高壓線路故障判斷裝置在電氣化鐵道中的應(yīng)用

蘭紅偉，黃東紅

0 引言

電氣化鐵道牽引供電接觸網(wǎng)線路經(jīng)常發(fā)生永久性或臨時(shí)性短路故障，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，需要供電設(shè)備自動(dòng)重合閘，如若重合閘不成功（據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年襄樊供電段管內(nèi)接觸網(wǎng)線路發(fā)生故障重合不成功率達(dá)23%），往往還需要繼續(xù)多次強(qiáng)送電。這樣，當(dāng)高壓接觸網(wǎng)線路發(fā)生一次永久性短路故障時(shí)，高壓供電設(shè)備就會(huì)經(jīng)受多次大的短路電流和過(guò)電壓的沖擊，嚴(yán)重地?fù)p壞高壓設(shè)備的機(jī)械及電氣性能和絕緣水平，大大縮短高壓設(shè)備的檢修周期和使用壽命，甚至擴(kuò)大事故范圍，造成難以估量的損失。

為此可以通過(guò)加裝高壓線路故障判斷裝置對(duì)故障接觸網(wǎng)線路進(jìn)行高電壓小電流的試送電，同時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)故障電壓的高低準(zhǔn)確判斷接觸網(wǎng)故障線路的故障性質(zhì)（瞬時(shí)性故障或永久性故障），進(jìn)而對(duì)接觸網(wǎng)線路繼電保護(hù)自動(dòng)重合閘實(shí)施選擇性閉鎖，避免盲目地向接觸網(wǎng)線路重復(fù)強(qiáng)送電，減少短路大電流對(duì)電氣設(shè)備的沖擊。下文對(duì)高壓線路故障判斷裝置的組成工作原理及應(yīng)用作一介紹。

1 理論分析

加裝高壓線路故障判斷裝置的接觸網(wǎng)線路等效電路如圖1所示。

圖1 等效電路圖

根據(jù)等效電路圖，通過(guò)高壓線路故障判斷裝置對(duì)故障線路進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試電壓互感器PT檢測(cè)出的線路殘壓數(shù)學(xué)模型為

式中，Ue為母線電壓27.5 kV；RL為限流器限流電阻，一般為5 000～6 000 Ω，計(jì)算時(shí)取5 500 Ω；Zj為故障線路的接觸網(wǎng)阻抗。

（1）在接觸網(wǎng)故障線路永久短路接地時(shí)，

式中，Zu為接觸網(wǎng)的單位阻抗，按供電方式直供加回流，取Zu= 0.226 2 + j0.447 4 Ω/km；L為接觸網(wǎng)故障點(diǎn)距變電所的距離，一般取值為 0～25 km；Rg為短路接地電阻，按阻抗保護(hù)三段的電阻分量取值，一般取20 Ω。

所以當(dāng)Lmin= 0 km時(shí)，Uc的最小值

當(dāng)Lmax= 25 km，Zu= 0.226 2 + j0.447 4 Ω/km，RL= 5 500 Ω時(shí)，Uc的最大值

AT供電方式接觸網(wǎng)單位阻抗較直供加回流小，故計(jì)算略。

（2）在接觸網(wǎng)無(wú)故障時(shí)，其正常運(yùn)行接觸網(wǎng)饋線的空載電流一般小于3 A的容性電流，現(xiàn)按3 A計(jì)算：

則Ucmax= (Zjo/ (RL+Zjo))Ue= 86%Ue

在選取故障判斷裝置動(dòng)作電壓時(shí)，取可靠系數(shù)Kk為1.5，則

（3）短路點(diǎn)過(guò)渡電阻影響。以57%Ue校驗(yàn)：

故可不考慮短路時(shí)過(guò)渡電阻影響。

因此，在Uc＞57%Ue時(shí)，可以判定接觸網(wǎng)無(wú)故障，不閉鎖重合閘；在Uc＜57%Ue時(shí)，可以判定接觸網(wǎng)有永久性故障，需要閉鎖重合閘。

2 高壓線路故障判斷裝置結(jié)構(gòu)組成

典型單相牽引變電所單母線分段的27.5 kV主接線示意圖如圖2所示。

圖2 故障判斷裝置接線圖

高壓線路故障判斷裝置由專用高壓熔斷器RD、高壓限流器 XL、測(cè)量開(kāi)關(guān)用的旁路斷路器PLDL、隔離開(kāi)關(guān)GK1、GK2、測(cè)量電壓互感器PT、旁路測(cè)試母線PLCS、旁路隔離開(kāi)關(guān)PG等設(shè)備組成。高壓線路故障判斷裝置中2臺(tái)隔離開(kāi)關(guān)GK1、GK2是為改變裝置工作狀態(tài)和方便裝置檢修而設(shè)置的。限流器XL用來(lái)將測(cè)量電流限制在5 A以內(nèi)，以避免短路故障對(duì)高壓設(shè)備產(chǎn)生大電流沖擊。高壓熔斷器RD是在旁路斷路器發(fā)生故障拒分時(shí)，保護(hù)限流器和變電所27.5 kV母線的安全。

3 高壓線路故障判斷裝置工作原理

高壓線路故障判斷裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)：旁路斷路器PLDL處于分位，GK1打開(kāi)、GK2閉合，PG1—PG4打開(kāi)，由各主斷路器1DL—4DL向接觸網(wǎng)供電。

自動(dòng)測(cè)量方式工作原理及動(dòng)作過(guò)程如下：

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置保護(hù)出口繼電器BCJ迅速動(dòng)作，主斷路器跳閘，故障判斷裝置自動(dòng)啟動(dòng)，旁路隔離開(kāi)關(guān)PG（PG{PG∈1…PG4}）閉合，故障判斷裝置控制回路延時(shí)0.8～1 s（線路絕緣恢復(fù)）后，使旁路斷路器PLDL合閘，把故障判斷裝置由母線串入故障線路，母線上的27.5 kV電壓經(jīng)過(guò)高壓限流器送往故障線路，利用高電壓小電流進(jìn)行檢測(cè)。旁路斷路器PLDL閉合接通后，通過(guò)電壓互感器測(cè)量饋線殘壓，根據(jù)饋線殘壓大小判斷短路故障性質(zhì)；當(dāng)線路殘壓低于母線電壓57%時(shí)，裝置判定為永久故障，通過(guò)控制指令閉鎖故障線路的自動(dòng)重合閘，使主斷路器不能重合閘。同時(shí)發(fā)出永久性故障光字牌及音響信號(hào)報(bào)警；當(dāng)饋線殘壓大于母線電壓57%時(shí)，裝置判斷為瞬時(shí)性故障，啟動(dòng)重合閘，使主斷路器閉合送電。測(cè)量進(jìn)行0.6 s后，旁路斷路器PLDL自動(dòng)分閘，旁路隔離開(kāi)關(guān)PG（PG{PG∈1…PG4}）斷開(kāi)，使故障判斷裝置退出測(cè)量。故障判斷裝置在重合閘的3～5 s內(nèi)完成整個(gè)測(cè)量和判斷過(guò)程。

高壓線路故障判斷裝置還可進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，即在每次向接觸網(wǎng)線路送電前，或短路故障發(fā)生后、以及變壓器、饋線斷路器檢修后，都可首先使用故障判斷裝置探測(cè)線路是否處于無(wú)故障的安全狀態(tài)，再?zèng)Q定是否向接觸網(wǎng)線路送電。

4 運(yùn)用效果及結(jié)語(yǔ)

2006年，高壓線路故障判斷裝置在襄渝線襄樊供電段石花變電所和小花果變電所試運(yùn)行，1—8月2個(gè)變電所接觸網(wǎng)線路重合閘不成功率為14%，比2005年統(tǒng)計(jì)降低了9%，明顯低于未投入高壓故障判斷裝置時(shí)的重合閘不成功率。

在故障判斷裝置試運(yùn)行期間，每次接觸網(wǎng)檢修后或故障搶修結(jié)束時(shí)可先用故障判斷裝置進(jìn)行故障判斷，以排除地線未拆除、遺留短路接地、安全距離不夠等故障。在2006年5月，某接觸網(wǎng)工區(qū)進(jìn)行接觸網(wǎng)檢修作業(yè)結(jié)束后，因檢修用接地線未拆除致使接觸網(wǎng)處于接地狀態(tài)，送電前先用故障判斷裝置成功判斷接觸網(wǎng)有永久性故障，通知接觸網(wǎng)工區(qū)及時(shí)處理后，送電成功，避免了一次接觸網(wǎng)短路跳閘。

因電氣化鐵道供電方式特殊，運(yùn)行條件復(fù)雜，接觸網(wǎng)線路的短路故障較多。通過(guò)高壓線路故障判斷裝置對(duì)故障線路進(jìn)行高電壓小電流下的無(wú)損檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)線路繼電保護(hù)自動(dòng)重合閘實(shí)施選擇性閉鎖，避免盲目地向接觸網(wǎng)線路重復(fù)強(qiáng)送電，將大大減少短路電流和過(guò)電壓對(duì)變壓器、斷路器等重要電氣設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)了電氣設(shè)備檢修周期和使用壽命，避免事故范圍擴(kuò)大和發(fā)生不應(yīng)有的故障。同時(shí)還可在接觸網(wǎng)上逐點(diǎn)進(jìn)行小電流短路試驗(yàn)，準(zhǔn)確測(cè)定接觸網(wǎng)饋線的實(shí)際阻抗、電抗值及其與線路距離的實(shí)際關(guān)系曲線，為測(cè)定接觸網(wǎng)線路的基礎(chǔ)參數(shù)和準(zhǔn)確的判定故障點(diǎn)距離，提供可反復(fù)使用的無(wú)損檢測(cè)手段。

該項(xiàng)技術(shù)已在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛采用，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用范圍也將日益廣泛。

[1]TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[2]賀威俊.電力牽引供變電技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1998.

[3]Kie?ling, Puschmann, Schmieder.電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團(tuán)譯.北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[4]電氣化工程局電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)院.電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊(cè)牽引供電系統(tǒng)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.