繼電保護整定時間與接觸線斷線的關系

李 冰，劉杰民

0 引言

2007年1月—2010年3月，濟南鐵路局發生7次因電力機車絕緣不良造成的接觸網短路事故，強大的短路電流使接觸線溫度瞬間升高，接觸線迅速軟化、機械強度大幅度下降，最終接觸線在張力作用下被拉斷。

接觸線斷線故障的發生，不單構成C類事故，帶來一定的經濟損失，同時，為安全運行埋下嚴重隱患。一旦有內燃機車通過斷線地段，可能會造成更為嚴重的后果。本文通過研究熔斷電流與繼電保護整定時間的對應關系，分析接觸線斷線的機理，針對性地調整繼電保護整定值，從而達到防止接觸網斷線事故的發生。

1 斷線電流和時間的對應關系分析

接觸線與受電弓接觸點存在接觸電阻，是整個導電回路中單位電阻最大的環節，當出現機車內部的變壓器、電壓互感器瞬間擊穿或冰雪、大霧天氣使車頂絕緣子放電等造成接觸網短路時，因通過該接觸點的電流瞬間變大，接觸線溫度迅速上升而發生軟化，超出耐受張力時即被拉斷。另一種情況，在機車絕緣故障沒有排除的情況下，升弓時受電弓與接觸線接觸前會產生強電弧放電，加劇接觸線溫升和軟化程度，最終在張力作用下被拉斷。

根據國際上通用的 ANSYS系統仿真分析軟件，銀銅合金接觸線（CTHA-120）在弓網接觸壓力為70 N、短路電流為5000 A條件下，接觸線中心溫度和表面溫度與短路電流持續時間的對應關系如圖1所示。

圖1 接觸線溫升隨時間變化曲線圖

由圖1可見，短路電流為5000 A、持續0.12 s時，CTHA-120銅銀合金接觸線在弓網接觸部位的溫度即可達到“屈服”溫度300℃，接觸線機械強度會迅速降低，在張力作用下被拉斷。事實上，隨著短路電流的增加，接觸線達到“屈服”溫度的時間會進一步縮短。

在該情況下，若要防止接觸線被拉斷，可采取2種辦法：一是減小接觸線張力，顯然不可取。二是降低接觸線溫升，保持接觸線足夠的機械強度。

降低接觸線溫升取決于2個方面：

（1）弓網接觸要可靠，避免產生拉弧放電；弓網接觸電阻要盡量小，受電弓滑板盡可能保持平滑、清潔、不得有覆冰，受電弓壓力保持正常狀態；接觸線也要保持清潔，不得有覆冰。

（2）盡量縮短短路電流持續時間，這就必須從繼電保護入手，盡量縮短接觸網短路保護時間的整定值。

經查閱有關資料，截面100 mm2銅導線熔斷電流與持續時間的關系為

式中，Imax為導線熔斷電流；tsc為短路電流持續時間。

短路電流的持續時間取決于速斷保護整定時間t1、繼電保護裝置的反應時間t2和斷路器本體的跳閘時間t3之和，在采用真空斷路器的單相交流系統中，真空斷路器本體跳閘時間t3約在20～45 ms（來自產品說明書）。而根據設計院提供的牽引變電所保護定值，濟南鐵路局各牽引變電所饋線速斷保護的整定時間均為0.100 s，保護裝置的固有反應時間為0.015 s（來自產品說明書），真空斷路器本體分閘時間暫且取上限為0.045 s，因此，短路電流持續時間為tsc= 0.160 s。

由式（1）可得，電流速斷時間整定值為0.10 s情況下的熔斷電流為7600 A。反言之，若弓網接觸良好，接觸網可承受7600 A的短路電流，超出該臨界值就有可能造成斷線。依次類推，可得出電流速斷時間整定值分別為0.00，0.02，0.04，0.06，0.08 s秒情況下的熔斷電流值（見表1）。

表1 速斷保護整定時間與導線允許承受的短路電流表

由表1可以看出，熔斷電流的大小與電流持續時間成反比，也就是說，短路電流作用時間越長越容易造成短路點的接觸線熔斷，

通過對濟南鐵路局2007年1月—2010年3月間發生的7件接觸線斷線情況的分析，接觸網短路時短路電流已超出導線不熔斷條件的耐受時間，從而導致接觸網斷線事故頻繁發生。

2 調整繼電保護整定時間的防斷線措施

從以上分析可以看出，將各牽引變電所饋線速斷保護的整定時間調整到0.05 s以下，可以縮短接觸線對短路電流的持續時間，有助于減少接觸線斷線事故的發生。

自2010年3月—12月，濟南鐵路局將局管內各牽引變電所將饋線速斷保護整定時間由0.10 s修改為0.02 s，有效地防止了29次8000 A以上的接觸線斷線事故。

但由于速斷保護整定時間的縮短，改變了牽引變電所與電力機車斷路器的跳閘配合關系，增加了接觸網跳閘的頻次。《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB10009-2005）4.7.16規定：“變電所、開閉所、分區所的保護應與電力機車內部保護相配合，其速斷保護應有適當的延時，此延時宜為0.1 s”。那么，為什么要將延時整定為0.10 s呢？經查閱電力機車技術資料，機車主斷路器分閘時間一般為20～60 ms，暫且按最大分閘時間60 ms考慮。變電所繼電保護裝置整定時間要大于0.06 s，才能躲過機車內主斷路器的分閘時間，滿足選擇性跳閘的要求。當電力機車內部發生短路故障時，電力機車和牽引變電所的斷路器將同時啟動速斷保護裝置動作，0.06 s后電力機車斷路器首先跳閘，而牽引變電所繼電保護裝置的速斷保護裝置啟動后要持續0.10 s進行確認，在速斷保護裝置出口動作前，由于短路電流隨著電力機車斷路器的跳閘而消失，牽引變電所速斷保護裝置動作自動返回，這樣，接觸網能夠正常供電，避免了對供電臂上其它電力機車的影響。

速斷保護整定值修改為0.02 s后，電力機車內部發生短路故障時，牽引變電所斷路器和電力機車斷路器會同時跳閘，這樣，對供電臂上其他運行的電力機車會造成一定影響。

然而，牽引變電所的速斷保護裝置一般與自動重合閘保護裝置配合使用，當速斷保護裝置跳閘后，經過2 s重合閘裝置會自動合閘一次，這時，如果電力機車內部發生短路故障，牽引變電所和電力機車的斷路器將同時跳閘，而牽引變電所斷路器自動重合閘會成功，電力機車斷路器不設重合閘，仍然能夠有效切除電力機車內部故障，但增加了牽引變電所斷路器的跳閘次數。

繼電保護裝置對故障測距信息是通過故障時電壓、電流的矢量值自動計算得出的。一般采用故障錄波中保護指令出口前1個周波（即20 ms）的電壓、電流矢量值計算得出短路時的總阻抗，然后，通過錄波測得的阻抗角計算出電抗值，除以接觸網的單位電抗，從而計算出故障點距變電所的距離。經調閱繼電保護裝置的錄波圖像，發現速斷保護裝置從啟動到出口約 20 ms的時間內含有大量的諧波，且阻抗角不穩定；20ms后諧波基本消失，阻抗角也達到穩定狀態。

對于區間正線供電臂，若要保證故障測距信息的準確性，速斷保護整定時間應躲過速斷保護裝置啟動后諧波含量較多的第一個周波（即 20 ms），使故障測距采用沒有諧波含量的第二個周波的電壓、電流矢量參數，以避免諧波含量對故障測距信息的影響。目前，速斷保護整定時間已由0.02 s再次修改為0.04 s，這樣，即滿足了故障測距準確性的要求，又達到防止短路電流持續時間過長燒斷接觸線的目的。雖然 0.04 s與導線熔斷的極限時間0.05 s比較接近，但考慮到上述公式給定的條件是針對 100 mm2銅銀導線而言，濟南鐵路局管內接觸網正線采用的接觸線是 120 mm2銅銀導線，因此，承受短路電流的能力還有一定裕度。

3 實施效果

按照上述原則該局再次對電流速斷保護整定值進行了修改，自2011年1—7月，濟南鐵路局管內發生8次短路電流在8000 A以上的短路故障，最高短路電流為12000 A，均沒有發生斷線事故，而且故障測距準確性大大提高，最大誤差為400 m，最小誤差為25 m。可以看出，調整速斷保護整定時間為0.04 s后，即達到了防止接觸線斷線的目的，又確保了故障測距信息的正確性。

4 結束語

綜上所述，筆者建議牽引變電所繼電保護裝置的生產廠家對故障測距計算方法進行改進，將既有裝置測距電量采用保護指令出口前 1個周波（即20 ms）的電壓、電流矢量值，修改為采用保護指令出口后1個周波（即20 ms）的電壓、電流矢量值，可進一步將速斷保護整定時間縮短到0.02 s，使熔斷短路電流提高到15100 A，同時，還能滿足故障測距的準確性。

[1]TB/T2808-1997 電氣化鐵道電力牽引與牽引供電系統繼電保護及自動裝置配合的技術要求[S].

[2]TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].