牽引供電饋線繼電保護(hù)問題分析及應(yīng)對措施

張翼翔，武 驥

(國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062300）

牽引供電綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對于保障鐵路行車安全具有重要意義。饋線繼電保護(hù)的靈敏性、可靠性、快速性、正確性如不能滿足設(shè)備故障判斷的要求，極有可能引起接觸網(wǎng)設(shè)備誤動(dòng)、拒動(dòng)，甚至對鐵路現(xiàn)場工作人員的人身安全構(gòu)成極大威脅。本文主要針對一起接觸網(wǎng)故障發(fā)生后，牽引供電饋線保護(hù)裝置拒動(dòng)的案例進(jìn)行原因分析，并針對暴露出的問題，提出有關(guān)措施和建議。

1 故障概況

1.1 故障經(jīng)過

2018 年3 月21 日，某分區(qū)所某區(qū)間上、下行接觸網(wǎng)并聯(lián)斷路器阻抗I 段保護(hù)動(dòng)作出口，斷路器跳閘將區(qū)間上、下行接觸網(wǎng)解除并列運(yùn)行，但對應(yīng)變電所接觸網(wǎng)饋線斷路器保護(hù)未動(dòng)作跳閘。54 s后，某次機(jī)車運(yùn)行到下行K126+500 處，B 節(jié)受電弓撞擊懸吊于承力索上的壓管和斜腕臂鋼管，導(dǎo)致受電弓弓頭、上框架斷裂飛出，列車緊急制動(dòng)后惰行395 m 停車。供電調(diào)度通知司機(jī)臨時(shí)處理B 節(jié)受電弓，司機(jī)將B 節(jié)受電弓下臂桿用鐵絲固定于B 節(jié)車頂上。供電專業(yè)人員經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)接觸網(wǎng)可以送電后，機(jī)車升A 節(jié)受電弓，機(jī)車頭處接觸網(wǎng)接地，并伴有嚴(yán)重拉弧和巨大聲響。此時(shí)該饋線電流1 000 余A，饋線保護(hù)裝置未動(dòng)作，供電調(diào)度員通過遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)緊急將變電所饋線斷路器遠(yuǎn)動(dòng)分閘。

1.2 設(shè)備基本參數(shù)

某牽引變電所主變壓器為V/V 接線，容量16 000+25 000 kVA，一次側(cè)額定電流145.45/325.37/227.27 A，二次側(cè)額定電流581.82/1 301.48/909.09 A。主變壓器低壓側(cè)和214 饋線CT 變比均為1 250/5；27.5 kV 母線PT 變比為27 500/100。

某區(qū)間供電方式為復(fù)線直供，上/下行通過分區(qū)所并聯(lián)運(yùn)行，上、下行饋線不包含供電線全長均為26.1 km，正線承力索型號(hào)為LBGLJ-185，接觸線型號(hào)為GLCN-250。

2 故障原因分析

2.1 受電弓撞擊接觸懸掛原因分析

通過視頻分析發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生前一只黃鼬攀爬至某區(qū)間下行K126+500 處328#接觸網(wǎng)下錨支柱斜腕臂的棒式絕緣子上，形成接觸網(wǎng)→腕臂鋼管→黃鼬→斜腕臂棒式絕緣子接地跳線→接觸網(wǎng)回流線的接地短路回路。短路電流致使斜腕臂棒式絕緣子炸裂、接地跳線燒斷。在接觸網(wǎng)張力和弧光短路電流的共同作用下，壓管棒式絕緣子隨即斷裂，壓管和斜腕臂鋼管脫離接地懸吊于承力索上。因變電所饋線斷路器未跳閘，某區(qū)間下行接觸網(wǎng)仍然有電，導(dǎo)致機(jī)車運(yùn)行到此處時(shí)，B 節(jié)受電弓撞擊懸吊于承力索上的壓管和斜腕臂鋼管。

2.2 接觸網(wǎng)二次接地原因分析

司機(jī)處理B 節(jié)受電弓后未將B 節(jié)切除，當(dāng)機(jī)車升起A 節(jié)受電弓后，致使接觸網(wǎng)通過機(jī)車接地。接地回路為：接觸線→A 節(jié)受電弓→車頂導(dǎo)電桿→B節(jié)受電弓下臂桿→B 節(jié)車外殼→鋼軌。

2.3 第一次接地饋線斷路器拒動(dòng)原因分析

1）距離保護(hù)未動(dòng)作原因分析

某區(qū)間饋線設(shè)兩段距離保護(hù)，其中Ⅰ段距離保護(hù)中的電抗定值按照不超過分區(qū)所斷路器范圍整定，如公式（1）所示。

公式中：KK為可靠系數(shù)，取1.2；L0為供電線長度；X0為供電線單位電抗；L1為接觸網(wǎng)長度；X1為接觸網(wǎng)單位電抗；nCT為電流互感器變比；nPT為電壓互感器變比。

電阻定值按照躲過最小負(fù)荷阻抗整定，如公式（2）所示。

式中：Umin為母線最低工作電壓；KK為可靠系數(shù)，取1.2；Ifhmax為最大負(fù)荷電流；θf為負(fù)荷阻抗角；θL為線路阻抗角；nCT為電流互感器變比；nPT為電壓互感器變比。

Ⅱ段距離保護(hù)中的電抗定值按照保護(hù)上、下行全長整定，如公式（3）所示。

電阻定值與Ⅰ段相同。實(shí)際Ⅰ段距離保護(hù)定值為電阻7.08 Ω、電抗6.13 Ω，Ⅱ段距離保護(hù)定值為電阻7.08 Ω、電抗17.09 Ω。

根據(jù)巡視反饋接觸網(wǎng)第一次接地位置故標(biāo)為25.99 km，為下行饋線末端，按照保護(hù)原理，Ⅱ段距離保護(hù)應(yīng)啟動(dòng)并按時(shí)限要求切除故障點(diǎn)。但由于短路電流通過黃鼬造成弧光接地，接地電阻較大，保護(hù)裝置測量的電阻值為15.24 Ω、電抗值為7.39 Ω，短路阻抗角為25.8°。雖然電抗值小于Ⅱ段距離保護(hù)動(dòng)作電抗整定值，但電阻值大于Ⅱ段距離保護(hù)動(dòng)作電阻整定值，短路阻抗值落在了保護(hù)裝置動(dòng)作區(qū)外，故Ⅱ段距離保護(hù)不能啟動(dòng)。

2）低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)未動(dòng)作原因分析

饋線設(shè)低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)，保護(hù)范圍為饋線全長。過電流二次動(dòng)作整定值為7.2 A（折算至一次側(cè)電流為1 800 A），低電壓二次動(dòng)作整定值為65 V(折算至一次側(cè)電壓為17.9 kV)。

接觸網(wǎng)第一次接地位置故標(biāo)為25.99 km，為饋線末端，按照保護(hù)原理，低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)應(yīng)啟動(dòng)并按時(shí)限要求切除故障點(diǎn)。但根據(jù)保護(hù)裝置后臺(tái)數(shù)據(jù)顯示二次側(cè)短路電流為5.25 A（折算至一次側(cè)電流為1 312 A）、二次側(cè)母線殘壓為89 V（折算到一次側(cè)殘壓為24.475 kV），保護(hù)裝置的電流值小于保護(hù)動(dòng)作整定值，電壓值大于保護(hù)動(dòng)作整定值，兩個(gè)條件都不滿足，故低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)不能動(dòng)作。

3）電流增量未動(dòng)作原因分析

電流增量保護(hù)通過比較正常狀態(tài)下的負(fù)荷電流（電感電流）和高電阻故障電流隨時(shí)間變化的分量ΔI的不同來檢出故障，可有效彌補(bǔ)因接觸網(wǎng)高阻接地時(shí)距離保護(hù)可靠性降低的問題。但該變電所饋線未投入電流增量保護(hù)，而未投入的原因?yàn)楹椭C號(hào)等交—直—交機(jī)車的功率因數(shù)接近于1 且啟動(dòng)電流較大，保護(hù)裝置無法進(jìn)行正常負(fù)載電流與故障電流的有效識(shí)別而造成電流增量保護(hù)誤動(dòng)，故將增量保護(hù)退出。

2.4 第二次接地饋線斷路器拒動(dòng)原因分析

接觸網(wǎng)第二次接地點(diǎn)至某牽引變電所的距離，比接觸網(wǎng)第一次接地點(diǎn)至某牽引變電所的距離要縮短395 m 且為金屬性接地。按照原理，短路點(diǎn)距離電源越近，短路電流越大，且保護(hù)裝置測量到的母線殘壓和電抗、電阻值越小，低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)和Ⅱ段距離保護(hù)更應(yīng)啟動(dòng)并按時(shí)限要求出口切除故障點(diǎn)。但不同于接觸網(wǎng)第一次接地后保護(hù)裝置后臺(tái)還有相關(guān)數(shù)據(jù)，接觸網(wǎng)第二次接地后除無保護(hù)啟動(dòng)信息外，也未能查詢到故障電流、電壓、電抗和電阻等有關(guān)參數(shù)。

1）饋線及主變壓器低壓側(cè)過電流啟動(dòng)低電壓拒動(dòng)原因分析

該饋線過電流保護(hù)二次定值IDZ=7.94 A，低電壓定值65 V；主變壓器低壓側(cè)過電流整定值IDZ=5.09 A，低電壓整定值65 V。根據(jù)饋線過電流保護(hù)整定計(jì)算如公式（4）所示。

公式中：KK為可靠系數(shù)，取1.2；Ifhmax為饋線最大負(fù)荷；nCT為CT變比。

則可得出：計(jì)算過電流定值時(shí)，所取的饋線最大負(fù)荷電流值Ifhmax達(dá)到1 654 A（折算到一次側(cè)），而設(shè)計(jì)院所給出的饋線最大負(fù)荷電流為1 489 A，按照此電流計(jì)算出的饋線過電流定值應(yīng)為：IDZ＝1.2×1 489/250 ＝7.15 A。

靈敏度方面：按照《鐵路牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10009-2005）（舊版，保護(hù)裝置投入時(shí)的有效版本）、《鐵路牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10009-2016）（現(xiàn)行有效版本）中，對近后備保護(hù)中電流元件的靈敏系數(shù)Km均為1.3 ～1.5 的規(guī)定，按照前述二次定值IDZ＝7.94 A，根據(jù)過電流保護(hù)靈敏系數(shù)校核計(jì)算如公式（5）所示。

公式中：IDmin為最小短路電流；Idz為保護(hù)裝置一次動(dòng)作電流。

反向推算得知，如果要滿足保護(hù)裝置靈敏性的要求（即被保護(hù)線路范圍內(nèi)故障時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)具有必要的靈敏系數(shù)），接觸網(wǎng)全長26.1 km 的某間下行饋線，在末端金屬性短路時(shí)，保護(hù)裝置安裝處測得的一次最小短路電流可達(dá)到2 581 ～2 978 A。根據(jù)變電所主變壓器容量、供電臂長度計(jì)算，在繼電保護(hù)整定中，所取的饋線最大負(fù)荷電流Ifhmax，以及末端金屬性最小短路電流IDmin值，雖然使過電流保護(hù)定值滿足了行車要求，但未滿足過電流保護(hù)動(dòng)作電流按躲過饋線最大負(fù)荷電流、尤其是未滿足末端故障時(shí)有足夠靈敏度進(jìn)行整定的要求，背離了繼電保護(hù)靈敏度優(yōu)先的原則。

2）距離保護(hù)拒動(dòng)原因分析

按照Ⅰ、II 段距離保護(hù)中的電阻整定計(jì)算公式（6）所示。

公式中:Umin為牽引變電所母線最低工作電壓；KK為可靠系數(shù)取1.2；θfh為負(fù)荷阻抗角，一般取40°～80°；θxL為線路阻抗角，一般取70°～85°。需要對牽引變電所母線最低工作電壓Umin、負(fù)荷阻抗角θfh、線路阻抗角θxL，在繼電保護(hù)整定中取值的合理性，做進(jìn)一步論證。

3）后臺(tái)數(shù)據(jù)丟失原因分析

該變電所饋線保護(hù)裝置的運(yùn)行期限已達(dá)9 年零10 個(gè)月，接近原鐵道部規(guī)定的電子產(chǎn)品10 年的運(yùn)行年限。裝置后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不穩(wěn)定，可能是導(dǎo)致第二次接地參數(shù)數(shù)據(jù)丟失的重要原因。

3 應(yīng)對措施及建議

3.1 建議對保護(hù)定值進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整

1）建議對低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)、距離保護(hù)定值重新進(jìn)行核算和調(diào)整

a.根據(jù)牽引供電設(shè)備和機(jī)車設(shè)備實(shí)際參數(shù)的理論計(jì)算，以及運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，必要時(shí)進(jìn)行列車運(yùn)行取流以及短路試驗(yàn)等實(shí)際測試，合理確定饋線最大負(fù)荷電流Ifhmax、牽引變電所母線最低工作電壓Umin、饋線末端金屬性最小短路電流IDmin、饋線末端金屬性短路時(shí)牽引變電所母線最大殘壓UDmax、負(fù)荷阻抗角θf和線路阻抗角θL，并實(shí)測PT 斷線后保護(hù)裝置測量電壓等數(shù)值。

b.根據(jù)上述確定數(shù)值，對距離保護(hù)、低電壓過電流保護(hù)的有關(guān)整定值進(jìn)行重新計(jì)算，并校核靈敏系數(shù)；同時(shí)，做好牽引變電所繼電保護(hù)裝置之間，以及接觸網(wǎng)饋線保護(hù)與電力機(jī)車保護(hù)之間的保護(hù)范圍和保護(hù)時(shí)限的配合，并滿足對繼電保護(hù)裝置的靈敏性、可靠性、選擇性要求。

2）建議對PT 斷線閉鎖保護(hù)的電壓整定值進(jìn)行調(diào)整

為防止接觸網(wǎng)短路后，牽引變電所母線二次側(cè)電壓降至60 V 以下時(shí)，導(dǎo)致PT 斷線閉鎖保護(hù)誤動(dòng)閉鎖距離保護(hù)，進(jìn)而引發(fā)距離保護(hù)拒動(dòng)致使保護(hù)裝置可靠性下降的問題，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建議將PT 斷線閉鎖保護(hù)的二次電壓整定值從現(xiàn)在的60 V調(diào)整為40 V，從而在保持對PT 斷線發(fā)生后的靈敏反應(yīng)的同時(shí)，防止裝置在接觸網(wǎng)故障發(fā)生后保護(hù)無法出口。

3）綜合考慮機(jī)車對于定值設(shè)置的影響

a.對SS4G 電力機(jī)車無欠壓保護(hù)的問題加以綜合考慮，如果因此造成供電系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)裝置可靠性下降的影響，無法通過其他方法予以彌補(bǔ)，就要考慮對SS4G 機(jī)車加裝欠壓保護(hù)，以避免在正常運(yùn)行狀態(tài)下，牽引變電所主變二次側(cè)母線電壓在低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)誤動(dòng)之前，無限制下降。

b.SS4B、SS4G 等交-直型機(jī)車運(yùn)行對投入電流增量保護(hù)較為有利，但需要對和諧號(hào)交-直-交型機(jī)車運(yùn)行對電流增量保護(hù)可靠性影響的程度，以及單跑、混跑模式分別對保護(hù)整定值的影響，做進(jìn)一步的論證。

4）優(yōu)化保護(hù)定值的靈敏性、正確性

a.牽引供電的繼電保護(hù)的配置以及整定計(jì)算，應(yīng)同時(shí)滿足可靠性、速動(dòng)性、選擇性和靈敏性的要求。當(dāng)因?qū)嶋H條件限制確實(shí)難以兼顧時(shí)，必須優(yōu)先保證靈敏性，尤其不能為滿足實(shí)際運(yùn)輸需求而將定值進(jìn)行簡單調(diào)整，以防止保護(hù)拒動(dòng)對設(shè)備或人員造成永久性損害。

b.牽引供電的繼電保護(hù)的整定計(jì)算，應(yīng)針對牽引供電以及機(jī)車的具體參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行方式，加以綜合考慮確定。當(dāng)不能滿足可靠性、速動(dòng)性、選擇性和靈敏性的要求時(shí)，應(yīng)考慮進(jìn)行牽引供電系統(tǒng)的改造，從根本上化解實(shí)際運(yùn)輸需求和牽引供電保護(hù)之間的矛盾，從而在安全的基礎(chǔ)上保障鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)效率的可持續(xù)維系與提高。

3.2 建議加快臨期、超期服役計(jì)算機(jī)保護(hù)的更換進(jìn)度

1）為防止計(jì)算機(jī)保護(hù)裝置因老化帶來的可靠性下降的影響，充分利用大、中修從根本上解決設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量下降的問題，加快推進(jìn)變配電所中臨期、超期繼電保護(hù)裝置的更換進(jìn)度。

2）針對短期無法進(jìn)行更換的計(jì)算機(jī)保護(hù)，需加強(qiáng)日常巡視和定期維護(hù)，同時(shí)針對板件、內(nèi)部排線、通訊線等薄弱環(huán)節(jié)需加強(qiáng)備品、備件管理，做到有備無患。

3.3 建議增加牽引變電所，縮短供電臂長度

鑒于某區(qū)間為直供加回流的供電方式，供電臂長達(dá)26.1 km，建議考慮增加牽引變電所，化解實(shí)際運(yùn)輸過程中供電臂列車容納和牽引供電繼電保護(hù)之間的矛盾。

3.4 建議明確應(yīng)急處置流程，提升應(yīng)急能力

要進(jìn)一步明確在各種異常和緊急狀態(tài)下的處置流程、細(xì)化應(yīng)急處置措施，提高應(yīng)急處置方案的針對性和有效性，并做好有針對性的培訓(xùn)教育工作，提高重點(diǎn)和關(guān)鍵崗位的應(yīng)急處置水平。

按照關(guān)于應(yīng)急演練的有關(guān)規(guī)定，對現(xiàn)場處置方案逐一進(jìn)行實(shí)景模擬演練。演練時(shí)要全面考慮防止次生災(zāi)害的安全措施，提高關(guān)鍵和重點(diǎn)崗位的應(yīng)急處置實(shí)操能力與安全意識(shí)。

4 結(jié)束語

針對一起機(jī)車和接觸網(wǎng)故障而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)保護(hù)拒動(dòng)的特殊情況進(jìn)行分析，從車輛、受電弓、變電所內(nèi)一次設(shè)備、各種保護(hù)的設(shè)置等進(jìn)行逐一分析，并指出其中不合理的處所，及時(shí)提出整改建議和未來的提升方向。為后期出現(xiàn)類似故障提供參考，也為發(fā)生故障時(shí)能快速啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，并能夠科學(xué)合理地分析產(chǎn)生故障的真實(shí)原因，減少故障處理時(shí)間，提升處理效率，保障鐵路的正常供電。