重載鐵路過(guò)負(fù)荷保護(hù)誤動(dòng)分析及對(duì)策分析

郝海峰

(國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

0 引言

電氣化鐵路牽引變電所是牽引供電系統(tǒng)的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，是為電力機(jī)車供電的核心設(shè)施。實(shí)際運(yùn)行中，牽引變電所保護(hù)測(cè)控裝置常見(jiàn)的跳閘原因有過(guò)負(fù)荷[1-3]、金屬性接地短路、帶電過(guò)分相及高阻接地[4]等。隨著電氣化鐵路的發(fā)展，鐵路行車速度加快，機(jī)車密度加大，列車載貨量加大，導(dǎo)致機(jī)車牽引負(fù)荷急劇變化，供電線路的供電能力日趨緊張，過(guò)負(fù)荷跳閘問(wèn)題日益突出[5]。目前現(xiàn)有技術(shù)中，一般牽引變電所采取的措施是投入反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)，其主要原理是利用反時(shí)限曲線，根據(jù)過(guò)負(fù)荷電流的大小調(diào)整跳閘時(shí)間，防止接觸網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間大電流發(fā)熱，從而保證列車及接觸網(wǎng)安全。這種方式對(duì)于一般的行車密度不大、不涉及越區(qū)供電的普通鐵路線路，可以起到保護(hù)線路及機(jī)車安全的作用，但是過(guò)負(fù)荷時(shí)間達(dá)到定值后仍會(huì)跳閘，造成供電中斷。對(duì)于供電線路較長(zhǎng)，列車行車密度較大或涉及越區(qū)供電的重載鐵路，現(xiàn)有主保護(hù)均為變電所饋線距離保護(hù)。實(shí)際應(yīng)用中，若供電區(qū)間線路較長(zhǎng)，用電列車過(guò)多，則線路最大負(fù)荷電流將接近甚至超過(guò)接觸網(wǎng)末端短路電流，導(dǎo)致既有牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)功能無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分過(guò)負(fù)荷電流與接觸網(wǎng)末端短路電流，造成列車正常運(yùn)行時(shí)不必要的過(guò)負(fù)荷誤跳閘，從而對(duì)行車安全和整個(gè)線路產(chǎn)生不利影響，亟需盡快改進(jìn)完善。

因此，針對(duì)重載鐵路因無(wú)法區(qū)分越區(qū)供電、行車密度大時(shí)的末端短路電流及過(guò)負(fù)荷電流導(dǎo)致的弊端，基于現(xiàn)有成熟通信技術(shù)及朔黃鐵路接觸網(wǎng)光纖復(fù)合保護(hù)線，通過(guò)供電臂不同變電所間智能保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)交互，完成機(jī)車負(fù)荷與短路情況的判別，進(jìn)而調(diào)整牽引變電所過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值，確保過(guò)負(fù)荷保護(hù)不誤動(dòng)，達(dá)到牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)安全供電的目的。

1 既有過(guò)負(fù)荷保護(hù)功能缺陷與隱患

朔黃重載鐵路正線總長(zhǎng)近598 km，設(shè)計(jì)年運(yùn)輸能力為近期3.5 億t (2013 年)，遠(yuǎn)期4.5 億t。一般情況下，2 萬(wàn)t 級(jí)單臺(tái)電力機(jī)車負(fù)荷電流約為700 A[6]。對(duì)于常規(guī)的長(zhǎng)度為45 km 的供電臂，在列車追蹤時(shí)間較短的情況下，同時(shí)存在的列車數(shù)量可能超過(guò)3 臺(tái)；或者在越區(qū)供電情況下，同一供電區(qū)間的列車數(shù)量也可能超過(guò)3 臺(tái)。3 臺(tái)機(jī)車的負(fù)荷電流最大可達(dá)2 100 A，已經(jīng)超過(guò)接觸網(wǎng)末端短路電流。

因此，牽引變電所饋線繼電保護(hù)裝置將無(wú)法區(qū)分運(yùn)行大電流是由過(guò)負(fù)荷引起還是由接觸網(wǎng)末端短路引起，對(duì)線路安全造成隱患。具體產(chǎn)生的安全隱患有以下三個(gè)方面。

1) 重載線路的牽引變壓器容量較大，線路末端短路時(shí)，線路短路電流很大，但由于繼電保護(hù)裝置無(wú)法區(qū)分此大電流是過(guò)負(fù)荷電流還是短路電流，故其跳閘時(shí)間不能確定，因此，會(huì)對(duì)線路及設(shè)備產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的沖擊。

2) 若線路已經(jīng)處于過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，此時(shí)牽引變電所饋線保護(hù)裝置檢測(cè)到的電流接近甚至超過(guò)短路電流，若饋線保護(hù)裝置根據(jù)過(guò)電流保護(hù)原理立刻跳閘，則會(huì)影響線路的負(fù)載能力，不利于應(yīng)急狀態(tài)及正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷調(diào)配。

3) 現(xiàn)有過(guò)負(fù)荷保護(hù)沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)限及安全預(yù)警功能，只是單純的根據(jù)過(guò)負(fù)荷電流的大小，通過(guò)反時(shí)限方程計(jì)算出跳閘時(shí)間，這對(duì)于日益發(fā)展的重載鐵路技術(shù)，已顯得落后而僵化，難以與我國(guó)正在建設(shè)的智能牽引供電系統(tǒng)相適應(yīng)。

2 解決方案與對(duì)策分析

國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限公司正在逐步對(duì)朔黃、黃萬(wàn)等重載鐵路進(jìn)行改造，配置接觸網(wǎng)光纖復(fù)合保護(hù)線用于接地回流及區(qū)間所亭之間的互通信，并在牽引變電所亭內(nèi)配置智能裝置用于廣域保護(hù)。智能保護(hù)裝置能夠基于IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)相鄰變電所裝置之間的相互通信與信息交互，通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 所示智能保護(hù)裝置內(nèi)包含有數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)反饋模塊和儲(chǔ)存模塊等。各模塊需要完成的主要功能如下。

1) 數(shù)據(jù)收集模塊：收集本變電所及本供電臂中AT 所、分區(qū)所所有饋線實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)。

2) 數(shù)據(jù)處理模塊：基于數(shù)據(jù)收集模塊收集的負(fù)荷數(shù)據(jù)，分析本供電臂上的列車數(shù)量及負(fù)荷情況。

3) 數(shù)據(jù)反饋模塊：將處理完成的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至本供電臂牽引變電所內(nèi)智能裝置及相鄰供電臂牽引變電所的智能裝置，各所智能裝置將相關(guān)數(shù)據(jù)同時(shí)上傳至本所的監(jiān)控主機(jī)，再由監(jiān)控主機(jī)將數(shù)據(jù)下發(fā)至變電所內(nèi)各保護(hù)裝置，各保護(hù)裝置能對(duì)本供電臂饋線保護(hù)過(guò)負(fù)荷及過(guò)電流類保護(hù)定值進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)保護(hù)跳閘出口進(jìn)行控制，減小誤跳對(duì)電氣化鐵路安全供電造成的影響。

4) 儲(chǔ)存模塊：儲(chǔ)存本供電臂上牽引變電所及所有AT 所、分區(qū)所的各種當(dāng)前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)儲(chǔ)存相鄰牽引變電所供電臂相關(guān)數(shù)據(jù)，便于后續(xù)查詢及追溯，并通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)負(fù)荷變化趨勢(shì)的分析，有效指導(dǎo)檢修及列車運(yùn)行圖的調(diào)整。

牽引變電所兩側(cè)的AT 所、分區(qū)所智能裝置通過(guò)數(shù)據(jù)收集模塊收集負(fù)荷電流相關(guān)數(shù)據(jù)后，采用IEC 61850 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，使用光纖復(fù)合保護(hù)線廣域網(wǎng)絡(luò)通道，傳輸給牽引變電所智能裝置。牽引變電所內(nèi)智能裝置的數(shù)據(jù)處理模塊，將本所及兩側(cè)AT 所、分區(qū)所智能裝置數(shù)據(jù)收集模塊上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，實(shí)時(shí)分析當(dāng)前時(shí)刻本供電臂的負(fù)荷情況，以及所轄供電臂的負(fù)荷變化情況。對(duì)突增的電流量，需要判斷該電流變化來(lái)源于機(jī)車從本供電臂運(yùn)行至下個(gè)供電臂，還是來(lái)源于本供電臂末端發(fā)生接觸網(wǎng)短路故障。牽引變電所內(nèi)智能裝置的數(shù)據(jù)反饋模塊將已處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給牽引變電所監(jiān)控主機(jī)，再由監(jiān)控主機(jī)將相關(guān)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給變壓器后備保護(hù)裝置和饋線保護(hù)裝置，并對(duì)牽引變電所所內(nèi)這兩類裝置的過(guò)負(fù)荷保護(hù)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而達(dá)到判別過(guò)負(fù)荷電流和末端短路電流的目的，使保護(hù)既具有選擇性，也更加靈敏靈活。負(fù)荷狀態(tài)判斷流程如圖2 所示。

圖2 負(fù)荷狀態(tài)判斷流程

數(shù)據(jù)處理模塊在具體應(yīng)用中，如果線路末端發(fā)生短路故障時(shí)，其電流在供電臂呈現(xiàn)突增趨勢(shì)，而對(duì)相鄰供電臂上各所無(wú)影響(牽引供電系統(tǒng)分相設(shè)置的原因)；而過(guò)負(fù)荷時(shí)的電流突增，則會(huì)隨著機(jī)車前行在各區(qū)間依次產(chǎn)生。雖然都伴隨著電流突增，但兩者成因是不一樣的。因此，只要收集兩相鄰供電臂的負(fù)荷情況，通過(guò)負(fù)荷數(shù)據(jù)分析出機(jī)車的運(yùn)行方向及運(yùn)行速度，從而計(jì)算出機(jī)車運(yùn)行至本供電臂的時(shí)間，與電流突增時(shí)間進(jìn)行比較，即可判別出是線路過(guò)負(fù)荷還是短路。由于同一供電臂上牽引變電所、AT 所、分區(qū)所之間，以及不同供電臂的牽引變電所之間，這些所亭內(nèi)的智能裝置的數(shù)據(jù)反饋模塊均采用IEC 61850 協(xié)議通信，通過(guò)接觸網(wǎng)光纖復(fù)合保護(hù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，從而保證了裝置之間通信的實(shí)時(shí)性。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，各牽引變電所必須能夠區(qū)分負(fù)荷狀態(tài)、接觸網(wǎng)末端短路狀態(tài)及正常運(yùn)行狀態(tài)。

1) 負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)及檢測(cè)識(shí)別。各牽引變電所的數(shù)據(jù)反饋模塊將數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至其他供電臂的牽引變電所智能裝置，后者在接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后進(jìn)行延時(shí)(此延時(shí)與列車運(yùn)行速度及運(yùn)行方向有關(guān))，并將信息通過(guò)監(jiān)控主機(jī)發(fā)送給各保護(hù)裝置，若在此延時(shí)內(nèi)，各保護(hù)裝置檢測(cè)到電流量突變，則其認(rèn)定為負(fù)荷增加，機(jī)車已經(jīng)運(yùn)行到本供電臂，此時(shí)擴(kuò)大過(guò)負(fù)荷定值，使其與線路末端短路故障進(jìn)行區(qū)分，牽引變電所內(nèi)保護(hù)裝置不跳閘。

2) 接觸網(wǎng)末端短路狀態(tài)及識(shí)別。若本供電臂變電所在運(yùn)行中，未收到相鄰供電臂智能保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)反饋模塊所發(fā)送的有負(fù)荷變化的數(shù)據(jù)信息，但此時(shí)本供電臂各處出現(xiàn)線路電流突增，且變電所保護(hù)裝置感知到的電流達(dá)到過(guò)電流保護(hù)定值，則可判定為線路末端發(fā)生短路故障，需要跳閘，然后牽引變電所保護(hù)裝置進(jìn)入跳閘模式。

過(guò)流類保護(hù)動(dòng)作原理如圖3 所示，其中，Iset為過(guò)流類保護(hù)電流定值，當(dāng)檢測(cè)電流大于電流定值，且未收到相鄰供電臂機(jī)車進(jìn)入?yún)^(qū)間的信息，延時(shí)到達(dá)后，即跳閘出口。

圖3 過(guò)流類保護(hù)原理

3) 正常運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別。牽引變電所智能保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)處理模塊，將本所及兩側(cè)AT 所、分區(qū)所智能裝置數(shù)據(jù)收集模塊上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將所計(jì)算結(jié)果通過(guò)監(jiān)控主機(jī)發(fā)送給饋線保護(hù)設(shè)備，正常運(yùn)行狀態(tài)下，任一智能裝置對(duì)故障的判別，均需參考相鄰智能裝置的運(yùn)行狀態(tài)，綜合評(píng)估，避免誤判。

3 結(jié)束語(yǔ)

各個(gè)相鄰牽引變電所或牽引變電所與兩側(cè)分區(qū)所、AT 所的智能裝置之間，按照IEC 61850 通信標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)光纖復(fù)合保護(hù)線，實(shí)現(xiàn)信息交互。牽引變電所智能裝置通過(guò)收集本所及其他所相關(guān)信息，正確判斷并識(shí)別區(qū)間負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)、接觸網(wǎng)末端短路狀態(tài)以及正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)區(qū)間處于負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)的過(guò)負(fù)荷保護(hù)及過(guò)流類保護(hù)進(jìn)行了自適應(yīng)性升級(jí)改進(jìn)，確保此類運(yùn)行狀態(tài)下的線路及設(shè)備安全，減少了跳閘次數(shù)，為電氣化鐵路的正常運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。