韶關—廣州段電氣化牽引變電所越級跳閘的原因與處理對策

劉讓雄，李日福

（1 廣州鐵路職業技術學院，廣東廣州510430；2 廣深鐵路股份有限公司 廣州供電段，廣東廣州510010）

韶關—廣州段（韶廣段）電氣化工程共新建6個牽引變電所，于2001年開通運行。該段牽引變壓器采用YN／▽阻抗匹配平衡型變壓器，牽引變壓器一二次側分別采用SW6－110型少油斷路器和ZN12－27．5型真空斷路器。牽引變壓器保護采用 WBZ－61A型微機保護裝置，主要配置了電流差動保護、110 k V三相低壓過電流保護和27．5 k V單相低壓過電流保護等。饋線保護采用WXB－63型微機保護裝置，主要配置了阻抗Ⅰ段保護、阻抗Ⅱ段保護、電流速斷保護與過電流保護等。對牽引網而言，上述配置形成了3級保護。其中阻抗Ⅰ段保護與阻抗Ⅱ段保護是牽引網的主保護（第1級），牽引變壓器27．5 k V單相低壓過電流保護則作為牽引網的近后備保護（第2級），而110 k V三相低壓過電流保護則作為牽引網的遠后備保護（第3級）。該套保護系統運行至今發生過數起接觸網故障造成牽引變壓器27．5 k V單相低壓過電流保護動作，形成了越級跳閘，造成上下行接觸網同時停電，擴大了故障停電范圍，嚴重干擾了繁忙干線的鐵路運輸。盡管這種越級跳閘故障發生的概率不高，但其產生的后果嚴重，而且不是偶然的，因此，必須找到其產生的根源并加以改進克服。

1 原因分析

1．1 繼電保護裝置發生越級跳閘的幾種主要情況

（1）本級保護斷路器拒分。即本級保護裝置正常啟動并出口，但因保護裝置出口至斷路器跳閘回路或斷路器操作機構出現異常，導致斷路器未能分閘而未能及時切除故障，引起其后備保護動作。

（2）本級保護未啟動或雖啟動但沒有出口。本級保護未能啟動，主要原因：一是采樣回路故障未能正常采樣；二是整定值偏大，故障值沒有達到其動作值。保護裝置啟動了而沒有出口則可基本確定為保護裝置內部故障。

（3）本級保護啟動了且斷路器跳閘回路及斷路器操作機構均正常。這種情況，則主要因為本級保護與其后備保護的動作時限配合不合理，造成本級保護尚未跳閘而其后備保護先跳閘。

經過故障排查，逐一排除了韶廣段牽引變電所越級跳閘既非本級保護斷路器拒分，也非本級保護未啟動或雖啟動但沒有出口。經查設計資料，3級保護的動作時限整定分別為：110 k V側三相低壓過電流保護1 s、27．5 k V單相低壓過電流保護0．7 s、阻抗Ⅱ段保護0．5 s、阻抗Ⅰ段保護0．1 s。其動作時限配合如圖1所示。

由圖1知，27．5 k V單相低壓過電流保護與饋線阻抗Ⅱ段保護之間的時間級差Δt只有0．2 s。測試分析，發現該時間級差Δt設置成0．2 s不合理。

1．2 保護裝置時間級差Δt的確定

通過對繼電保護裝置各動作環節的分析，要確定保護裝置的時間級差Δt應考慮下列因素：

圖1 韶關—廣州段牽引變電所三段式保護動作時限配合圖

（1）微機保護裝置固有動作時間t1

微機保護裝置固有動作時間t1是指在該保護裝置的動作時間整定為零時，當系統發生故障，保護裝置檢測到故障，給出動作信號至保護出口繼電器（BCJ）動作閉合的時間。

對于WXB－63型饋線微機保護裝置，其固有動作時間包含CPU采樣檢測及運算時間、I／O出口時間和斷路器驅動放大回路時間3部分。CPU采樣檢測及運算時間主要取決于保護算法。WXB－63型饋線微機保護裝置采用的是離散傅里葉算法，其數據采樣要求為一個工頻周期（s），即檢測到故障所需要的時間約為20 ms；I／O出口回路采用的是微型繼電器，微型繼電器動作閉合的時間約為10 ms；斷路器驅動放大回路中出口繼電器（BCJ）采用的是電磁型繼電器，繼電器動作閉合的時間約為40 ms。總的固有時間約為70 ms。

現場對WXB－63型饋線微機保護裝置進行固有動作時間測試，測試結果為76 ms，即0．076 s，與理論值基本相符。

（2）斷路器固有分閘時間t2

斷路器固有分閘時間t2是指斷路器的分閘線圈受電到斷路器的動靜觸頭斷開瞬間的動作時間。依據ZN12－27．5型真空斷路器的技術說明書，固有分閘時間為≤0．08 s，此值與實測值接近。故此斷路器的固有分閘時間取0．08 s。110 k V側三相少油斷路器在牽引變電所保護系統中處于最后一級動作，所以它的固有分閘時間可以不考慮。

（3）斷路器觸頭分閘時間t3

斷路器觸頭分閘時間t3是指斷路器的動靜觸頭分開瞬間到分閘結束的時間。ZN12－27．5型真空斷路器觸頭行程25±2 mm，分閘速度1．3～1．8 m／s。據此計算斷路器的分閘時間約為0．015～0．021 s。在此取較大值0．021 s。

（4）可靠性時間t4

可靠性時間t4是一個綜合性的時間，它包括斷路器主觸頭滅弧的時間和微機保護裝置的返回時間。由于交流電弧過零點熄滅的物理特性，斷路器電弧熄滅需要半個周波至一個周波時間，需10～20 ms，再考慮在極端情況下斷路器開斷短路故障電流時，真空斷路器滅弧室由于電弧不能及時熄滅，造成電弧重燃，一般還會有1～2個周波的短路電流繼續經過斷路器流入故障線路，時間為20～40 ms。

微機保護裝置的返回時間主要取決于保護裝置微機算法采樣所需時間和出口繼電器的返回時間。WXB－63型饋線微機保護裝置數據采樣要求為一個工頻周期s），所需時間為20 ms。微機保護裝置出口繼電器采用的是微型繼電器，其返回時間小于8 ms。因此，整個微機保護裝置的返回時間大約為28 ms。

繼電保護裝置的可靠性時間t4大致為20＋40＋28＝88 ms，再考慮可能產生的誤差，取該時間為0．1 s。

綜上所述，繼電保護裝置除設定的動作時限外，要確保完成保護出口、斷路器可靠分閘與保護裝置可靠返回所需的時間為t＝t1＋t2＋t3＋t4＝0．076＋0．08＋0．021＋0．1＝0．277 s。

為了保證保護裝置動作的選擇性，必須保證保護時間級差Δt應大于保護裝置總的固有動作時間t＝0．277 s。而韶廣段各牽引變電所27．5 k V單相低壓過電流保護與饋線阻抗Ⅱ段保護之間的時間級差Δt只有0．2 s。如此設置不合理。當運行中出現以下幾種情況時：

① 故障點超出阻抗Ⅰ段的保護整定范圍；② 饋線保護的下一級分區所保護發生拒動，饋線保護裝置作為分區所保護的后備保護時；③ 接觸網電分相故障發生異相間通過空氣絕緣形成電弧短路，短路阻抗角發生較大偏移。

饋線阻抗Ⅰ段保護將不會動作，此時饋線阻抗Ⅱ段保護啟動，但由于饋線阻抗Ⅱ段保護與27．5 k V單相低壓過電流保護之間的動作時間級差Δt偏小，極有可能出現牽引變壓器二次側斷路器越級跳閘或饋線斷路器與牽引變壓器二次側斷路器同時跳閘的現象。實際運行中就發生過這樣的故障。

2 處理對策

針對上述情況，于2008年對該供電段牽引變電所各保護裝置動作時限的配合時間級差Δt進行調整，將饋線保護裝置的阻抗Ⅱ段和過電流保護動作時限由原來的0．5 s調整為0．4 s，其余的保護動作時限不變，使各級保護間的動作時間級差Δt調整后均為0．3 s，既滿足時間級差的要求又不突破上一級保護的動作時間要求。具體調整如表1所示。

調整后的動作時限配合如圖2所示。

表1 韶關－廣州段牽引變電所繼電保護系統動作時限調整表

圖2 韶關—廣州段牽引變電所三段式保護動作時限配合圖

經調整后運行至今，該段牽引變電所繼電保護裝置尚未再發生牽引網故障而引起牽引變壓器二次側斷路器的越級跳閘。證明這一安全隱患得到根治。

3 結束語

繼電保護裝置是牽引變電所的神經中樞，是牽引供電系統安全可靠運行的重要保證，要求其必須滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性的要求。對于繼電保護裝置的選擇性要求，主要通過動作值整定與動作時限的配合來實現。設計規范對保護裝置的動作時限配合沒有明確的定量標準，需要充分考慮所配置的保護裝置及所對應的斷路器等相關設備的技術特性，全面分析與準確計算保護動作過程各個環節所需的時間，合理確定保護裝置動作時限的配合時間級差Δt，從而消除繼電保護裝置選擇性不可靠的隱患，確保牽引供電系統的安全可靠運行。

［1］WXB－63型饋線微機保護裝置技術說明書［R］．

［2］ZN12－27．5型真空斷路器的技術說明書［R］．

［3］ZN12－27．5真空斷路器與 WXB－63型微機保護裝置特性試驗報告［R］．

［4］劉紹峻．高壓電器［M］．北京：機械工業出版社，1989．