11.3.1 接觸網采取保護措施的目的

為接觸網設施設計恰當的保護措施能使接觸網的熱性能得到充分利用，這本身也是使設計充分的接觸網系統得到最佳運行的必要條件。

接觸網設施是鐵路牽引供電系統中熱載荷容量最小的部分，為此可認為： 如果接觸網得到很好的保護，那么所有其他與接觸網串接的運行組件將得到充分的保護。

接觸網的保護措施具有識別和評估任何故障的產生這個基本目的，為了：

—排除或減少對直接或間接暴露或與故障電流電壓接觸的人員傷害;

—使接觸網設施、設備之損壞降至最低限度;

—維持牽引供電的最佳工作效率;

—提供和處理有助于故障分析的信息。

要達到這些目標，保護措施必須能夠安全、快速、有選擇性地切除所有不被允許的牽引接觸網負荷，這類不被允許的接觸網負荷例如：

—網絡中發生的所有類型的短路;

—造成受保護接觸網允許的最終溫度θlim(如德國鐵路接觸網標準設計Re200、Re250型為70℃，Re330型為80℃) 超出允許范圍的運行電流的原因。

在牽引供電設施中，故障要比公共供電網發生得更加頻繁。

圖11.38提供了接觸網保護措施運用的任務、目標和基本原理。圖11.39示出一架空接觸網設施的容量特性及用于各種保護機構的保護措施達到的保護特性。

第10.5節講述了如何獨立地經過回路斷路器向每個供電臂供電。每個回路斷路器都配備了保護回路及設備。對既有的線路要確定其極限值，超出這些值時，相應的保護繼電器就要觸發回路斷路器跳閘。直接進行保護的保護設備稱為主保護，主保護設備必須能夠確認在相關的供電臂是否發生了短路，并將它與其他供電臂的故障區分開。

圖11.38 牽引接觸網所采用的保護措施的任務和目標

a) 當由EFS1 (具有一開斷時間為60ms的電源回路斷路器) 進行保護時的真實保護范圍

b) 由熱保護措施I2·t進行延伸保護

c) 能由I2·t及起始電流限定電路圖覆蓋的范圍

圖11.39 架空接觸網用保護措施的載流容量

假如負責某供電區段的保護繼電器或相關的電源回路斷路器失效的話，故障電流就不能被切斷，在此情況下備用保護措施必須確保電流能斷掉，通常此種設置要區分下面的不同：

—備用保護1，它表示如保護繼電器或電源回路斷路器失效即投入工作;

—備用保護2，它如第1.3.3.5節所敘述的那樣用作主保護。

11.3.2 德國鐵路對架空接觸網采用的保護措施

以下章節包含了對單相交流16.7Hz鐵路網的架空接觸網保護措施進行的扼要介紹，其基本原理和保護措施也可在單相交流50Hz設施上應用。

在電力牽引的早期，在供電變電所、開閉所和分區所采用簡單的機電繼電器作為架空接觸網保護。以1975年起，由于易于獲得適用的電子組件，老設備被電子模擬保護設備所替代，如SDB15、7SL16、EFS1和EFS2。用于單個架空接觸網區段的保護設備應當符合以下條件以便適應鐵路的特殊需要 (具有明顯的運行電流高峰和直至45kA的極端短路電流)。

—快速的大電流回路切斷;

—過電流時間保護;

—帶有兩套參數及過電流動作的二段距離保護，也稱阻抗保護;

—區分大的運行電流和短路之間差別的能力;

—熱過負荷保護;

—緊急過電流時間保護以防備距離保護措施的失效;

—備用保護。

如圖11.40所示，應用帶恰當保護的變壓器芯的互感器來檢測電流和電壓并提供保護回路的輸入。用作初級保護的短路保護設備必須能夠探測出無故障阻抗情況下的短路，它必須也能探測出故障阻抗并不超出回路阻抗的被保護區段遠端的短路。現代保護繼電器的命令響應周期在2ms范圍內。用來切斷短路電流的全部周期是保護繼電器命令響應時間和電力回路斷路器切斷周期之和，就是說，實際跳閘周期和電弧熄滅周期之和。

圖11.40 架空接觸網保護與電壓、電流互感器的連接

架空牽引接觸網保護繼電器設定的最重要階段是：

大電流保護： I>>>

由于短路發生在變電所附近造成的短路電流，要比短路發生在供電區段末端或接近兩個變電所間中點造成的短路電流大得多，這是因為供電點和短路位置之間的阻抗要低得多。大電流保護的目標是當預設的電流極限值被超出時馬上發送一 “斷開”信號至相應的斷路器。在大電流保護回路中選擇性原則是不能經常　保持的，因為極大的短路電流必須阻止以免會將接觸線熔化。

二段距離保護

在相互連接網絡以及在架空接觸網網絡中需要用距離保護有選擇性地切斷短路，這些措施也叫作阻抗保護，意味著在保持選擇性原則的同時將發生在離開供電變電所很遠距離的短路斷開。這種保護形式的運行是根據阻抗之內起動的原理，假如發現短路阻抗低于預設阻抗值，距離保護就起動。德國鐵路在第一距離 (或阻抗) 保護段和第二距離 (或阻抗) 保護段之間加以區分。

第一阻抗段： (Z<)

這是作為主要保護用在架空接觸網上直至下一保護區段 (例如在變電所與分區所之間)。“斷開” 信號在命令延遲30ms后發送到相應的斷路器上去。