鐵路10kV配電室饋出線保護誤動原因分析及處理

李彥吉，藺世吾，王 凡

（北京鐵路局 石家莊供電段，河北邯鄲056002）

鐵路10kV配電室擔負著鐵路行車信號（自閉線路）和鐵路沿線站區(qū)日常照明等負荷以及作為牽引變電所第三路電源（貫通線路）的供電任務，其重要性關(guān)乎鐵路運輸?shù)陌踩蠊╇姷目煽啃愿?、T接負荷小、運行方式與地方供電系統(tǒng)有很大的差別。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

以京廣線高邑配電室自閉供電系統(tǒng)為例，如圖1，所內(nèi)進線電源經(jīng)調(diào)壓器隔離后送至自閉母線、設(shè)母線電壓互感器，然后經(jīng)213DL送石—高（石家莊—高邑）自閉，正常情況下，西站主供、高邑所213DL分位、備供；經(jīng)214DL送高—邢（高邑—邢臺）自閉、高邑所214DL合位、主供，二者在線路首段均設(shè)有線路電壓互感器。饋線系統(tǒng)設(shè)電流速斷、過電流、失壓保護和備自投功能。

2011-03-19T11：55高邑配電室石高自閉備用、213DL分位，高邢自閉主送、214DL合位。西站配電室石高自閉速斷跳閘，高邑配電室石高自閉柜腳下線路YH失壓、母線側(cè)電壓正常，啟動備投回路，213DL合閘、而后電流速斷保護動作跳閘；同時因自閉母段電壓突降導致高邢自閉214DL失壓跳閘。

據(jù)統(tǒng)計，2011-01-01，2011-02-18出現(xiàn)同樣問題的不正常跳閘。

圖1 高邑配電室自閉系統(tǒng)供電示意圖

2 原因分析

（1）失壓保護誤動原因分析

針對2011-03-19的不正常跳閘，調(diào)取了當日誤動的214DL跳閘記錄，如表1。

表1 214DL跳閘記錄

圖2為跳閘當日的故障波形圖。通過214DL跳閘時的記錄和波形分析可以看出，在213DL備投于故障線路時，發(fā)生了三相對稱短路，導致高邑配電室自閉母線段電壓迅速下降至正常電壓一半左右。

高邑配電室采用WXH-883型饋線保護測控裝置，失壓保護整定值為65V（自閉母互線電壓），動作邏輯如圖3。

圖2 214DL保護跳閘波形圖

圖3 饋線測控裝置失壓保護動作邏輯圖

在裝置檢測到三相線電壓均小于整定值時，只要斷路器在合位，就會引起測控裝置動作、斷路器跳閘。也就是說，根據(jù)現(xiàn)有保護的設(shè)置情況，在饋出線出現(xiàn)三相對稱短路時，會引起同一母線段的另一饋出線失壓保護誤動作跳閘。

（2）備供所備自投失敗原因分析

在線路出現(xiàn)對稱三相短路的情況下，實際上備供所的線路電壓互感器也檢測到失壓。比如，西站配電室作為石—高自閉的主送所、高邑配電室213DL備供，在線路出現(xiàn)三相對稱短路時，高邑配電室213DL在西站配電室斷路器速斷保護動作跳閘前也檢測到線路失壓、本所母線有壓，瞬時動作合閘。也就是說西站配電室跳閘的同時高邑所213DL合閘，顯然二者僅存在一個西站配電室斷路器固有分閘時間與高邑配電室斷路器固有合閘時間差值10ms左右，在兩所采用不同類型的保護如微機保護和繼電器保護、不同型號的斷路器時，此時間會更短或者根本就沒有。如此短的時間會導致故障點電弧重燃、事故范圍進一步擴大。

多數(shù)情況下發(fā)生三相對稱短路時會自投失敗，與我們在主供所斷路器跳閘斷開后、備供所檢測到失壓瞬時動作合閘的想法相去甚遠。

3 解決方案

在石家莊供電段10kV配電系統(tǒng)線路故障中，據(jù)不完全統(tǒng)計，單相接地故障占67%，兩相短路占0.9%，兩相接地短路占15.9%，三相短路1.8%，其他故障14.4%。

我們隨機調(diào)取了高邑配電室的1次電流速斷跳閘記錄，如表2，為2011-05-16T20：13貫通線路223DL的跳閘情況。

表2 223DL跳閘記錄

從表2可看出，除三相短路外，線路間的線電壓不可能同時出現(xiàn)不正常，而失壓保護的電壓值就取自母線的三相值進行"與"判斷，僅會在出現(xiàn)三相短路時發(fā)生失壓保護的誤動。隨著高速客運專線的開通，自閉、貫通線路越來越多地使用了電纜供電，在同一地點出現(xiàn)三相短路的幾率將會越來越大。

3.1 現(xiàn)有軟硬件基礎(chǔ)上的解決方案及存在問題

3.1.1 修改失壓保護整定值

（1）修改失壓保護電壓整定值

理論上，只要將失壓保護電壓整定值減小，使其取值大于三相短路時的最低母線電壓水平，就能防止失壓保護誤動。但是在出現(xiàn)近端（如配電室出線）三相金屬性短路時，母線電壓可能降低到接近于零，我們總不能把電壓定值設(shè)定為0V，否則會發(fā)生更多的失壓保護拒動問題。

（2）增加失壓保護整定延時

將其值按躲過同段母線斷路器速斷保護動作時間整定，在速斷保護動作時間內(nèi)，失壓保護不會誤動。考慮到斷路器的分閘時間，其延時不能少于30ms，但是對方變電所，比如邢臺變電所的高邢自閉會在檢測到線路失壓的第一時間（瞬時）備自投動作，若高邑所214DL失壓保護不動作，會將邢臺所自閉母線電壓送至高邑所母線上、造成二者并相，且高邑所因為母線有壓而使失壓保護返回不再啟動跳閘。

因此不能靠增加失壓保護動作時間和降低失壓保護電壓整定值的方式來防止失壓保護誤動。

3.1.2 投入失壓保護有流閉鎖

如圖3，通過在失壓保護動作前判斷有無負荷電流的方式，防止其誤動。但鐵路自閉、貫通線路具有長距離輸送小負荷的特點［1］，其正常負荷電流值很小。比如高邑配電室高邢自閉線路一次側(cè)負荷電流3.84A、且三相基本平衡，在采用30／5電流互感器的情況下，二次電流只有0.64A，在母線電壓降低到正常值的一半時電流值也迅速降低為正常電流的1／3～2／3范圍內(nèi)，二次值最低在0.2A左右。輸電距離較短的線路或者同母段其他線路近端金屬性短路時二次電流值甚至降低到0～0.1A，這樣使得失壓保護有流閉鎖功能失效，且電流整定值很難選擇，現(xiàn)場應用中多數(shù)配電室退出了本項設(shè)置。

自閉、貫通線路多數(shù)情況下與牽引供電系統(tǒng)同方向近距離架設(shè)，在配電室真正出現(xiàn)失壓時，靜電感應出現(xiàn)的感應電流值就有0.2A，甚至更大，此時若投入有流閉鎖（比如0.2A），造成失壓保護拒動，相鄰所電壓會送至本所母線，對于不存在并相條件的配電室可能出現(xiàn)嚴重的后果。

3.2 創(chuàng)新性解決方案

3.2.1 各種故障特點分析

在10kV配電線路中，單相接地、兩相短路、兩相接地短路、三相短路等橫向故障發(fā)生的幾率較多，危害最為嚴重，線路斷線等縱向故障一般不會造成保護的誤動，在此不再討論。

（1）單相接地

在小電流接地系統(tǒng)中，線路發(fā)生單相接地時并不破壞系統(tǒng)線電壓的對稱性，并可持續(xù)運行1～2h，因失壓保護檢測的是線電壓、不會造成保護誤動。

（2）兩相短路［2］

在故障點處，用對稱分量表示，兩相短路有3個邊界條件：If（0）=0；If（1）=-If（2）；Uf（1）=Uf（2），即正序網(wǎng)絡和負序網(wǎng)絡在故障點并聯(lián)，零序網(wǎng)絡斷開。

發(fā)生故障時出現(xiàn)負序分量，沒有零序分量。

（3）兩相短路接地［2］

在故障點處，用對稱分量表示、兩相短路接地的邊界條件：If（1）+If（2）+If（0）=0；Uf（1）=Uf（2）=Uf（0）。顯然滿足此邊界條件的復合序網(wǎng)在故障點并聯(lián)。

發(fā)生故障時出現(xiàn)負序分量、零序分量。

（4）三相短路

序網(wǎng)構(gòu)成中同樣只有正序分量，也可以說在正序的基礎(chǔ)上串入了阻抗零；短路計算中只有正序分量，沒有負、零序分量。

大量的現(xiàn)場運行實踐表明［3］，當發(fā)生三相對稱短路瞬時也會出現(xiàn)短時的負序電壓，其值一般不小于0.06UN（額定相間電壓）。

3.2.2 優(yōu)化方案

（1）電流增量閉鎖失壓保護

為了解決由于1條饋出線三相短路時母線電壓降低引起另外1路失壓保護誤動的問題，可增加電流增量閉鎖條件，只有在電流有突變量的條件下、同時母線電壓降低才啟動斷路器跳閘。上例中214DL沒有增加的突變量，就不會引起失壓保護誤動作，動作邏輯如圖4。

同時，為了防止空載投運線路時，變壓器勵磁涌流致使電流增量誤觸發(fā)，可增加二次諧波閉鎖功能。

在配電室出現(xiàn)進線失壓時，由于二次諧波閉鎖的電流增量不會啟動，致使失壓保護拒動，此時可增加負序電壓的"或"條件。上述討論的各類短路故障在配電室饋出線側(cè)均會檢測到負序電壓，而真正的進線失壓時是不會產(chǎn)生負序電壓的，利用這一特征，增加在負序電壓U2小于整定值的情況下，只要三相線電壓降低時，就會啟動失壓保護動作，可有效防止進線失壓的情況下，發(fā)生的保護拒動問題。

圖4 饋線測控裝置失壓保護動作邏輯優(yōu)化圖

需要注意的是三相短路只是在故障發(fā)生的瞬時產(chǎn)生負序電壓，因此必須做到有負序電壓產(chǎn)生，在母線電壓恢復正常前，此閉鎖一直有效，以免引起失壓保護的誤動。

（2）負序電壓啟動的備自投

在發(fā)生三相短路時，備供所可能出現(xiàn)主供所跳閘前備自投誤投于故障線路的問題，可采取2種方案來解決這一問題：

①增加備自投延時，只要保證備供所的自投時限大于主供所斷路器固有跳閘時間就可以解決這一問題。

②增加負序電壓閉鎖，在備供所腳下的線路電壓互感器檢測到負序電壓后，自動延長躲過斷路器固有分閘時間自投延時，其他情況下，仍舊為瞬時動作。

4 結(jié)束語

鐵路10kV自閉、貫通線路有著與地方供電系統(tǒng)截然不同的特點，對地方供電系統(tǒng)的運行方式、保護設(shè)置照抄、照搬，就會出現(xiàn)某些不適應，要求我們進行必要的甄別。

本文在不增加任何設(shè)備的前提下，提出了通過優(yōu)化保護動作邏輯來避免保護誤動問題的方案，希望對鐵路配電室的安全運行提供有益的借鑒。

［1］于冬蘭.鐵路自閉貫通10kV電力線路電壓損失計算公式的探討［J］.鐵道標準設(shè)計，2003，（10）：130-132.

［2］陳 珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［3］劉學軍.繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，2004.