据处理模块，将本所及两侧AT 所、分区所智能装置数据收集模块上传的相关数据进行计算，并将所计算结果通过监控主机发送给馈线保护设备，正常运行状态下，任一智能装置对故障的判别，均需参考相邻智能装置的运行状态，综合评估，避免误判。

3 结束语

各个相邻牵引变电所或牵引变电所与两侧分区所、AT 所的智能装置之间，按照IEC 61850 通信标准，通过光纤复合保护线，实现信息交互。牵引变电所智能装置通过收集本所及其他所相关信息，正确判断并识别区间负荷运行状态、接触网末端短路状态以及正常运行状态。当区间处于负荷状态时，对传统的过负荷保护及过流类保护进行了自适应性升级改进，确保此类运行状态下的线路及设备安全，减少了跳闸次数，为电气化铁路的正常运行提供了技术支撑。