繼電保護(hù)整定時間與接觸線斷線的關(guān)系

李 冰，劉杰民

0 引言

2007年1月—2010年3月，濟(jì)南鐵路局發(fā)生7次因電力機(jī)車絕緣不良造成的接觸網(wǎng)短路事故，強(qiáng)大的短路電流使接觸線溫度瞬間升高，接觸線迅速軟化、機(jī)械強(qiáng)度大幅度下降，最終接觸線在張力作用下被拉斷。

接觸線斷線故障的發(fā)生，不單構(gòu)成C類事故，帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，同時，為安全運(yùn)行埋下嚴(yán)重隱患。一旦有內(nèi)燃機(jī)車通過斷線地段，可能會造成更為嚴(yán)重的后果。本文通過研究熔斷電流與繼電保護(hù)整定時間的對應(yīng)關(guān)系，分析接觸線斷線的機(jī)理，針對性地調(diào)整繼電保護(hù)整定值，從而達(dá)到防止接觸網(wǎng)斷線事故的發(fā)生。

1 斷線電流和時間的對應(yīng)關(guān)系分析

接觸線與受電弓接觸點(diǎn)存在接觸電阻，是整個導(dǎo)電回路中單位電阻最大的環(huán)節(jié)，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)車內(nèi)部的變壓器、電壓互感器瞬間擊穿或冰雪、大霧天氣使車頂絕緣子放電等造成接觸網(wǎng)短路時，因通過該接觸點(diǎn)的電流瞬間變大，接觸線溫度迅速上升而發(fā)生軟化，超出耐受張力時即被拉斷。另一種情況，在機(jī)車絕緣故障沒有排除的情況下，升弓時受電弓與接觸線接觸前會產(chǎn)生強(qiáng)電弧放電，加劇接觸線溫升和軟化程度，最終在張力作用下被拉斷。

根據(jù)國際上通用的 ANSYS系統(tǒng)仿真分析軟件，銀銅合金接觸線（CTHA-120）在弓網(wǎng)接觸壓力為70 N、短路電流為5000 A條件下，接觸線中心溫度和表面溫度與短路電流持續(xù)時間的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 接觸線溫升隨時間變化曲線圖

由圖1可見，短路電流為5000 A、持續(xù)0.12 s時，CTHA-120銅銀合金接觸線在弓網(wǎng)接觸部位的溫度即可達(dá)到“屈服”溫度300℃，接觸線機(jī)械強(qiáng)度會迅速降低，在張力作用下被拉斷。事實上，隨著短路電流的增加，接觸線達(dá)到“屈服”溫度的時間會進(jìn)一步縮短。

在該情況下，若要防止接觸線被拉斷，可采取2種辦法：一是減小接觸線張力，顯然不可取。二是降低接觸線溫升，保持接觸線足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

降低接觸線溫升取決于2個方面：

（1）弓網(wǎng)接觸要可靠，避免產(chǎn)生拉弧放電；弓網(wǎng)接觸電阻要盡量小，受電弓滑板盡可能保持平滑、清潔、不得有覆冰，受電弓壓力保持正常狀態(tài)；接觸線也要保持清潔，不得有覆冰。

（2）盡量縮短短路電流持續(xù)時間，這就必須從繼電保護(hù)入手，盡量縮短接觸網(wǎng)短路保護(hù)時間的整定值。

經(jīng)查閱有關(guān)資料，截面100 mm2銅導(dǎo)線熔斷電流與持續(xù)時間的關(guān)系為

式中，Imax為導(dǎo)線熔斷電流；tsc為短路電流持續(xù)時間。

短路電流的持續(xù)時間取決于速斷保護(hù)整定時間t1、繼電保護(hù)裝置的反應(yīng)時間t2和斷路器本體的跳閘時間t3之和，在采用真空斷路器的單相交流系統(tǒng)中，真空斷路器本體跳閘時間t3約在20～45 ms（來自產(chǎn)品說明書）。而根據(jù)設(shè)計院提供的牽引變電所保護(hù)定值，濟(jì)南鐵路局各牽引變電所饋線速斷保護(hù)的整定時間均為0.100 s，保護(hù)裝置的固有反應(yīng)時間為0.015 s（來自產(chǎn)品說明書），真空斷路器本體分閘時間暫且取上限為0.045 s，因此，短路電流持續(xù)時間為tsc= 0.160 s。

由式（1）可得，電流速斷時間整定值為0.10 s情況下的熔斷電流為7600 A。反言之，若弓網(wǎng)接觸良好，接觸網(wǎng)可承受7600 A的短路電流，超出該臨界值就有可能造成斷線。依次類推，可得出電流速斷時間整定值分別為0.00，0.02，0.04，0.06，0.08 s秒情況下的熔斷電流值（見表1）。

表1 速斷保護(hù)整定時間與導(dǎo)線允許承受的短路電流表

由表1可以看出，熔斷電流的大小與電流持續(xù)時間成反比，也就是說，短路電流作用時間越長越容易造成短路點(diǎn)的接觸線熔斷，

通過對濟(jì)南鐵路局2007年1月—2010年3月間發(fā)生的7件接觸線斷線情況的分析，接觸網(wǎng)短路時短路電流已超出導(dǎo)線不熔斷條件的耐受時間，從而導(dǎo)致接觸網(wǎng)斷線事故頻繁發(fā)生。

2 調(diào)整繼電保護(hù)整定時間的防斷線措施

從以上分析可以看出，將各牽引變電所饋線速斷保護(hù)的整定時間調(diào)整到0.05 s以下，可以縮短接觸線對短路電流的持續(xù)時間，有助于減少接觸線斷線事故的發(fā)生。

自2010年3月—12月，濟(jì)南鐵路局將局管內(nèi)各牽引變電所將饋線速斷保護(hù)整定時間由0.10 s修改為0.02 s，有效地防止了29次8000 A以上的接觸線斷線事故。

但由于速斷保護(hù)整定時間的縮短，改變了牽引變電所與電力機(jī)車斷路器的跳閘配合關(guān)系，增加了接觸網(wǎng)跳閘的頻次?！惰F路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB10009-2005）4.7.16規(guī)定：“變電所、開閉所、分區(qū)所的保護(hù)應(yīng)與電力機(jī)車內(nèi)部保護(hù)相配合，其速斷保護(hù)應(yīng)有適當(dāng)?shù)难訒r，此延時宜為0.1 s”。那么，為什么要將延時整定為0.10 s呢？經(jīng)查閱電力機(jī)車技術(shù)資料，機(jī)車主斷路器分閘時間一般為20～60 ms，暫且按最大分閘時間60 ms考慮。變電所繼電保護(hù)裝置整定時間要大于0.06 s，才能躲過機(jī)車內(nèi)主斷路器的分閘時間，滿足選擇性跳閘的要求。當(dāng)電力機(jī)車內(nèi)部發(fā)生短路故障時，電力機(jī)車和牽引變電所的斷路器將同時啟動速斷保護(hù)裝置動作，0.06 s后電力機(jī)車斷路器首先跳閘，而牽引變電所繼電保護(hù)裝置的速斷保護(hù)裝置啟動后要持續(xù)0.10 s進(jìn)行確認(rèn)，在速斷保護(hù)裝置出口動作前，由于短路電流隨著電力機(jī)車斷路器的跳閘而消失，牽引變電所速斷保護(hù)裝置動作自動返回，這樣，接觸網(wǎng)能夠正常供電，避免了對供電臂上其它電力機(jī)車的影響。

速斷保護(hù)整定值修改為0.02 s后，電力機(jī)車內(nèi)部發(fā)生短路故障時，牽引變電所斷路器和電力機(jī)車斷路器會同時跳閘，這樣，對供電臂上其他運(yùn)行的電力機(jī)車會造成一定影響。

然而，牽引變電所的速斷保護(hù)裝置一般與自動重合閘保護(hù)裝置配合使用，當(dāng)速斷保護(hù)裝置跳閘后，經(jīng)過2 s重合閘裝置會自動合閘一次，這時，如果電力機(jī)車內(nèi)部發(fā)生短路故障，牽引變電所和電力機(jī)車的斷路器將同時跳閘，而牽引變電所斷路器自動重合閘會成功，電力機(jī)車斷路器不設(shè)重合閘，仍然能夠有效切除電力機(jī)車內(nèi)部故障，但增加了牽引變電所斷路器的跳閘次數(shù)。

繼電保護(hù)裝置對故障測距信息是通過故障時電壓、電流的矢量值自動計算得出的。一般采用故障錄波中保護(hù)指令出口前1個周波（即20 ms）的電壓、電流矢量值計算得出短路時的總阻抗，然后，通過錄波測得的阻抗角計算出電抗值，除以接觸網(wǎng)的單位電抗，從而計算出故障點(diǎn)距變電所的距離。經(jīng)調(diào)閱繼電保護(hù)裝置的錄波圖像，發(fā)現(xiàn)速斷保護(hù)裝置從啟動到出口約 20 ms的時間內(nèi)含有大量的諧波，且阻抗角不穩(wěn)定；20ms后諧波基本消失，阻抗角也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

對于區(qū)間正線供電臂，若要保證故障測距信息的準(zhǔn)確性，速斷保護(hù)整定時間應(yīng)躲過速斷保護(hù)裝置啟動后諧波含量較多的第一個周波（即 20 ms），使故障測距采用沒有諧波含量的第二個周波的電壓、電流矢量參數(shù)，以避免諧波含量對故障測距信息的影響。目前，速斷保護(hù)整定時間已由0.02 s再次修改為0.04 s，這樣，即滿足了故障測距準(zhǔn)確性的要求，又達(dá)到防止短路電流持續(xù)時間過長燒斷接觸線的目的。雖然 0.04 s與導(dǎo)線熔斷的極限時間0.05 s比較接近，但考慮到上述公式給定的條件是針對 100 mm2銅銀導(dǎo)線而言，濟(jì)南鐵路局管內(nèi)接觸網(wǎng)正線采用的接觸線是 120 mm2銅銀導(dǎo)線，因此，承受短路電流的能力還有一定裕度。

3 實施效果

按照上述原則該局再次對電流速斷保護(hù)整定值進(jìn)行了修改，自2011年1—7月，濟(jì)南鐵路局管內(nèi)發(fā)生8次短路電流在8000 A以上的短路故障，最高短路電流為12000 A，均沒有發(fā)生斷線事故，而且故障測距準(zhǔn)確性大大提高，最大誤差為400 m，最小誤差為25 m?？梢钥闯?，調(diào)整速斷保護(hù)整定時間為0.04 s后，即達(dá)到了防止接觸線斷線的目的，又確保了故障測距信息的正確性。

4 結(jié)束語

綜上所述，筆者建議牽引變電所繼電保護(hù)裝置的生產(chǎn)廠家對故障測距計算方法進(jìn)行改進(jìn)，將既有裝置測距電量采用保護(hù)指令出口前 1個周波（即20 ms）的電壓、電流矢量值，修改為采用保護(hù)指令出口后1個周波（即20 ms）的電壓、電流矢量值，可進(jìn)一步將速斷保護(hù)整定時間縮短到0.02 s，使熔斷短路電流提高到15100 A，同時，還能滿足故障測距的準(zhǔn)確性。

[1]TB/T2808-1997 電氣化鐵道電力牽引與牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動裝置配合的技術(shù)要求[S].

[2]TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范[S].