高速鐵路AT供電方式故障測距異常分析處理

李彥吉，盧興麗，王航臣

(1 北京鐵路局 石家莊供電段，河北石家莊050000; 2 長沙理工大學(xué)，湖南長沙410114)

鐵路供電技術(shù)

高速鐵路AT供電方式故障測距異常分析處理

李彥吉1，盧興麗1，王航臣2

(1 北京鐵路局 石家莊供電段，河北石家莊050000; 2 長沙理工大學(xué)，湖南長沙410114)

對(duì)京廣高速鐵路牽引變電所2次跳閘時(shí)電流方向、大小進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)與理論值有較大的差別，通過現(xiàn)場故障點(diǎn)的確認(rèn)，提出了判別故測裝置異常和特殊情況下確定接觸網(wǎng)故障點(diǎn)的可行性方案。

高速鐵路;故障測距;電流大小;電流角度

接觸網(wǎng)線路故障可分為瞬時(shí)故障和永久故障。瞬時(shí)故障通過重合閘可恢復(fù)供電，但故障點(diǎn)往往是薄弱點(diǎn)，需要盡快找到加以處理，以免二次故障而危及供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且，很多人為或瞬時(shí)的故障往往在故障后事故痕跡消失，無法重現(xiàn)故障情況;當(dāng)永久故障時(shí)，則需迅速查明故障并及時(shí)排除，排除時(shí)間的長短直接影響到供電系統(tǒng)送電保障和運(yùn)輸安全。排除時(shí)間越長，則停電所造成的損失越大。因此，牽引變電所故障測距，不僅對(duì)及時(shí)修復(fù)線路和保證可靠供電至關(guān)重要，而且對(duì)鐵路運(yùn)輸安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有十分重要的作用［1］。

為了適應(yīng)高速鐵路接觸網(wǎng)電壓質(zhì)量和供電能力等方面的需求，客運(yùn)專線及重載線路的牽引供電系統(tǒng)均采用了AT方式，由于自耦變壓器的存在，線路中的電抗不再呈線性分布，且在高速鐵路模式中上下行AT采用全并聯(lián)方式，測距方式更為復(fù)雜。以京廣高速鐵路石家莊—安陽段為例，在牽引變電所和相應(yīng)的AT所、分區(qū)所內(nèi)設(shè)置了同步采集的吸上電流比原理專用AT故障測距裝置，在饋線測控裝置中設(shè)置了可分段的電抗原理測距裝置。

1 故障概況

因?yàn)槲想娏鞅葴y距裝置采集的數(shù)據(jù)豐富 ，配合AT所、分區(qū)所T、F線電流大小和方向，可以做到故障的準(zhǔn)確分析判斷，但運(yùn)行中由于接線錯(cuò)誤、接觸網(wǎng)故障的特殊性，導(dǎo)致故障點(diǎn)的定位出現(xiàn)了一些偏差。

1.1 分區(qū)所F線電流遠(yuǎn)大于理論值、相位偏差180°

(1)故障概況

2014年4月某天，高邑西變電所211，212斷路器跳閘，重合成功。石家莊方向故障測距裝置判別為下行TR故障，故障距離16.50 km，電流的大小和相位如表1。

表1 高邑西變電所跳閘報(bào)告

(2)存在問題

根據(jù)表1繪制出跳閘時(shí)各支路電流示意圖1，圖中所示電流方向?yàn)楣收习l(fā)生時(shí)刻的理論值。此次跳閘中

Ik為牽引變電所饋出電流，Iat為AT變吸上電流，計(jì)算誤差設(shè)定為±5%或±50 A)，表明數(shù)據(jù)同步且有效。但是對(duì)于北白樓分區(qū)所來說，按圖1所示方向，上下行F線電流和應(yīng)與吸上電流的一半相等、但實(shí)際上462+1 823≠1 877/2，理論上此時(shí)下行F線電流應(yīng)為477 A左右;下行T線、上下行F線電流方向及相位應(yīng)該一致，但下行F線相位為119°、與理論值相差180°。

圖1 第2區(qū)間T-R短路電流關(guān)系示意圖

1.2 支路電流代數(shù)和不為0，相位異常

(1)故障概況

2013年7月某日，雷雨天氣邯鄲東變電所213、214斷路器跳閘，重合成功。鄭州方向故障測距裝置判別為下行F-R故障，故障距離8.78 km，電流的大小和相位如表2。

(2)存在問題

根據(jù)表2繪制出跳閘時(shí)各支路電流示意圖2，圖中所示電流方向?yàn)楣收习l(fā)生時(shí)刻的理論值。此次跳閘中∑Ik=∑Iat，表明數(shù)據(jù)同步且有效。但是對(duì)于沒有故障的上行F線來說，按圖示方向，崔曲AT所F線電流應(yīng)該等于邯鄲東變電所上行F線電流與溫村分區(qū)所F線電流的和，但實(shí)際上685≠3 904+113;崔曲AT所上行T線、F線電流方向應(yīng)該相反，但實(shí)際測量結(jié)果基本同相位。

表2 邯鄲東變電所跳閘報(bào)告

2 原因分析

上述2起跳閘不論電流的方向(角度)還是支路電流的數(shù)值，均與理論值出現(xiàn)了差別，針對(duì)這2起跳閘，進(jìn)行了現(xiàn)場的設(shè)備檢查。

圖2 第1區(qū)間F-R短路電流關(guān)系示意圖

2.1 電流互感器二次F、N接反

針對(duì)北白樓分區(qū)所F線電流遠(yuǎn)大于理論值、相位偏差180°問題，現(xiàn)場從電流互感器一次側(cè)至故測裝置交流變換元件間進(jìn)行了整個(gè)兒模擬量回路的極性校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)GIS柜出廠時(shí)將F431與N221接反。

圖3為故障標(biāo)示回路正常的二次原理圖。從圖1中可以看出，在第2區(qū)間發(fā)生T-R短路時(shí)，T、F線電流方向相同，也就是說圖3中N線電流等于T線、F線的電流和。當(dāng)F431與N221接反時(shí)，故障標(biāo)示裝置F線實(shí)際測量的為一次側(cè)T、F線的電流和。按本次跳閘實(shí)際采集的數(shù)值、跳閘時(shí)F線電流應(yīng)為1 823－1 362= 461，AT變吸上電流的一半1 877/2=938.5與上下行F線的電流和461+462=923相近，這樣電流關(guān)系基本平衡。

引起本次跳閘的故障點(diǎn)位于延康A(chǔ)T所附近，因T線電流較大、跳閘時(shí)故障類型判別正確;如果故障點(diǎn)靠近北白樓分區(qū)所，因?yàn)門線、F線電流方向一致，此時(shí)錯(cuò)接于故障標(biāo)示裝置F線的合成電流將會(huì)大于T線電流、會(huì)錯(cuò)誤指示下行F-R故障。

圖3 北白樓分區(qū)所故障標(biāo)示交流回路原理圖

2.2 F線多點(diǎn)故障

2013年7月某日邯鄲東變電所出現(xiàn)1.2的不正常跳閘后，后來邯鄲東變電所213、214再次出現(xiàn)了F-R故障跳閘，而跳閘時(shí)崔曲AT所、溫村分區(qū)所電流的大小與方向完全與理論值一致。出現(xiàn)了與7月某日完全不同的數(shù)據(jù)，排除了故障測距設(shè)備測量異常的可能。

某日的跳閘，經(jīng)巡視檢查發(fā)現(xiàn)，邯鄲東—安陽東區(qū)間0053#AF線下錨絕緣子北京側(cè)接地端第1片有燒傷痕跡;0251#處地面有1只被電死的鳥。絕緣子燒傷處距離邯鄲東變電所3.39 km，AT測距指示距離8.78 km，絕對(duì)誤差5.17 km，相對(duì)誤差152%;死鳥位置在邯鄲東—安陽東區(qū)間0251#，距離邯鄲東變電所8.18 km，與故障標(biāo)示位置接近。

該起跳閘的主要原因應(yīng)為大氣過電壓引起多處絕緣子閃絡(luò)和飛鳥引起的短路。按照此假設(shè)，若如此時(shí)伴有上行F-R故障，將有2個(gè)回路的短路電流，上行支路為3 904+685+113=4 702，下行支路為4 256+924+113 =5 293，這兩個(gè)支路的電流和與整個(gè)兒回路吸上線電流一致，電流關(guān)系基本平衡。

實(shí)際上在大氣過電壓時(shí)，相同型號(hào)的接觸網(wǎng)絕緣子閃絡(luò)電壓也大致相同，特別在接近AT所、分區(qū)所區(qū)段，不管是T線還是F線均在此處并聯(lián)，往往引起上下行多個(gè)(片)絕緣子的閃絡(luò)。

3 結(jié)論及建議

AT牽引供電系統(tǒng)由于線路短路阻抗值是非線性的，除T-F短路外其他故障都不能通過電抗查表進(jìn)行故障測距，在通常的T-R、F-PW、F-R等短路故障條件下其各AT吸上電流與故障點(diǎn)有比例關(guān)系，且故障段AT吸上電流最大，一般利用此特征構(gòu)成的中性點(diǎn)吸上電流比方案測距。

實(shí)際運(yùn)行中由于接觸網(wǎng)故障的特殊性、施工中接線錯(cuò)誤等因素的影響，造成測距誤差偏大甚至錯(cuò)誤的問題，這些問題通過技術(shù)人員的系統(tǒng)分析均能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并能給接觸網(wǎng)故障的查找提供幫助。當(dāng)線路故障斷路器跳閘，故障測距裝置啟動(dòng)后，建議進(jìn)行如下方案的處理。

(1)電抗測距法是電氣化鐵路應(yīng)用多年并有豐富經(jīng)驗(yàn)的測距方案。斷路器跳閘在重合失敗的情況下，應(yīng)用重合失敗時(shí)的電抗測距法測量值與吸上電流比測距法測量值進(jìn)行對(duì)比。京廣高速鐵路采用了全并聯(lián)的AT供電方式，正常情況下接觸網(wǎng)上下行并聯(lián)供電，遇有故障時(shí)變電所饋線上下行開關(guān)同時(shí)動(dòng)作跳閘，線路上AT所、分區(qū)所失壓保護(hù)動(dòng)作跳閘，AT退出運(yùn)行，2 s后變電所重合閘，若為瞬時(shí)性故障變電所重合成功，AT所、分區(qū)所檢有壓合閘投入AT，恢復(fù)全并聯(lián)的AT供電方式;若為永久性故障變電所饋線重合失敗，后加速動(dòng)作瞬時(shí)跳閘，AT所、分區(qū)所將因線路無壓不動(dòng)作合閘。也就是說，在變電所跳閘重合閘時(shí)、實(shí)際上是直接供電方式，若變電所重合失敗饋線后加速動(dòng)作跳閘，饋線測控裝置會(huì)按電抗測距法給出故障距離，此距離應(yīng)與故障測距裝置吸上電流測距法距離一致，否則應(yīng)對(duì)2個(gè)不同的指示點(diǎn)分別安排檢查。

(2)在斷路器跳閘故障測距裝置給出有關(guān)測量數(shù)據(jù)后，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)這些數(shù)據(jù)勾畫出如圖1、圖2形式的電流關(guān)系示意圖，首先標(biāo)注出電流方向的理論值，再將跳閘記錄中電流的角度與理論值比對(duì)。如圖1中北白樓分區(qū)所上行T線、上下行F線電流方向及相位應(yīng)該一致，但表1中下行F線相位為119°、與理論值相差180°;而后將跳閘數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注、計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和，如若出現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)電流的流入、流出值不符合基爾霍夫電流定律(超過設(shè)定的誤差)時(shí)，必為其他原因引起。如圖2中崔曲AT所F線電流應(yīng)該與邯鄲東變電所上行F線電流與溫村分區(qū)所F線電流的和相等，但實(shí)際差別較大。

通過對(duì)電流大小和方向的分析，可以判定測距裝置的運(yùn)行狀態(tài)、分析接觸網(wǎng)跳閘合理性和其他可能性。

(3)產(chǎn)生大氣過電壓或操作過電壓的情況下，因?yàn)榻佑|網(wǎng)絕緣子型號(hào)、電氣性能的均一性，往往出現(xiàn)多棒(串)絕緣子同時(shí)閃絡(luò)。特別是在分區(qū)所、AT所附近，由于電氣上進(jìn)行了并聯(lián)，上下行同時(shí)出現(xiàn)故障的幾率將大增。如1.2節(jié)的故障，下行F線故障情況下、上行F線不應(yīng)該出現(xiàn)3 904 A的大電流，如此大的電流說明上行F線也應(yīng)該存在接地故障。

(4)吸上電流比測距裝置故障的情況下仍能夠通過阻抗測距找到大致的故障點(diǎn)。實(shí)測和仿真均表明在每個(gè)區(qū)段靠近變電所的2/3范圍內(nèi)牽引網(wǎng)阻抗仍舊是接近線性的，若故障發(fā)生在此區(qū)間、仍能夠利用電抗測距原理;在遠(yuǎn)離變電所1/3范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)與前2/3范圍內(nèi)相同的電抗點(diǎn)，利用畫圖的方法可安排在2個(gè)電抗測距指示點(diǎn)查找故障［2］。

4 結(jié)束語

AT供電方式的牽引變電所故障測距提供了豐富的信息，通過對(duì)這些信息的綜合分析能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)牽引變電所的異常狀態(tài)，更能夠給接觸網(wǎng)的故障處理提供建設(shè)性的幫助，但前提是專業(yè)技術(shù)人員的詳盡分析。

從上述論述中也可以看到，準(zhǔn)確的阻抗值(主要是電抗)也是AT故障測距中較為重要的指標(biāo)，在利用準(zhǔn)確故障點(diǎn)修正吸上電流比測距時(shí)、也應(yīng)力求對(duì)電抗值進(jìn)行修正。日常運(yùn)營中、技術(shù)人員應(yīng)該繪制T-R、F-R、T-F短路時(shí)接觸網(wǎng)每條供電臂距離電抗對(duì)照?qǐng)D，在極端情況下、利用該圖也能指導(dǎo)接觸網(wǎng)故障點(diǎn)的查找、避免故障查找的盲目性。

［1］ 天津凱發(fā)電氣股份有限公司.DK3571A電鐵故障測距裝置技術(shù)說明書［Z］.

［2］ 汪國林.對(duì)客運(yùn)專線全并聯(lián)AT供電方式饋線保護(hù)整定的探討［J］.鐵道機(jī)車車輛，2014，(2):116-119，34.

U223.5+1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.14

1008－7842(2015)01－0066－03

4—)男，高級(jí)工程師(

2014－07－23)