京滬高鐵某牽引變電所相間短路故障的分析

李 瑞, 張玉平, 肖世輝, 王海濤

(中鐵電氣化局京滬高鐵維護(hù)管理公司， 天津 300380)

背景簡介

京滬高鐵某牽引變電所微機(jī)保護(hù)裝置型號(hào)為TA21型綜合自動(dòng)化系統(tǒng)；正線接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛架構(gòu)，承力索與接觸線之間采用整體不可調(diào)整吊弦進(jìn)行連接，吊弦結(jié)構(gòu)采用心形環(huán)形式，吊弦線長一般為1 600 mm左右。

1 故障情況及調(diào)查數(shù)據(jù)

1.1 故障情況

故障當(dāng)天時(shí)間10：01：20.904,線路上某牽引變電所211斷路器阻抗I段跳閘，后加速跳閘，重合閘失敗，213斷路器電流增量啟動(dòng)，未出口，天氣情況為晴，微風(fēng)。

1.2 保護(hù)裝置跳閘和保護(hù)啟動(dòng)情況

斷路器號(hào):211

故障時(shí)間:當(dāng)天時(shí)間10:01:20.907

報(bào)告類型:饋線保護(hù)

跳閘標(biāo)志:跳閘

重合閘標(biāo)志:重合閘失敗

距離標(biāo)志:相對距離

故障距離:0.83 km

故障動(dòng)作:阻抗I段元件動(dòng)作U=24.89 kVI=4 138 AZ=6.09 Ωφ=356.9°

事件1:1 ms 阻抗Ⅰ段啟動(dòng)Z=6.38Ωφ=355.1°

事件2:2 ms 低壓閉鎖

事件3:101 ms 阻抗Ⅰ段出口Z=6.91Ωφ=352.1°

事件4:153 ms 阻抗Ⅰ段返回Z=12.17Ωφ=9.6°

事件5:2 120 ms 重合閘出口

事件6:2 499 ms 后加速出口

斷路器號(hào):213

故障時(shí)間:當(dāng)天時(shí)間10:01:20.909

報(bào)告類型:饋線保護(hù)

事件1: 1 ms 電流增量啟動(dòng)，I=3 603 A

事件2: 219 ms 電流二次諧波閉鎖

事件3: 219 ms 電流增量返回，I=1 956 A

斷路器號(hào):213

故障時(shí)間:當(dāng)天時(shí)間10:01:23.401

報(bào)告類型:饋線保護(hù)

事件1: 1 ms 電流增量啟動(dòng)，I=4 004 A

事件2: 219 ms 電流二次諧波閉鎖

事件3: 219 ms 電流增量返回，I=2 509 A

2 故障調(diào)查

2.1 設(shè)計(jì)定值情況

上行方向211、212饋線為直供方式，定值分別為：電流互感器變比N=2 500；電壓互感器變比N=275；阻抗I段為R=79.44 Ω,X=80.84 Ω,T=0.1 s，φ1=85°,φ2=75°,φL=15°；低電壓啟動(dòng)過電流為U=60 V,I=0.91 A,T=0.6 s；自動(dòng)重合閘為T=2 s,Ts=15 s；二次諧波閉鎖系數(shù)0.2。

下行方向213、214饋線為全并聯(lián)AT供電方式，定值分別為：電流互感器變比N=2 500；電壓互感器變比N=275；阻抗I段為R=63 Ω，X=188.1 Ω，T=0.1 s，φ1=85°，φ2=75°，φL=15°；低電壓啟動(dòng)過電流為U=60 V，I=1.1 A,T=0.6 s；電流速斷為I=2.46 A,T=0.1 s；電流增量為I=0.288 A,T=2 s；自動(dòng)重合閘為T=2 s,Ts=15 s；二次諧波閉鎖系數(shù)0.2。

2.2 現(xiàn)場情況調(diào)查

(1)外部環(huán)境檢查情況：現(xiàn)場巡視人員調(diào)查附近未發(fā)現(xiàn)危樹、垃圾場、易漂浮物和其他污染源。

(2)變電所設(shè)備檢查情況：設(shè)備檢查： 211、213保護(hù)裝置檢查，裝置運(yùn)行工況正常，各功能模塊狀態(tài)明確、界面顯示無異狀；保護(hù)裝置各插件安裝牢固，各類指示燈顯示正常，無放電痕跡及異味； GIS柜高壓柜套管檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋、放電痕跡和變色等現(xiàn)象；電壓互感器未發(fā)現(xiàn)異味、外觀無放電痕跡、變色現(xiàn)象； GIS柜氣室氣壓檢查，壓力在正常范圍內(nèi)； GIS柜電纜倉室檢查，其中電纜、避雷器、接地線、護(hù)層保護(hù)器無異味、外觀無放電痕跡且安裝牢靠；GIS高壓柜饋線無殘壓記錄儀顯示數(shù)值前后無變化； GIS高壓柜各功能模塊裝置，如PLC和三工位開關(guān)等運(yùn)行正常；保護(hù)裝置、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)等設(shè)備時(shí)間一致；保護(hù)裝置211饋線保護(hù)裝置阻抗一段動(dòng)作，后加速跳閘，重合閘失敗， 213饋線保護(hù)裝置電流增量啟動(dòng)2次，未出口。

(3)視頻數(shù)據(jù)分析情況(見圖1)：利用車載6C系統(tǒng)的3C模塊，可以得到故障時(shí)的紅外成像圖和弓網(wǎng)視頻圖。故障動(dòng)車組07#車視頻情況(所列時(shí)間為6C視頻2C模塊記錄時(shí)間)，10:01:17開始進(jìn)入分相；10:01:18受電弓通過分相第1個(gè)斷口時(shí)，在受電弓附近有閃光(電弧)。動(dòng)車組15#車視頻情況(所列時(shí)間為視頻界面記錄時(shí)間)，10:01:20受電弓通過分相第2個(gè)斷口時(shí)，在受電弓運(yùn)行方向后部第1個(gè)斷口中心柱附近有閃光(電弧)；同時(shí)，受電弓與中性區(qū)接觸線有打火(拉弧)。

圖1 6C系統(tǒng)3C模塊監(jiān)視圖

(4)線上檢查情況(見圖2)：對故障區(qū)段利用車梯上線進(jìn)行排查，重點(diǎn)對分相處逐桿進(jìn)行重點(diǎn)排查，排查發(fā)現(xiàn)：在分相處909#支柱北京方向7 m處中性線段第1根吊弦缺失，承力索、接觸線上有遺留的吊弦線夾，未見吊弦線殘留痕跡；909#支柱北京方向7 m處211T1正線饋線接觸線側(cè)上方有灼傷痕跡；距北京方向8 m處中性線段接觸線底面有灼傷痕跡。909#支柱處中性線和正線水平間距529 mm，垂直距離22 mm，915#支柱處中性線和正線水平間距561 mm，垂直距離20 mm。在橋上沒有發(fā)現(xiàn)斷裂的吊弦線殘留，在對應(yīng)909#支柱處橋下上海方向約27 m處有脫落的吊弦，吊弦線帶有刮蹭灼傷痕跡。

圖2 6跨絕緣錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

3 保護(hù)裝置動(dòng)作分析(見圖3)

由于微機(jī)繼電保護(hù)裝置參數(shù)有一次值和二次值之分，為了分析方便文中統(tǒng)一以二次值進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 211DL阻抗保護(hù)動(dòng)作分析

圖3 距離保護(hù)原理示意圖

保護(hù)正確性分析：采集到的電量數(shù)據(jù)為U=90.51 V，I=1.655 A，Z=55.36 Ω,阻抗角356.9°，經(jīng)計(jì)算阻抗值在保護(hù)動(dòng)作范圍內(nèi)，由此判斷保護(hù)裝置動(dòng)作正確。

3.2 213DL保護(hù)未動(dòng)作原因分析

(1)電流增量啟動(dòng)未出口分析(見圖4)。

圖4 電流增量保護(hù)原理框圖

213保護(hù)裝置電流增量共有2次啟動(dòng)，第1次電流1.441 A、返回時(shí)間219 ms，第2次電流1.602 A,返回時(shí)間219 ms，213饋線增量定值為0.288 A，時(shí)限2 s。由于此次故障時(shí)二次諧波含量大于0.2，從而使得二次諧波閉鎖電流增量保護(hù)，因此電流增量啟動(dòng)后二次諧波閉鎖導(dǎo)致保護(hù)未出口。

(2)阻抗保護(hù)未啟動(dòng)分析

阻抗保護(hù)具有方向性，當(dāng)接觸網(wǎng)線路發(fā)生一般接地短路故障時(shí)，故障電流經(jīng)饋線斷路器流出，經(jīng)接觸網(wǎng)，到達(dá)故障點(diǎn)然后通過地網(wǎng)和回流線回流所內(nèi)，此方向?yàn)檎较?，從圖3可以看出阻抗值落入第一和第四象限，阻抗保護(hù)啟動(dòng)出口跳閘。

但此次故障為相間短路故障，故障電流經(jīng)211饋線斷路器，經(jīng)接觸網(wǎng)的相間短路故障點(diǎn)，回流到213饋線斷路器側(cè)，也就是說211饋線電流為正方向時(shí)，落入第一和第四象限，213饋線電流為反方向，落入第二和第三象限，從圖3可以看出，213饋線的阻抗值決不會(huì)落入保護(hù)范圍內(nèi)，因此213饋線斷路器阻抗保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)出口。

(3)低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)未啟動(dòng)分析(見圖5)

圖5 低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)原理框圖

過電流定值為1.1 A，時(shí)限0.6 s、低壓啟動(dòng)元件投入，定值為60 V，查得故障時(shí)213饋線UT=97.02 V，213饋線UF=97.13 V，實(shí)際電壓沒有低于定值，低電壓閉鎖保護(hù)啟動(dòng)，因此低電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)未啟動(dòng)。

(4)電流速斷未啟動(dòng)分析(見圖6)

圖6 電流速斷保護(hù)原理框圖

電流速斷定值2.46 A,0.1 s，參考電流增量啟動(dòng)電流值1.602 A，實(shí)際電流值未達(dá)到定值條件，因此213饋線電流速斷保護(hù)未啟動(dòng)。

3.3 故障測距分析

此變電所上行方向211、212是直供加回流的供電方式，測距方式采用阻抗測距法，本次故障為接觸網(wǎng)分相處的相間短路故障，因此阻抗法的故障測距不適用，報(bào)文所給出的相對距離只具有參考性，不具有指導(dǎo)故障搶修的實(shí)際意義。

4 分析結(jié)果

通過列車車載3C視頻、牽引變電所211、213保護(hù)裝置動(dòng)作記錄和接觸網(wǎng)上的兩處灼傷痕跡綜合判斷，此次事件是由兩起故障組成，且從211保護(hù)裝置、213保護(hù)裝置的動(dòng)作記錄和列車車載3C視頻都分別可以得出從第1起故障開始到第2起故障結(jié)束共持續(xù)約2.499 s時(shí)間的結(jié)果。另外此處中性線段全長為192.2 m，列車單編長度約為200 m左右，即兩弓之間的間距為200 m，車載3C視頻顯示列車時(shí)速289 km/h，因此可以得出列車兩弓通過913#支柱的時(shí)間間隔約為2.491 s。

綜上所述，去除合理的時(shí)間偏差，可以充分證明此兩次故障都是由于列車受電弓在過分相是發(fā)生的，也就是說此兩起故障肯定是兩起相間短路故障。

跳閘經(jīng)過如下：

第1次跳閘過程：動(dòng)車組07#受電弓通過分相處907#至911#支柱時(shí)，中性線帶211饋線的T1電源，由于909#支柱中性線上行方向第1根吊弦上部斷裂，因此當(dāng)07#受電弓通過此區(qū)段時(shí)，必然會(huì)使得此吊弦劇烈擺動(dòng)以致觸碰211T1正線接觸網(wǎng)，當(dāng)動(dòng)車組07#受電弓通過分相處913#支柱時(shí)，中性線帶213饋線的T2電源，而此時(shí)中性線斷裂的吊弦還在劇烈擺動(dòng)，當(dāng)?shù)跸遗c211T1接觸網(wǎng)線絕緣距離不足時(shí)，就會(huì)形成相間短路(把此時(shí)的時(shí)間軸定義為0 s)，短路電流為3 603 A，造成所內(nèi)213電流增量啟動(dòng)(0 s)，3C視頻拍攝到第1次電弧現(xiàn)象(0 s)，211饋線斷路器阻抗I段啟動(dòng)(0 s)，211饋線斷路器跳閘(0.1s)，211饋線斷路器重合閘(2.1 s)

第2次(重合后加速)跳閘過程：動(dòng)車組15#受電弓通過分相處907#至911#支柱時(shí)，中性線帶211饋線的T1電源，當(dāng)15#受電弓通過此區(qū)段時(shí)，補(bǔ)充了此斷裂吊弦的動(dòng)能，擺動(dòng)程度再次加劇，當(dāng)動(dòng)車組15#受電弓通過分相處913#支柱時(shí)(2.49 s)，中性線帶213饋線的T2電源，而此時(shí)劇烈擺動(dòng)的中性線斷裂吊弦，會(huì)與211T1正線接觸網(wǎng)距離更加接近，從而再次形成相間短路，且使得短路電流升高到4 004 A，造成所內(nèi)211饋線斷路器后加速跳閘(2.49 s)，213電流增量啟動(dòng)(2.49 s)，3C視頻拍攝到第2次電弧現(xiàn)象(2.49 s)。

5 結(jié)束語

牽引供電系統(tǒng)中的接觸網(wǎng)分相處的六跨絕緣錨段關(guān)節(jié)故障率在全路系統(tǒng)中占比一直都較高，且無很好的辦法來規(guī)避和整治，而在某高鐵全線中出現(xiàn)的突出問題，吊弦的故障率也一直居高不下，因此當(dāng)兩個(gè)故障率較高的因素結(jié)合在一起時(shí)，所形成的故障率和影響是驚人的。但是隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，很多成熟的在線監(jiān)測技術(shù)在鐵路牽引供電領(lǐng)域也有了更多的運(yùn)應(yīng)，如6C系統(tǒng)，因此對于此方面還需要更長時(shí)間和大量的數(shù)據(jù)積累和研究。