一起故障引發(fā)的高速鐵路保護(hù)和測(cè)距行為分析

王 丹

0 引言

高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)采用全并聯(lián)AT 供電方式，其適用的保護(hù)和測(cè)距原理與以往電氣化鐵道的直供和BT 供電方式有所不同。鑒于高速鐵路的重要性，對(duì)保護(hù)裝置動(dòng)作的可靠性和故障測(cè)距的準(zhǔn)確度要求更高。當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作后，故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，對(duì)及時(shí)排除故障恢復(fù)行車至關(guān)重要。

本文通過一起因上網(wǎng)點(diǎn)電纜接頭故障引起的高速鐵路停電事件來分析饋線保護(hù)裝置和故障測(cè)距裝置的特性，并提出一些改進(jìn)措施。

將上下行斷路器和隔離開關(guān)212、2121、211、2111 全部遙控分開后，對(duì)上行和下行線路逐一送電，發(fā)現(xiàn)上行線路無法送電，而下行線路能正常送電。上行線路通過AT 所兼分區(qū)所的并聯(lián)線路由下行斷路器送電，同時(shí)令A(yù)T 所的自耦變壓器從線路上解列，從而暫時(shí)恢復(fù)行車。搶修人員在排查故障時(shí)發(fā)現(xiàn)，是變電所上行線路上網(wǎng)點(diǎn)電纜接頭處發(fā)生故障，導(dǎo)致上行線路無法正常供電。

該起故障涉及的牽引變電所和AT 所及線路上的主接線如圖1所示。

圖1 線路一次接線示意圖

1 故障概況

2012年1月17日01：56：24.435 某高速鐵路牽引變電所上行線路斷路器212 對(duì)應(yīng)的饋線保護(hù)裝置跳閘，阻抗I 段保護(hù)出口，接著01：56：24.609下行線路斷路器211 對(duì)應(yīng)的饋線保護(hù)裝置的阻抗I段保護(hù)出口。上下行線路均跳閘，分別于2 s 后自動(dòng)重合閘，上行線路重合閘后，線路再次跳閘，而下行線路重合閘后送電成功。

在01：59：21 時(shí)，調(diào)度遠(yuǎn)程操作斷路器212，對(duì)其控合后，與之對(duì)應(yīng)的饋線保護(hù)裝置再次跳閘。

2 保護(hù)動(dòng)作和測(cè)距結(jié)果分析

2.1 饋線保護(hù)配置

變電所斷路器212 和211 對(duì)應(yīng)的上下行饋線保護(hù)的配置：阻抗I 段為主保護(hù)，動(dòng)作時(shí)限為100 ms；低電壓?jiǎn)?dòng)的過流保護(hù)，動(dòng)作時(shí)限為100 ms；配備一次重合閘，時(shí)間定值為2 000 ms。

AT 所兼分區(qū)所的斷路器272 和271 對(duì)應(yīng)的饋線保護(hù)的配置：失壓保護(hù)，動(dòng)作時(shí)限為1 s；檢有壓重合閘，時(shí)間定值為3 s。

2.2 保護(hù)動(dòng)作分析

01：56：24 .335 時(shí)，斷路器212 對(duì)應(yīng)的上行饋線保護(hù)裝置檢測(cè)到上行線路的故障電流，此時(shí)線路阻抗在阻抗I 段的動(dòng)作區(qū)內(nèi)，從而在延時(shí)100 ms后，保護(hù)出口導(dǎo)致斷路器212 跳閘。因?yàn)锳T 所將上下行線路并聯(lián)，所以在斷路器212 跳閘后，由于下行斷路器211 未跳閘，所以線路并未失壓，此時(shí)故障仍然存在線路上，導(dǎo)致與斷路器211 對(duì)應(yīng)的饋線保護(hù)裝置達(dá)到阻抗I 段的動(dòng)作值，所以在01：56：24.609 時(shí)，下行饋線保護(hù)裝置出口，斷路器211 跳閘，致使上下行線路均失壓，經(jīng)過1 s 后AT 所的斷路器271 和272 對(duì)應(yīng)的饋線保護(hù)裝置失壓跳閘，上下行線路取消并聯(lián)，AT 所的自耦變壓器從線路上解列，線路轉(zhuǎn)換為直接供電方式。

斷路器212 對(duì)應(yīng)的上行饋線保護(hù)裝置跳閘出口2 s 后，自動(dòng)重合閘，由于故障在上行線路上，所以重合閘后，阻抗I 段再次出口，導(dǎo)致上行線路失電。斷路器211 對(duì)應(yīng)的下行保護(hù)裝置跳閘出口 2 s 后自動(dòng)重合閘，由于下行線路無故障，且上下行線路已經(jīng)取消并聯(lián)，所以線路重合后未再跳閘。

跳閘報(bào)告如表1所示。

表1 保護(hù)和測(cè)距報(bào)告表

從上述分析可以看出，饋線保護(hù)裝置的動(dòng)作行為正確無誤。從故障報(bào)告來看，饋線保護(hù)的動(dòng)作報(bào)告中包含了故障點(diǎn)位置。由式（1）中的電抗值X，根據(jù)線性電抗法查表計(jì)算可以得到故障點(diǎn)位置。

從式（1）可看出，該式顯然對(duì)AT 供電方式下的測(cè)距不適用，因此饋線保護(hù)裝置故障報(bào)告中的故障點(diǎn)距離不應(yīng)做為此時(shí)線路檢修的依據(jù)。

只有當(dāng)線路上的AT 自耦變壓器解列，線路供電變成直供方式時(shí)，才適用線性電抗測(cè)距原理。且在T 線故障和F 線故障時(shí)應(yīng)采用不同的線路電抗計(jì)算公式，如式（2）和式（3）。

式中，XT和XF分別表示T 線故障和F 線故障時(shí)的線路電抗值。

2.3 故障測(cè)距分析

在線路故障期間，變電所斷路器212 對(duì)應(yīng)的上行饋線保護(hù)一共出口3 次，其中第1 次為故障出口跳閘，第2 次為重合閘后的加速出口跳閘，第3 次為手合在故障線路后的再次出口跳閘。第1 次跳閘時(shí)，故障測(cè)距裝置啟動(dòng)，并指示故障位置在3.98 km處；第2 次跳閘時(shí)變電所故障測(cè)距裝置啟動(dòng)了，但是未計(jì)算出故障點(diǎn)距離；第3 次跳閘時(shí)，故障測(cè)距裝置啟動(dòng)，并指示故障位置在3.91 km 處。

具體原因分析如下：AT 供電方式下的故障測(cè)距裝置采用的是吸上電流比測(cè)距原理，配置示意圖如圖2所示。變電所處測(cè)距裝置為A 型，AT 所配置B 型測(cè)距裝置。A 型測(cè)距裝置根據(jù)阻抗和電流來啟動(dòng)測(cè)距功能（其定值與饋線保護(hù)對(duì)應(yīng)的定值一致）。B 型測(cè)距裝置可采用電壓突變量來啟動(dòng)測(cè)距功能；也可采用GPS 對(duì)時(shí)方式，即在收到A 型裝置的啟動(dòng)報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文中的時(shí)標(biāo)來上送對(duì)應(yīng)交流量數(shù)據(jù)，2 種方式均可選擇[1]。

圖2 測(cè)距裝置配置示意圖

圖3為AT 所兼分區(qū)所的主接線示意圖。該所采用B 型測(cè)距裝置，裝置的交流電壓接入的是下行線路的T 線和F 線電壓（對(duì)應(yīng)1YHT 和1YHF 2個(gè)電壓互感器），并未接入上行線路的T 線和F 線電壓（對(duì)應(yīng)2YHT 和2YHF 2 個(gè)電壓互感器）。

圖3 AT 所兼分區(qū)所主接線示意圖

從圖3可以看出，因?yàn)樵摯喂收蠒r(shí)，AT 所的故障測(cè)距裝置采用“電壓突變量”啟動(dòng)方式，只有在電壓突降達(dá)到定值時(shí)才會(huì)上送AT 所電壓和電流數(shù)據(jù)[1]，在斷路器212 第2 次跳閘時(shí)，斷路器211跳閘導(dǎo)致下行線路已經(jīng)失電，所以B 型測(cè)距裝置未能啟動(dòng)并上送交流量值，因此變電所A 型測(cè)距裝置未收到B 型裝置的數(shù)據(jù)，從而未計(jì)算出故障點(diǎn)距離。

3 建議

從該次接觸網(wǎng)故障事件來看，在線路故障后的檢修過程中，由下行非故障線路通過AT 所實(shí)現(xiàn)上下行線路的同時(shí)供電。因此下行饋線保護(hù)裝置的保護(hù)定值應(yīng)該按照2 臺(tái)斷路器合并運(yùn)行時(shí)的線路狀況來整定。

另外在此期間若接觸網(wǎng)再發(fā)生故障，故障測(cè)距裝置應(yīng)該能正常啟動(dòng)并給出故障點(diǎn)距離。此時(shí)線路是直供方式，應(yīng)采用線性電抗測(cè)距原理來計(jì)算故障點(diǎn)距離，線路的長(zhǎng)度應(yīng)該由上行和下線線路長(zhǎng)度相加得到。

變電所和接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)之間供電線電纜也有可能發(fā)生故障，因此故障測(cè)距裝置應(yīng)將其長(zhǎng)度考慮在測(cè)距中，而不是只考慮接觸線的長(zhǎng)度。

AT 所的測(cè)距裝置應(yīng)該將線路的上行和下行電壓全部接入，以免電壓突變量無法啟動(dòng)測(cè)距功能。

4 結(jié)論

鑒于高速鐵路運(yùn)行的特殊性，故障發(fā)生后線路快速恢復(fù)行車至關(guān)重要，因此檢修人員對(duì)保護(hù)裝置能否正確動(dòng)作、故障測(cè)距裝置能否正確啟動(dòng)并指示故障距離很重視。文中提出了幾點(diǎn)對(duì)保護(hù)裝置和故障測(cè)距裝置的改進(jìn)措施和注意事項(xiàng)，總結(jié)如下：

（1）在AT 全并聯(lián)供電方式下，線路故障點(diǎn)的位置應(yīng)該以故障測(cè)距裝置給出的為準(zhǔn)，饋線保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告中的故障點(diǎn)距離無參考意義。

（2）在變電所饋線斷路器2 臺(tái)合并為1 臺(tái)運(yùn)行時(shí)，饋線保護(hù)裝置的定值應(yīng)按照合并運(yùn)行時(shí)的線路狀況來整定。

（3）AT 所測(cè)距裝置應(yīng)采取突變量啟動(dòng)和GPS對(duì)時(shí)方式相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。

（4）應(yīng)將上行線路和下行線路電壓全部接入故障測(cè)距裝置。

（5）故障測(cè)距裝置采用線性電抗比測(cè)距原理計(jì)算故障點(diǎn)距離時(shí)，線路全長(zhǎng)應(yīng)為上行和下行線路長(zhǎng)度相加。

（6）故障測(cè)距裝置在計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮供電線路電纜的長(zhǎng)度。

[1]國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司.WGB-65U 微機(jī)故障測(cè)距裝置技術(shù)說明書[Z].南京：國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，2011.