牽引變電所阻抗Ⅰ段繼電保護的整定分析

李 冰

0 引言

2011年7月1日京滬高鐵開通運行后，由于惡劣天氣影響，接觸網絕緣子受雷擊發生擊穿故障時，牽引變電所曾經發生供電臂饋出斷路器沒有跳閘，而主變壓器越級跳閘現象。同時，導致綜合自動化裝置無法提供故標信息，給現場人員快速查找故障造成了嚴重影響。因此，對故障進行技術分析，提出有針對性的改進措施，迅速消除設備故障，確保京滬高鐵運行安全，成為牽引供電系統一項刻不容緩的任務。

1 故障及存在的問題

2011年8月12日，京滬高鐵周營變電所主變壓器二次側 202DL發生低電壓過電流保護跳閘，興仁AT所271 DL和272 DL、望河分區所273DL和 274DL失壓跳閘，主變壓器所帶的望河上下行供電臂211DL、212DL均啟動了阻抗Ⅰ段保護，但均未出口動作，反映出主變壓器二次側 202DL與饋線211DL、212DL繼電保護存在越級跳閘問題。同時，由于望河上下行供電臂211DL、212DL均未跳閘，綜合自動化故標裝置和保護裝置未能提供故標信息。故障發生后，供電段對故障區段連夜組織了巡視檢查，發現滕州東—棗莊間下行K620處接觸網1065#支柱AF線懸式絕緣子因雷擊斷裂、擊穿接地。

2 對繼電保護動作情況的分析

調閱跳閘數據顯示：興仁AT所、望河分區所、周營變電所吸上電流分別為2 033，1 997，130 A。

從吸上電流數據中看出，故障應該在AT所到分區所的區間。

跳閘時上行T線、F線電流分別為738，1 017 A；下行T線、F線電流分別為735，2 494 A。

從T線、F線電流數據來看，應該是下行的F線發生接地故障。

綜合分析，跳閘原因應該是周營牽引變電所望河下行供電臂 AT所到分區所區間的 F線接地故障。按照繼電保護的整定原則，饋線 211DL和212DL應該跳閘，主變壓器不應該越級跳閘。下面對斷路器跳閘數據和保護動作的邏輯關系進行分析，以便找出造成主變壓器越級跳閘的原因

2.1 主變壓器202DL跳閘分析

主變壓器低壓側過電流保護整定值：

3 425 A / 1.0 s / 72 V。

主變壓器低壓側過電流保護啟動事件記錄如下：

低壓側過流出口時間 1 000 ms；高壓側電壓100.270 V；低壓側電壓UT= 49.260 V；低壓側電壓UF= 48.92 V；低壓側電壓UTF= 49.090 V；高壓側電流IH2= 0.61 A；低壓側電流IL1= 2.06 A。

發生跳閘時，低壓側故障電流為5 150 A大于整定值3 425 A，母線電壓為49.090 V大于整定值72 V，時限達到1.0 s。根據主變壓器低電壓過電流保護動作原理，主變壓器二次側 202DL保護為正確動作（圖1）。

圖1 主變壓器低電壓過電流保護動作原理圖

2.2 饋線211DL和212DL未跳閘分析

211DL和212DL阻抗I段保護整定值：

R= 63 Ω，X= 188.1 Ω；二次諧波閉鎖系數為0.2；PT斷線檢測電壓定值60 V（一次值33 000 V）；PT斷線閉鎖電流定值1.1 A（一次值2 750 A）。

211DL和212DL裝置保護啟動事件記錄如下：

（1）211DL裝置。阻抗Ⅰ段，保護啟動；UTF1= 26 253 V，ITF1= 2 650 A；阻抗Ⅰ段，保護返回；UTF1= 26 268 V，ITF1= 2 675 A。

（2）212DL裝置。阻抗Ⅰ段，保護啟動；UTF1= 25 113 V，ITF1= 2 650 A；阻抗Ⅰ段，保護返回；UTF1= 25 107 V，ITF1= 2 600 A。

饋線211DL和212DL阻抗Ⅰ段保護均投入了PT斷線閉鎖功能。從整定值和故障數據可以看出，211DL饋線電壓UTF1= 26 268 V，212DL饋線電壓UTF1= 25 107 V，均小于整定值33 000 V。同時，211DL饋線電流ITF1= 2 675 A，212DL饋線電流ITF1= 2 600 A，均小于整定值2 750 A，達到了PT斷線閉鎖條件，從而啟動了PT斷線閉鎖功能，阻抗Ⅰ段保護自動返回，保護沒有出口。

投入PT斷線閉鎖功能，主要是防止因電壓互感器PT斷保險引起阻抗Ⅰ段保護裝置誤動作。

接觸網發生接地故障時，由于接觸網線路產生電壓降，在牽引變電所電壓互感器檢測到的電壓會大大降低，遠小于額定電壓。從而，保護裝置計算得出的電阻、電抗值會達到阻抗Ⅰ段保護阻抗四邊形的啟動條件。

電壓互感器PT斷保險（或PT回路斷線）時，接觸網電壓正常，而電壓互感器電壓為0。由于感應電的作用，電壓表會顯示有一定的感應電壓，一般不超過 40 V。由于電壓互感器檢測到的電壓接近0，從而保護裝置計算得出的電阻、電抗值也會達到阻抗Ⅰ段保護阻抗四邊形的啟動條件，引起誤動作。因此，電壓互感器PT斷保險時，盡管接觸網電壓正常，并非發生接地故障，仍然會引起保護裝置跳閘。

但是，在直供方式下，接觸網發生接地故障和電壓互感器PT斷保險時，電流和電壓值是有區別的。接觸網發生接地故障時，電流會遠遠超過最大負荷電流（可認為是過電流保護整定值），同時，測量到的二次電壓會大大降低，根據故障點遠近不同會有所差異，但肯定低于最低工作電壓72 V（一次為20 kV）。而電壓互感器PT斷保險時，電流為正常的負荷電流，不會超過過電流保護整定值，同時，電壓接近0，一般會低于電壓互感器的感應電壓40 V。

因此，在直供方式下，為了防止電壓互感器PT斷保險引起保護裝置誤動作，引入了PT斷線閉鎖功能。在接觸網線路電阻、電抗值滿足阻抗Ⅰ段保護裝置動作條件時，如果牽引變電所二次測量電壓低于接觸網最低工作電壓，而電流不超過正常負荷電流（一般取過電流保護整定值）時，即判定為電壓互感器斷保險，閉鎖阻抗Ⅰ段保護裝置動作。否則，判定為接觸網接地故障，啟動阻抗Ⅰ段保護裝置動作。在設置整定值時，一般將PT斷線閉鎖保護動作的條件設為電流不大于過電流保護整定值，同時，電壓不大于接觸網最低工作電壓72 V，為可靠起見，一般取60 V。

但是，在 AT供電方式下，如果故障點在 AT所與分區所之間，由于其所內AT變壓器的吸流作用和上下行并聯分流作用，故障電流被強制分配到上下行供電臂中，從而在牽引變電所每個保護裝置檢測到的故障電流比實際故障電流小很多，甚至只有實際故障電流的一半。當饋線過電流整定值設置偏高時，牽引變電所保護裝置檢測到的故障電流就會比PT斷線閉鎖條件設置的最大負荷電流（過電流保護整定值）還小，這樣，保護裝置無法區分該電流是故障電流還是負荷電流，就會啟動PT斷線閉鎖功能，造成保護裝置阻抗Ⅰ段拒動。

同時，從該故障可以看出，在AT供電方式下，如果故障點在AT所與分區所之間，牽引變電所二次電壓雖然低于整定值 60 V，但大于最大感應電壓40 V。因此，以接觸網最低工作電壓作為PT斷線閉鎖條件是不可靠的，應當以PT斷線時電壓互感器二次最高感應電壓作為閉鎖條件最為合適。

綜上所述，在AT供電方式下，由于PT斷線閉鎖條件設置不合理，PT斷線閉鎖電壓整定值偏高（設置為60 V），PT斷線閉鎖電流整定值也偏高（設置為2 750 A），造成阻抗Ⅰ段保護被閉鎖，導致主變壓器低壓側202DL越級跳閘。

3 整改措施

通過調整阻抗Ⅰ段保護裝置的PT斷線閉鎖條件，可保證該保護裝置動作可靠。具體作法：一是根據京滬高鐵實際負荷情況，將牽引變電所饋線阻抗Ⅰ段保護裝置 PT斷線閉鎖電流整定值適當降低，不超過設計的最大負荷電流即可，調整為2 500 A；二是根據監測到的PT斷線實際電壓值，將PT斷線閉鎖電壓整定值適當降低，調整為40 V。

按照上述思路，濟南鐵路局自2011年9月對京滬高鐵牽引變電所阻抗Ⅰ段保護裝置的PT斷線閉鎖條件進行調整后，未再發生越級跳閘的現象。