王漢兵
(鄭州鐵路局 鄭州供電段,河南鄭州450005)
京廣、隴海鐵路干線,接觸網分相裝置普遍采用關節(jié)式電分相。由于關節(jié)式電分相僅有兩個500mm的空氣間隙,拉弧距離短,運行中經常發(fā)生相間短路故障。相間短路時,變電所饋線保護不能可靠動作,經常造成接觸網燒傷,一旦接觸網分相斷線,搶修十分困難。為防止相間短路保護裝置拒動,對鐵路局管內多起相間短路故障進行分析,對饋線綜合自動化保護的設置及整定計算進行了有益的探討和實踐,取得了良好的效果。
相間短路故障案例。
2006年9月27日13:03商丘變電所2#、1#饋線212、211斷路器相繼跳閘,212重合成功,211重合失敗。
(1)保護動作情況
13:03:14.713,212保護啟動,13:03:14.868,212阻抗Ⅰ段保護動作,故障測距為3.23km,電阻=42.98Ω,電抗=-4.212Ω,上行饋線電壓=92.51V,下行饋線電壓=92.33V,饋線電流=2.141A(壓互變比27.5/0.1kV;流互變比1 000/1A)。
13:03:15.023,211阻抗Ⅰ段保護動作,故障測距為0.09km,電阻=57.5Ω,電抗=-0.122 6Ω,上行饋線電壓=94.21V,下行饋線電壓=94.15V,饋線電流=1.64 A(壓互變比27.5/0.1kV;流互變比1 000/1A)。
(2)事故原因分析
從212、211保護動作報告和事件記錄看,212、211跳閘時,SS4432機車牽引的26050次列車正從商丘客場往東通過,應該是該機車引起2?!?#饋線相間短路故障。
相間短路時,阻抗保護測量的阻抗角發(fā)生變化,其中3#、4#饋線為滯后相饋線,214阻抗保護測量的阻抗角在第二象限未啟動,當212阻抗Ⅰ段跳閘后,211通過鐵路局界分區(qū)亭271和214構成環(huán)形相間短路,局界分區(qū)亭271阻抗保護阻抗角同樣發(fā)生變化未啟動,211阻抗Ⅰ段可以啟動并跳閘。
相間短路時,饋線保護測控裝置測量的阻抗角發(fā)生變化,故測儀指示發(fā)生較大偏差。商丘變電所距分相實際距離為1.8km,而本次跳閘饋線故障測距分別為3.23km和0.09km。
從短路故障案例可以看到,變電所發(fā)生相間短路故障時,具有饋線短路電流與接觸網近端對地短路電流持平或略小,短路時母線最低電壓高達20kV以上,短路阻抗角在0°附近的故障特征。
通過對大量的相間短路故障分析,歸納起來相間短路故障的原因主要有以下2種。
(1)機車帶負荷過分相造成相間短路
商丘變電所開通初期,變電所上行分相曾多次發(fā)生相間短路故障,從跳閘時刻看,均為D84次連掛動車組通過分相時引起。部分相間短路進行了現場錄像,從錄像上看,D84次列車后弓通過分相第1個斷口時產生持續(xù)電弧,電弧持續(xù)至后弓通過分相第2個斷口時引起相間短路。
事實表明,司機誤操作、自動過分相裝置失靈造成機車帶負荷過分相是造成相間短路的最主要原因。
(2)多機連掛升弓造成相間短路
關節(jié)式分相斷口少 中性區(qū)有效距離短 對相間短路的統(tǒng)計分析表明,多機聯(lián)掛升多弓是造成相間短路的另外一個原因。
鐵路局管內電氣化鐵道全部為復線,分區(qū)亭一般實行上下行并聯(lián)供電,接觸網饋線一般設阻抗保護為主保護,設電流速斷保護或過流保護為后備保護。
阻抗保護一般采用偏移平行四邊形或方向阻抗四邊形特性,阻抗保護的整定主要是對電抗邊和電阻邊進行整定。
電流速斷保護一般按供電臂末端最大短路電流整定。
過流保護一般按最大負荷電流整定。
隨著電氣化鐵路6次大提速,接觸網分相裝置逐步改為關節(jié)式電分相,相間短路故障不斷增多,給饋線保護帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。
(1)變電所相間短路時,一般引前相饋線阻抗Ⅰ段保護首先動作跳閘,跳閘后相間短路將通過分區(qū)亭轉化為環(huán)形短路,分區(qū)亭靠過流保護動作跳閘后故障消失。如果變電所兩側饋線斷路器同時跳閘,相間短路將通過兩側分區(qū)亭轉化為大環(huán)形短路,此時短路電流很小,保護可能全部拒動,分相線索燒傷將加重。以上情況,實際運行中都有發(fā)生,變電所相間短路時,饋線斷路器多臺同時跳閘的現象均出現過,給運輸生產和設備安全帶來很大危害。
(2)變電所相間短路時,當饋線過流保護為低壓過流保護,且引前相饋線阻抗保護不能動作,將出現變電所全部保護拒動,要么相間短路發(fā)展為弧光接地短路,要么將分相線索燒斷轉換為接地短路。
(3)分區(qū)亭或開閉所發(fā)生相間短路時,饋線阻抗、過流保護也存在不能可靠動作現象,相間短路缺乏有效保護,相間短路主要靠自然滅弧,一旦長時間不能滅弧,有燒斷分相線索的可能。
(1)變電所相間短路
目前,鄭州供電段主變壓器接線方式主要有Yn,d11、V/V及斯科特等幾種,變電所分相兩側電壓存在60°或90°相位差。
變電所相間短路向量示意圖見圖1。
從圖1中可見,Ua超前Ub相位角60°或90°,Ua為引前相,Ub為滯后相。兩相相差60°時,接觸網相間額定電壓ab等于27.5kV 兩相相差90°時 接觸網相間額定電壓Uab等于38.9kV。

圖1 變電所相間短路向量示意圖
當變電所距分相較近時,ab相接觸網短路阻抗主要由電弧電阻構成,電壓Uq較小,a相測量短路阻抗角φa約為幾度,位于第四象限,b相測量短路阻抗角φb約為160°多,位于第二象限。當變電所距分相較遠時,ab相接觸網短路阻抗由兩相接觸網阻抗和電弧電阻共同組成,電壓Uq增高,a相測量短路阻抗角φa可進入第一象限,一般不大于5°,b相測量短路阻抗角φb可小于160°。
引前相測量短路阻抗角在0°附近,一般位于第四象限,滯后相測量短路阻抗角在160°附近,一般位于第二象限。引前相測量電壓比滯后相測量電壓要高,兩相相差60°時,引前相測量電壓高達23.8kV以上,兩相相差90°時,引前相測量電壓高達19.4kV(55kV側為38.9kV)以上。
(2)分區(qū)亭或開閉所相間短路
目前,鄭州供電段有9個分區(qū)亭或開閉所分相兩側電壓存在相位差,因主變壓器接線方式不同,相位差有15°,30°,45°,60°等多種。
分區(qū)亭或開閉所相間短路向量示意圖見圖2。
從圖2中可見,Ua超前Ub相位角30°或60°,Ua為引前相,Ub為滯后相。兩相相差30°時,相間額定電壓ab等于14.2kV 兩相相差60°時 相間額定電壓ab等于27.5kV。

圖2 分區(qū)亭或開閉所相間短路向量示意圖
當變電所相間短路轉換成通過分區(qū)亭環(huán)形相間短路時,與分區(qū)亭相間短路類似,ab相接觸網短路阻抗主要由同側上下行接觸網阻抗構成,電壓Uq更高,由于上下行接觸網阻抗基本相等,分區(qū)亭測量短路阻抗角φfk約為-15°~-20°或+165°~+160°。此時,變電所測量短路阻抗角φa可進入第一象限,一般不大于5°,變電所測量短路阻抗角φb減小,一般不小于140°。由于分區(qū)亭兩側阻抗保護特性對稱,變電所上下行相間短路兩側分區(qū)亭測量阻抗均可按第四象限考慮。變電所兩相相差60°時,分區(qū)亭測量電壓約為23.8kV,兩相相差90°時,分區(qū)亭測量電壓約為19.4kV。
當分區(qū)亭相間短路時,兩變電所間ab相接觸網短路阻抗主要由兩側上下行并聯(lián)接觸網阻抗構成,電壓Uq也較高,由于兩側接觸網阻抗不一定相等,分區(qū)亭測量短路阻抗角φfk較-15°~-20°或+165°~+160°有較大變化。同樣,分區(qū)亭上下行相間短路測量阻抗可按第四象限考慮。兩側變電所相位角相差越大,分區(qū)亭測量電壓越低。由于分區(qū)亭相間短路時,分區(qū)亭并聯(lián)斷路器流過的短路電流僅為兩變電所間相間短路電流的二分之一,測量阻抗更大。
開閉所饋線與變電所饋線間相間短路時,ab相接觸網短路阻抗主要由開閉所進線及兩側饋線接觸網阻抗構成,電壓Uq同樣較高,由于開閉所兩側阻抗不一定相等,開閉所測量短路阻抗角φfk較-15°~-20°或+165°~+160°有較大變化。當開閉所位于超前相一側時,開閉所測量阻抗在第四象限,當開閉所位于滯后相一側時,開閉所測量阻抗在第二象限,兩側變電所相位角相差越大 開閉所測量電壓越低。
當饋線發(fā)生相間短路時,由于測量電壓不是兩相短路電壓導致測量阻抗偏大,以及電流與電壓的相位角發(fā)生改變,饋線保護響應特性發(fā)生了很大變化。
常規(guī)設置饋線阻抗保護相間短路的響應特性見圖3。

圖3 常規(guī)設置阻抗保護相間短路的響應特性圖
變電所發(fā)生相間短路時,變電所Ua引前相短路阻抗如圖2中1區(qū),一般在阻抗一段保護動作區(qū)能動作跳閘,引前相饋線跳閘后相間短路將通過分區(qū)亭轉化為環(huán)形短路,環(huán)形短路電流一般在1 000A以上,此時變電所、分區(qū)亭饋線短路阻抗如圖2中2、2′區(qū),分區(qū)亭靠過流保護動作跳閘后故障消失。當機車負荷較重、負荷阻抗角偏大致使阻抗保護R邊整定值較小時,以及偏移平行四邊形阻抗保護偏移電抗較小或方向阻抗四邊形阻抗保護容性阻抗偏移角較小時,阻抗一段保護均可能拒動。如果變電所引前相饋線斷路器不能首先跳閘,兩側饋線斷路器由電流速斷或過流同時跳閘,相間短路將通過兩側分區(qū)亭轉化為大環(huán)形短路,此時短路電流只有500A或600A,變電所、分區(qū)亭保護可能全部拒動。Ub滯后相短路阻抗如圖2中1′區(qū),不在阻抗保護動作方向不能動作跳閘。兩側饋線電流速斷保護一般能動作跳閘,過流保護均能動作跳閘,低壓過流保護因測量電壓高不能動作跳閘。
分區(qū)亭相間短路時,由于分區(qū)亭并聯(lián)斷路器流過的短路電流小,測量電壓高,短路阻抗較大,以及電流與電壓的相位角發(fā)生改變,變電所、分區(qū)亭饋線阻抗、過流保護均不能可靠動作。
開閉所饋線與變電所饋線間相間短路時,同樣存在短路電流小,測量電壓高,短路阻抗大的問題,當開閉所位于滯后相一側時,開閉所測量阻抗在第二象限,不在保護動作方向,當開閉所位于超前相一側時,測量阻抗雖在第四象限,但超出保護動作區(qū),開閉所饋線阻抗、過流保護均不能可靠動作。
根據以上分析,對鄭州供電段變電所、分區(qū)亭或開閉所相間短路饋線保護進行了全面的分析探討和整定計算,通過實踐不斷改進完善,取得了良好的效果。
經過分析探索,確定了復線區(qū)段變電所相間短路保護整定原則為:
阻抗保護作為相間短路的主保護,過流保護作為后備保護,電流增量保護作為輔助保護。
當變電所相間短路時,引前相保護首先動作跳閘,跳閘后故障轉換為半環(huán)形相間短路,之后分區(qū)亭保護動作跳閘。當兩變電所相間短路時,分區(qū)亭保護首先動作跳閘,跳閘后故障由兩變電所間復線相間短路轉換為兩變電所間單線相間短路,之后變電所引前相或滯后相相間短路專用阻抗保護動作跳閘。
(1)阻抗保護
根據相間短路測量阻抗分布范圍及角度特征,主要采取以下辦法:
① 在機車負荷阻抗角較大的區(qū)段,當阻抗一段X邊較小時,適當放大一段R邊定值,阻抗一、二段保護整定成“L”形橫長特性,但整定計算時應保證阻抗一段四邊形右上角滿足最大負荷要求。
② 加大偏移平行四邊形偏移電抗,加大方向阻抗四邊形容性阻抗偏移角。
③ 引前相設置相間短路專用阻抗Ⅲ段保護,作為變電所相間短路或兩變電所間相間短路的主保護,同時可作為變電所環(huán)形相間短路的后備保護。整定時X邊取最低值或對第一象限的覆蓋角小于5°,R邊按變電所環(huán)形短路或兩變電所間相間短路測量阻抗的1.3~1.5倍整定,容性阻抗偏移角φ2或偏移電抗對測量阻抗的覆蓋角不小于20°。整定時X邊、R邊不能過大,以防止交直交機車負荷造成誤動。
④ 當兩變電所間相位差較小時,兩變電所相間短路電流較小,引前相相間短路專用阻抗Ⅲ段保護將難以保持。此時,可考慮在兩變電所間滯后相饋線保護中設置阻抗保護,當阻抗保護為偏移平行四邊形時,可在阻抗二段保護第二象限設置相間短路專用保護區(qū);當阻抗保護為方向阻抗四邊形時,可設置反向相間短路專用阻抗Ⅲ段保護,用以保護兩變電所間相間短路。反向相間短路專用阻抗Ⅲ段保護的容性阻抗偏移角φ2不小于40°。整定反向專用阻抗Ⅲ段保護R邊及阻抗Ⅱ段保護第四象限-R邊時,整定值不能太大,否則有可能因再生制動負荷造成保護誤動,一般再生制動負荷電流不超過500A。
專用阻抗段保護考慮與分區(qū)亭保護配合 延時一般取0.4s。
改進設置饋線阻抗保護相間短路的響應特性見圖4。

圖4 改進設置阻抗保護相間短路的響應特性圖
變電所相間及環(huán)形相間短路阻抗保護27.5kV側最大測量阻抗Za'(Zb')計算及相間短路專用阻抗Ⅲ段保護整定計算:
相間電壓(作為基準):Uab=Ua-Ub=2×27.5×
測量電壓:U′a=Ua-Id×jXa=27.5×sinφ-2 j(27.5×)-Id×jXa
測量電壓:Ub′=Ub+Id×jXb=
最大測量阻抗:

變電所相間短路時:
V/V接線變電所:


Yn,d11接線變電所:

斯科特接線變電所:

兩變電所相間短路時,阻抗保護27.5kV側最大測量阻抗Za'(Zb')根據兩變電所具體接線形式及相位角進行計算。

其中:φ為分相間相位角;Z為27.5kV側最大短路阻抗(忽略弧阻抗),Z=Za+Zb;Za為27.5kV側引前相最大短路阻抗,Za=Xa+Zqa;Zb為27.5kV側滯后相最大短路阻抗,Zb=Xb+Zqb;Xa為27.5kV側引前相系統(tǒng)及主變最大電抗;Xb為27.5kV側滯后相系統(tǒng)及主變最大電抗;Zqa為27.5kV側引前相牽引網阻抗,Zqa=Xqa+Rqa;Zqb為27.5kV側滯后相牽引網阻抗,Zqb=Xqb+Rqb;Zq為環(huán)形單相牽引網阻抗(減去上下行互阻抗),Zq=Xq+Rq;X1∑為折算至27.5kV 側的系統(tǒng)最大電抗;Xba為27.5kV側的變壓器引前相電抗;Xbb為27.5kV側的變壓器滯后相電抗;Xb為27.5kV側的變壓器單相電抗;XAT為27.5kV側自耦變壓器電抗;KK為可靠系數,取1.3~1.5;n1為27.5kV側流互變比;ny為27.5kV側壓互變比。
變電所相間短路時:
V/V接線變電所:Xa=X1∑+Xba;Xb=X1∑+Xbb
Yn,d11接線變電所:Xa=Xb=X1∑+Xb
斯科特接線變電所:Xa=Xb=2X1∑+Xb+XAT
兩變電所相間短路時:
V/V及斯科特接線:Xa=Xb=2 X1∑+Xb
Yn,d11接線:Xa=Xb=2 X1∑+2 Xb
(2)過流速斷保護
復線區(qū)段電流速斷保護一般按供電臂末端最大短路電流整定,為防止近端大短路電流燒斷接觸線,延時一般整定0.03s,延時不能再短,否則影響故測儀指示精度。
為防止變電所相間短路時過流速斷保護同時跳閘,主要采取以下辦法:
① 滯后相采用方向過流速斷保護,近端對地短路快速動作跳閘,相間短路時,方向相反,保護可靠不動作。

② 滯后相采用低壓啟動過流速斷保護。UXD為相間短路,Zq=0時的相對地電壓,兩相相差60°時,UXD=23.8kV,兩相相差90°時,UXD=19.4kV(55 kV側為38.9kV)。KK為可靠系數,取1.2~1.3。
③ 當主變壓器接線方式為V/V及斯科特接線時,可調整滯后相過流速斷保護定值,使其在相間最大短路電流時不能動作。Id為相間最大短路電流,按以上公式,采用牽引側系統(tǒng)最小電抗計算。KK為可靠系數,取1.2。

(3)過電流保護
過電流保護一般按最大負荷電流整定,過電流保護最好不要采用低壓過流保護,因為當引前相所有保護拒動或斷路器拒分時,滯后相只有靠過電流保護跳閘。此時,過電流保護是唯一的后備保護。
為防止相間短路時超前相速斷、阻抗一段保護不能可靠動作,造成過電流保護同時跳閘,主要采取引前相過流保護延時比滯后相延時短一個級差,如引前相過流保護延時0.4s,則滯后相過流保護延時0.7s,以確保引前相過流保護首先動作跳閘。
(4)電流增量ΔI(高阻Ⅰ段)保護
當重負荷區(qū)段未設置相間短路專用阻抗保護或兩變電所間存在相位差時,阻抗、過流保護可能不能很好的保護各種相間短路,此時應設置電流增量保護作為相間短路的輔助保護,電流增量保護動作電流一般按供電范圍最大功率單臺機車啟動電流整定。Iqd為單臺機車最大啟動電流;KK為可靠系數,取1.2。

目前,有連掛動車組區(qū)段,動作電流整定500A,延時1~2s;其他區(qū)段,動作電流整定350A,延時1~2s。
分區(qū)亭饋線保護在變電所相間短路時會遇到環(huán)形或大環(huán)形相間短路,分區(qū)亭分相兩側存在相位差時,還會遇到兩變電所間相間短路 因此 分區(qū)亭饋線的相間短路保護設置顯得尤為重要。
目前,主要選擇阻抗、過流保護作為相間短路的主保護,電流增量保護作為輔助保護。阻抗、過流保護延時一般取0.03s,整定0.03s主要是考慮饋線短路時,分區(qū)亭首先跳閘切斷上下行短路電流,保證變電所故測儀不受上下行互感影響,提高故測儀指示精度。
(1)阻抗保護
設置上、下行相間短路專用阻抗保護,作為環(huán)形相間短路保護用,整定時X邊取零或最小,R邊按環(huán)形相間短路測量阻抗的1.3~1.5倍整定,偏移電抗或容性阻抗偏移角對測量阻抗的覆蓋角不小于30°。
環(huán)形相間短路分區(qū)亭最大測量阻抗Zf計算及相間短路專用阻抗保護整定計算。
測量電壓:

最大測量阻抗:

V/V接線變電所:

Yn,d11接線變電所:


斯科特接線變電所:環(huán)形相間短路分區(qū)亭專用阻抗保護整定計算參照變電所的進行。
(2)過電流(或過流速斷)保護
過電流(或過流速斷)保護按最大負荷電流整定。按環(huán)形相間最小短路電流校驗靈敏度,靈敏度不小于1.3。
(3)電流增量ΔI(高阻Ⅰ段)保護
考慮分區(qū)亭并聯(lián)斷路器在越區(qū)供電及高阻接地故障時對變電所測量阻抗的放大作用,分區(qū)亭并聯(lián)斷路器具備完善的保護功能非常重要,尤其在分區(qū)亭分相兩側存在相位差時,阻抗、過流保護不能可靠動作。因此,設置電流增量保護作為相間短路的輔助保護十分必要,電流增量保護動作電流一般按供電范圍最大功率單臺機車啟動電流整定,并與變電所電流增量保護有時限配合。
目前,動作電流一般整定為300A,延時0.5~1s。
在鐵路樞紐附近常建有開閉所,開閉所饋線與變電所饋線間也存在關節(jié)式電分相,分相兩側存在相位差,同樣會遇到相間短路問題。開閉所相間短路與分區(qū)亭環(huán)形短路類似,因此選擇阻抗、過流保護作為相間短路的主保護,電流增量保護作為輔助保護。
(1)阻抗保護
一般在有分相連接的饋線設置相間短路專用阻抗Ⅱ段保護,作為開閉所相間短路的主保護。當開閉所位于超前相一側時,由于開閉所測量阻抗在第四象限,因此按圖4變電所Ⅲ段阻抗特性設置阻抗保護;當開閉所位于滯后相一側時,由于開閉所測量阻抗在第二象限,此時可設置反向相間短路專用阻抗Ⅱ段保護,或在饋線阻抗Ⅰ段保護第二象限設置相間短路動作區(qū),用于保護相間短路。
開閉所設置饋線阻抗保護相間短路的響應特性見圖5。

圖5 開閉所設置阻抗保護相間短路的響應特性圖
整定相間短路專用阻抗Ⅱ段保護時,X邊取零或最小,R邊按最大測量阻抗的1.3~1.5倍整定,偏移電抗或容性阻抗偏移角對測量阻抗的覆蓋角不小于30°。整定反向專用阻抗Ⅱ段保護R邊及阻抗Ⅰ段保護第二象限-R邊時,整定值不能太大,否則有可能因再生制動負荷造成保護誤動,一般再生制動負荷電流不超過500A。
開閉所相間短路最大測量阻抗Zk參照分區(qū)所的Zf公式,并根據兩變電所具體接線形式及相位角進行計算。相間短路專用阻抗Ⅱ段保護整定計算參照變電所的進行。當開閉所位于滯后相一側時,最大測量阻抗Zk與計算值相差180°。
(2)過電流(或過流速斷)保護
過電流(或過流速斷)保護按最大負荷電流整定。按開閉所相間最小短路電流校驗靈敏度,靈敏度不小于1.3。
(3)電流增量ΔI(高阻Ⅰ段)保護
開閉所相間短路 阻抗 過流保護在相位差較小時同樣不能可靠動作。因此,設置電流增量保護作為相間短路的輔助保護,電流增量保護動作電流一般按供電范圍最大功率單臺機車啟動電流整定。
動作電流一般整定為350A,延時0.5~1s。
(1)利用大量相間短路實測數據,采用向量分析方法對牽引供電系統(tǒng)各種相間短路進行了全面分析,并針對綜合自動化保護現狀對變電所、分區(qū)亭饋線相間短路保護的設置及整定計算進行了有益的探討,經過不斷實踐,相間短路保護得到日益完善,取得了良好的效果。
(2)對相間短路保護的整定計算較為粗淺,在整定計算中還經常遇到保護種類不全、數量不足以及偏移電抗、偏移電阻、容性阻抗偏移角固定、無方向元件等問題 不能對饋線保護靈活設置及整定計算 需牽引供電運行部門及綜合自動化生產廠家不斷探索及改進。
(3)牽引供電系統(tǒng)相間短路對接觸網的危害極大,應引起各級運營管理及設計部門的高度重視,加強機車及自動過分相裝置的運用管理,減少機車帶負荷闖分相事故的發(fā)生,不斷提高保護整定計算水平,在電氣化鐵道新建及改造設計中盡量減少兩側電壓不同相分相的數量,保證牽引供電系統(tǒng)的運行安全。
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