京滬高鐵饋線(xiàn)重合閘成功后的異常情況分析

李 瑞 肖世輝 劉建華

（中鐵電氣化局 天津 300380）

1 背景介紹

京滬高速鐵路北京局管內(nèi)共有正線(xiàn)312公里，牽引供電系統(tǒng)是由797.579條公里的接觸網(wǎng)系統(tǒng)、8座牽引變電所、7個(gè)分區(qū)所和12個(gè)變電所的牽引所亭系統(tǒng)和其相配套的電力配電系統(tǒng)組成。供電模式為北京南牽引變電所和魏善莊牽引變電所的北京方向?yàn)橹苯庸╇娔Ｊ?，其余全為全并?lián)AT供電方式。

圖1 全并聯(lián)AT供電方式示意圖

1.1 全并聯(lián)AT供電方式

全并聯(lián)AT供電方式，見(jiàn)圖1全并聯(lián)AT供電方式示意圖，是通過(guò)在牽引網(wǎng)絡(luò)中增設(shè)正饋線(xiàn)AF線(xiàn)和自耦變壓器（AT變壓器），且在上、下行牽引網(wǎng)的每個(gè)AT所和分區(qū)所共用母線(xiàn)分段來(lái)實(shí)現(xiàn)橫向的電氣聯(lián)接，從整體上減小了系統(tǒng)牽引網(wǎng)的阻抗，而且將牽引電壓的供電能力提高了一倍，擴(kuò)展了牽引變電所的間距使其更具有經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)較其他供電方式來(lái)說(shuō)，AF線(xiàn)的存在較單純的回流線(xiàn)形式，能顯著的減少牽引供電系統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的電磁污染。

1.2 微機(jī)保護(hù)裝置

北京局管內(nèi)的京滬高鐵牽引供電系統(tǒng)中的微機(jī)保護(hù)裝置為牽引變電所安全監(jiān)控與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有高適用性、高可靠性、易操作性、易擴(kuò)展性和易維護(hù)性的特點(diǎn)。此系統(tǒng)由各種保護(hù)測(cè)控單元、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控單元、遠(yuǎn)程通信單元、安全視頻監(jiān)控單元等組成，采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)完善的保護(hù)、測(cè)量和控制功能。

牽引變電所、分區(qū)所和AT所的饋線(xiàn)保護(hù)測(cè)控裝置，采用一套保護(hù)裝置負(fù)責(zé)一臺(tái)斷路器的運(yùn)行模式，它的保護(hù)功能和作用分別為自適應(yīng)距離保護(hù)（以提高躲避正常負(fù)荷的能力）、電流速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、自適應(yīng)電流增量保護(hù)（以保障高阻接地故障和異相短路故障時(shí)保護(hù)可靠動(dòng)作）、反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)和接觸網(wǎng)發(fā)熱保護(hù)（以監(jiān)視牽引網(wǎng)負(fù)荷狀況）、一次自動(dòng)重合閘（縮短故障延時(shí)，并采用瞬時(shí)性與永久性故障識(shí)別功能，減少重合永久性故障對(duì)設(shè)備的沖擊）、PT斷線(xiàn)檢測(cè)和分區(qū)所（AT所）檢有壓元件（分別起到失壓保護(hù)功能和檢有壓重合閘）等功能。

京滬高鐵牽引變電所設(shè)置一次重合閘功能，定值延時(shí)為2s，而分區(qū)所、AT所設(shè)置檢有壓重合閘功能，定值延時(shí)分別為3s和4s，失壓動(dòng)作定值延時(shí)為1s。牽引網(wǎng)系統(tǒng)在同一個(gè)供電臂上的牽引變電所亭的動(dòng)作邏輯為：假設(shè)某一牽引變電所因與之相關(guān)聯(lián)的接觸網(wǎng)發(fā)生故障而饋線(xiàn)跳閘，此跳閘出口時(shí)間定義為0s，分區(qū)所、AT所于1s時(shí)饋線(xiàn)失壓跳閘，牽引變電所2s時(shí)饋線(xiàn)重合閘，若故障未切除，則后加速跳閘，整個(gè)邏輯流程結(jié)束，若故障切除，則重合閘成功，分區(qū)所4s時(shí)饋線(xiàn)檢有壓重合閘，AT所5s時(shí)饋線(xiàn)檢有壓重合閘，邏輯流程結(jié)束。詳見(jiàn)圖2牽引網(wǎng)同供電臂跳閘邏輯示意圖。

圖2 牽引網(wǎng)同供電臂跳閘邏輯示意圖

分區(qū)所 AT饋線(xiàn)電流互感器變比為 CT=1000，電壓互感器變比為 PT=275。保護(hù)設(shè)有失壓保護(hù)（34.4V/1s，以下數(shù)值都為二次值），檢有壓自動(dòng)重合閘（57.3V/3s），距離保護(hù)（躲涌流偏移角85度，線(xiàn)路阻抗角 75度，容性阻抗偏移角 15度，其中距離Ⅰ段保護(hù)方向?yàn)榫€(xiàn)路方向，距離Ⅱ段保護(hù)方向?yàn)槟妇€(xiàn)方向），過(guò)流保護(hù)（1.62A/0.35s），電流增量保護(hù)（0.72A/0.42A/1.7s），PT斷線(xiàn)檢測(cè)（45.8V/1.62A）。

AT所饋線(xiàn)流互變?yōu)镃T=1000，壓互變比為PT=275。保護(hù)設(shè)有失壓保護(hù)功能（36V/1s），檢有壓自動(dòng)重合閘（60V/4s），PT斷線(xiàn)檢測(cè)（48V/0.96A）。

2 故障情況

案例一：2014.06.06故障分區(qū)所一

故障時(shí)間：2014-06-06，14：02：24.987；報(bào)告類(lèi)型：饋線(xiàn)保護(hù)；斷路器號(hào)：274；跳閘標(biāo)志：跳閘；重合閘標(biāo)志：重合閘失?。痪嚯x標(biāo)志：相對(duì)距離；故障距離：3.00 km；故障動(dòng)作：失壓元件動(dòng)作U=24.68kV，I=548A，Z=44.83Ω，φ：=268.2°；事件 1：1ms失壓?jiǎn)?dòng)，U=7.86kV；事件 2：1001ms失壓出口U=0.07kV；事件3：1113ms失壓返回U=0.00kV；事件4：4020ms 重合閘出口；事件5：4266ms后加速出口。

故障時(shí)間：2014-06-06 14：02：24.989；報(bào)告類(lèi)型：饋線(xiàn)保護(hù)；斷路器號(hào)：273；跳閘標(biāo)志：跳閘；重合閘標(biāo)志：重合閘失敗；距離標(biāo)志：相對(duì)距離；故障距離：3.00 km；故障動(dòng)作：失壓元件動(dòng)作U=24.44 kV，I=417A，Z=58.35Ω，φ=265.2°；事件1：1 ms 失壓?jiǎn)?dòng) U=8.20 kV；事件2：1001 ms失壓出口U=0.06 kV；事件3：1113 ms失壓返回U=0.06 kV；事件4：4020 ms重合閘出口；事件5：4198 ms后加速出口。

案例二：2013.01.30故障分區(qū)所二

故障時(shí)間：2013-03-30，07：21：11.167；報(bào)告類(lèi)型：饋線(xiàn)保護(hù)；斷路器號(hào)：274；跳閘標(biāo)志：跳閘；重合閘標(biāo)志：重合閘失??；距離標(biāo)志：相對(duì)距離；故障距離：3.00 km；故障動(dòng)作：失壓元件動(dòng)作U=24.82 kV，I=464A，Z=54.40Ω，φ=266.8°；事件1：1 ms失壓?jiǎn)?dòng)U=7.60 kV；事件9：1001ms失壓出口 U=0.12 kV；事件10：1113ms失壓返回U=0.20 kV；事件11：4020 ms重合閘出口；事件12：4210 ms后加速出口。

故障時(shí)間：2013-03-30，07：21：11.167；報(bào)告類(lèi)型：饋線(xiàn)保護(hù)；斷路器號(hào)：273；跳閘標(biāo)志：跳閘；重合閘標(biāo)志：重合閘失??；距離標(biāo)志：相對(duì)距離；故障距離：3.00 km；故障動(dòng)作：失壓元件動(dòng)作U=24.99 kV，I=666A，Z=37.83Ω，φ=267.6°；事件4：5 ms失壓?jiǎn)?dòng)U=4.69 kV；事件9：1005 ms失壓出口U=0.12 kV；事件10：1117 ms失壓返回U=0.12 kV；事件11：4024 ms重合閘出口；事件12：4266 ms后加速出口。

3 異常情況

以上案例故障都發(fā)生在接觸網(wǎng)有故障造成相應(yīng)牽引變電所饋線(xiàn)跳閘，重合閘成功，根據(jù)圖2牽引網(wǎng)同供電臂跳閘邏輯示意圖可以看出，正常情況下分區(qū)所應(yīng)該檢有壓重合閘成功，但由于分區(qū)所饋線(xiàn)保護(hù)裝置通過(guò)采集到的電量信息，判斷線(xiàn)路上有異常狀況，因此在重合閘成功的瞬時(shí)又后加速跳閘，重合閘失敗。

京滬高鐵北京局管內(nèi)從2012年到現(xiàn)在為止多次在不同的分區(qū)所發(fā)生過(guò)類(lèi)似事件，如除以上案例外還有故障分區(qū)所三在2015.11.05和2014.06.06，故障分區(qū)所四2016.05.24等等，但是從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看發(fā)生的頻率卻不是很高，平均約為一年一次。

綜上所述事件故障可歸納出以下幾個(gè)共性特點(diǎn)：事件都發(fā)生在分區(qū)所；事件發(fā)生頻率不高；事件發(fā)生的范圍較大且呈隨機(jī)分布；事件故障負(fù)荷角都在躲涌流偏移角265度左右；事件時(shí)采集到的電壓值為24 kV以上，電流值為600A左右。

4 故障分析

保護(hù)裝置所給的故障報(bào)文所列數(shù)據(jù)是最后一次跳閘出口時(shí)采集的數(shù)據(jù)，因此可以確定當(dāng)有后加速跳閘時(shí)的故障報(bào)文數(shù)據(jù)為后加速跳閘采集到的數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)故障報(bào)文數(shù)據(jù)可以判斷出全部的后加速跳閘原因都是距離Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，其它保護(hù)從電量數(shù)據(jù)和邏輯程序來(lái)判斷并未啟動(dòng)。距離Ⅱ段保護(hù)方向由于是指向母線(xiàn)側(cè)，且保護(hù)裝置的距離保護(hù)采用的是阻抗四邊形的原理，利用所給定值可得出相關(guān)保護(hù)邊界圖形，詳見(jiàn)圖3分區(qū)所距離Ⅱ段保護(hù)原理示意圖。

從所有后加速跳閘報(bào)文數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，事件阻抗角都處在躲涌流偏移角265度附近，而根據(jù)定值可得躲涌流偏移角 265度的邊界阻抗為，當(dāng)負(fù)荷角在265度左右且阻抗值小于201.56Ω時(shí)，阻抗值都在圖 3分區(qū)所距離Ⅱ段保護(hù)原理示意圖的跳閘邊界條件范圍以?xún)?nèi)，因此后加速跳閘從數(shù)據(jù)和邏輯來(lái)分析是正常的。

圖3 分區(qū)所距離Ⅱ段保護(hù)原理示意圖

分區(qū)所采集到的電壓的壓降到 24 kV～25 kV的原因是分區(qū)所暫時(shí)的供電臂末端壓降和變電所重合閘成功引發(fā)的瞬時(shí)電壓波動(dòng)，采集到的電流有可能為機(jī)車(chē)的正常取流（單編組機(jī)車(chē)的正常電流大小為500～600A左右）、自耦變壓器和機(jī)車(chē)變壓器勵(lì)磁涌流的原因，且電流方向指向分區(qū)所母線(xiàn)側(cè)，保護(hù)裝置的二次諧波閉鎖未閉鎖成功和未躲開(kāi)涌流偏移所致，所以引發(fā)距離Ⅱ段保護(hù)裝置動(dòng)作。

綜上所述，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，且有多組機(jī)車(chē)正好同時(shí)處在故障區(qū)段的上行和下行取流時(shí)，牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)裝置按照正常設(shè)定程序執(zhí)行，即牽引變電所相應(yīng)饋線(xiàn)跳閘，分區(qū)所、AT失壓跳閘，牽引變電所重合閘，AT所檢有壓重合閘，當(dāng)程序執(zhí)行到分區(qū)所檢有壓重合閘時(shí)，由于機(jī)車(chē)的取流（最主要的電流來(lái)源）、故障恢復(fù)時(shí)的勵(lì)磁涌流造成電流指向分區(qū)所的母線(xiàn)側(cè)和瞬時(shí)電壓波動(dòng)的壓降，使得電壓、電流滿(mǎn)足分區(qū)所距離Ⅱ段保護(hù)跳閘的條件，從而引發(fā)分區(qū)所饋線(xiàn)斷路器后加速跳閘。由于故障時(shí)必須有機(jī)車(chē)處在于此區(qū)段，且分區(qū)所采集到的電壓、電流的阻抗配合正好處在距離Ⅱ段的保護(hù)范圍內(nèi)，相關(guān)二次諧波閉鎖未成功抑制誤動(dòng)作，才會(huì)使得分區(qū)所饋線(xiàn)斷路器后加速跳閘，因此此類(lèi)故障的發(fā)生具有極大的偶然性和普遍性。

而由于AT所的保護(hù)配置的原因，所以AT所不會(huì)發(fā)生分區(qū)所發(fā)生的類(lèi)似事件。

5 相關(guān)建議

針對(duì)故障分析中的結(jié)論，得出分區(qū)所定值修改的如下建議：（1）針對(duì)牽引變電所重合閘成功后的勵(lì)磁涌流的影響，分區(qū)所饋線(xiàn)二次諧波閉鎖系數(shù)現(xiàn)為0.2，建議減小到0.15，以提高二次諧波閉鎖保護(hù)誤動(dòng)作的概率；（2）針對(duì)事件中分區(qū)所饋線(xiàn)保護(hù)動(dòng)作阻抗角在265度附近的情況，把現(xiàn)有的躲涌流偏移角85度調(diào)整為80度，以減小距離Ⅱ段保護(hù)的保護(hù)范圍，以躲過(guò)此偶發(fā)事件前提引發(fā)的距離Ⅱ段保護(hù)誤動(dòng)作；（3）針對(duì)事件中的末端電壓波動(dòng)，建議把現(xiàn)有的檢有壓重合閘延時(shí)3s更改為4s，以躲過(guò)牽引變電所重合閘成功后牽引網(wǎng)的電壓波動(dòng)；（4）針對(duì)其它鐵路線(xiàn)路的定值設(shè)計(jì)整定原則，在牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，取消除失壓保護(hù)和檢有壓重合閘保護(hù)以外的所有保護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

京滬高速鐵路現(xiàn)在每日開(kāi)行的列車(chē)數(shù)量是400對(duì)左右，運(yùn)輸壓力十分巨大，政治影響重大，跳閘故障時(shí)間的分秒浪費(fèi)都有可能影響到正常運(yùn)輸秩序，因此相關(guān)技術(shù)人員針對(duì)牽引供電系統(tǒng)中的定值研究、修改、復(fù)核是非常重要和有必要的。

另外京滬高速鐵路作為中國(guó)第一條具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的品牌，不僅僅對(duì)外具有很高的象征意義，最重要的一條就是可以以自身的極限運(yùn)營(yíng)所收集到的全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、總結(jié)和歸納，可以為國(guó)內(nèi)的其它高鐵或鐵路從設(shè)計(jì)之初就避免和完善細(xì)節(jié)上的不足，以提高整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的合理性和穩(wěn)定性。