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摘要：高速铁路的牵引供电系统的主要功能就是向电力机车提供连续可靠的电能。但是，由于系统结构、供电方式、用电负荷的不同，牵引供电系统继电保护原理与电力系统有很大差别，因此，需要加强高速铁路牵引供电系统继电保护的研究。基于此，文章就高速铁路牵引供电系统继电保护进行分析。
关键词：高速铁路；牵引供电系统；继电保护
1.高速铁路牵引供电系统概述
从组成上来看，高速铁路车辆牵引供电系统由牵引网、电力机车组和牵引变电所构成。利用牵引变电所完成电能转化后，系统能够利用独立电源进线将电能传送给牵引网，从而为车辆供电。而由于牵引负荷为单相负荷，所以需要利用特别变压器将负荷均匀分配到系统三相中。在高铁上，则通常采用V/x接线等牵引变压器。在供电方式上，系统主要采用全并联AT供电方式，设置有多个供电回路，所以在故障发生时会产生多个回路给短路点供电，对继电保护有特殊要求。此外，高铁车辆采用交-直-交电力机车，电路谐波成分等有一定差异，因此也将影响继电器保护功能的发挥。
2.继电保护研究
2.1线路保护研究
2.1.1电力系统线路保护
由于全线速动的需要，电力系统220kV以上电压等级的线路普遍采用以光纤为通信通道的线路电流差动保护作为主保护。光纤电流差动保护简称光差保护，其保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上，具有良好的选择性，能快速地切除保护区内的故障，长期以来对其的研究一直不断。
电力线路能够应用电流差动保护的一个重要前提是电力负荷在被保护线路的区域以外，与牵引网有很大不同。作为牵引网的负荷，电力机车或动车组会在牵引网区段内沿线移动。如果牵引网采用差动保护，在负荷工况下差动电流将是所有负荷电流之和，差动保护的动作电流必须躲过最大负荷电流。在此情况下，差动保护的动作电流与过电流保护的动作电流相同，两者的灵敏度也相同。
2.1.2牵引网保护
高速铁路牵引网沿用了普速铁路采用的保护原理，主要有距离保护、过电流保护、电流增量保护等。
第一，距离保护。普速电气化铁路采用距离保护作为牵引网的主保护，并利用负荷电流中的综合谐波含量自动动态调节四边形动作特性的边界，从而防止保护在负荷电流下误动作。第二，过电流保护。根据牵引网供电方式的不同和继电保护选择性的需要，过电流保护可配置1～3段，并可采取综合谐波抑制和励磁涌流闭锁措施。第三，电流增量保护。电流增量保护根据电流在短时间内的变化幅度来区分是负荷电流和故障电流：在正常情况时，电力机车沿线顺向行使，牵引网电流的增量不会超过1辆车电流的最大值；在牵引网故障时，短路电流急剧增大，电流的增量比负荷电流大得多。第四，接触网发热保护。高速重载列车的单车牵引电流较大，在300～350km/h时可达到600～1000A，接触网在比较长时间内都是大电流时，容易发热，然后牵引网的扩张力会降低，稳定性也会变差，从而就会对高速重载铁路正常工作运行时产生影响，所以为了保护接触网，必须设置热过负荷保护。该原理是以机车负荷和环境温度为基础，根据接触网热模型实时计算接触网温度，当计算的温度比设定的温度高时，跳闹回路就会工作，使馈线断路器断开。
2.2变压器保护研究
2.2.1变压器差动后备保护
变压器在工作的过程中，通常需要提供过流保护。但在高铁车辆的牵引供电系统中，变压器继电器保护容易受到不平衡电流的影响，所以还要提供差动后备保护。从原理上来看，过电流保护即继电器在电流大于整定值时动作。但在牵引系统中，牵引负荷冲击性较强，要求变压器在3倍额定负荷电流下保持2min工作。针对这一情况，还要在变压器高、低压侧完成低电压启动的配置，以提供后备保护。牵引网在正常运行过程中，电压将保持在19kV以上。所以在低压侧母线电压设计上，应设定为24kV。如果系统工作正常，母线电压将比低电压整定值压低，所以即便负荷电流比动作电流整定值要大，继电器也不会发生误动作。在系统发生故障的情况下，变压器漏阻抗将随之减小，母线电压则会不断增大。但由于低压启动过电流保护可能出现拒动的情况，所以还要加强变压器后备距离保护的整定计算，即通过测量短路阻抗和负荷阻抗完成合理保护配置，进而使变压器高、低压距离保护正常动作。
2.2.2变压器过负荷保护
对于高铁车辆来讲，由于行车密度较低，并且牵引供电系统需要提供大牵引功率，所以采用的牵引变压器需要长期处在过负荷状态，容易出现老化的问题。针对这一情况，还要加强对变压器的过负荷保护，以延长变压器的使用寿命。从既有保护方案上来看，铁路通常采用三段式定时限特性提供过负荷保护。但在负荷电流位于保护整定值之间时，继电器保护动作并不减小，进而导致继电保护无法满足变压器过负荷保护要求。针对这一情况，还要为变压器提供反时限特性的过负荷保护，即要根据负荷电流变化情况完成继电器保护动作的时限调整，以确保变压器稳定工作。一旦系统发生故障，由于产生的短路电流基本保持不变，所以可以利用反时限特性的过负荷保护满足变压器工作需求。在实际应用该种方法时，需在变压器上进行油温传感器的安装，并通过将测量数据转换为信号输入继电保护装置中。而装置在完成过负荷保护计算后，则将根据设定值判断是否执行动作，进而为变压器提供有效的继电保护。
2.3直流馈线保护
在直流牵引供电系统工作的过程中，选择合理的直流馈线保护方式，对于系统运行的高效性起着重要的保障作用。目前直流高速开关应用中大体采用的是脱扣保护的方式，对应的断路器没有延时性，分闸时间也需要控制在合理的范围内。在脱扣器的作用下，断路器能够在较短的时间内跳闸，避免了金属性短路故障现象的出现。
为了保证直流馈线保护方式的合理性，整定范围应该符合相关参考标准的具体要求。一般情况下，整定范围内的电流应该大于最大负荷下列车正常启动时的电流，但不应该超过近端的最大短路电流。在电流脱扣保护方式的影响下，机车的定值最大不超过5kA。同时，采用单边供电的模式时，整定值应该小于末端电弧性短路故障电流，具体电流值的大小需要采用科学的计算方法获取。
当采用的是DPU-96的保护方式时，应该制定出具体的电流上升率保护形式。这种保护模式主要适用于远端接触网短路故障的保护。当系统运行时发生故障时，内部的断路器无法发挥出对应的保护作用，主要在于此时直线馈线流过的电流远远大于短路电流。对于这种现象，相关的规范条例有着明确的整定要求。这些要求主要包括：（1）当机车处于启动的状态时，与之相关的接触网过分段产生的电流变化率应该小于此时馈线上流过的电流；（2）末端馈线产生的电流变化率应该保持在直流馈线设计方案要求的范围内。这些不同方面的额定要求，对于直流馈线保护产生了积极的影响，完善了相关系统的服务功能。
综上所述，我国高速铁路全部采用电力牵引，作为源动力的牵引供电系统的作用显得更加重要。所以，需要结合车辆实际需求研究系统继电保护问题，并结合问题提出有效的继电器保护配置方案，继而更好的推动高速铁路的发展。
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