滬寧高鐵接觸網(wǎng)跳閘故障測距異常分析

李 智

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滬寧高鐵接觸網(wǎng)跳閘故障測距異常分析

李 智

對滬寧高鐵變電所故標(biāo)測距異常進(jìn)行原因分析，指出AT供電方式下T-F短路重合閘成功時(shí)故障測距的正確方法，為高速鐵路開通驗(yàn)收和運(yùn)營管理提供參考。

高速鐵路；AT供電方式；故障測距

0 引言

接觸網(wǎng)作為高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響動(dòng)車組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。為迅速發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理接觸網(wǎng)斷線、損傷以及絕緣部件性能下降等缺陷、故障，高速鐵路牽引變電所設(shè)置了專用的故障測距裝置（以下簡稱故測裝置）以測定饋線短路點(diǎn)的位置。實(shí)際運(yùn)營中，如果故障性質(zhì)判據(jù)不當(dāng)將導(dǎo)致故測裝置測距異常，供電運(yùn)維人員應(yīng)予以高度重視。

1 故障概況

XX年2月8日14：31，滬寧高鐵棲霞牽引所211、212DL距離一段動(dòng)作跳閘，重合閘成功。故測裝置判定故障性質(zhì)為上行T-R故障，故標(biāo)1.529 km，對應(yīng)寶華山—仙林區(qū)間144#接觸網(wǎng)支柱（線路里程K278+292）。故障報(bào)文如表1所示。

表1 滬寧高鐵棲霞牽引所跳閘故障報(bào)文

3月2日09：00，滬寧高鐵棲霞牽引所211、212DL再次距離一段動(dòng)作跳閘，重合閘成功。故測裝置判定故障性質(zhì)為上行T-R故障，故標(biāo)1.644 km，對應(yīng)寶華山—仙林區(qū)間150#支柱（線路里程K278+407）。

接觸網(wǎng)故障跳閘后，檢修人員根據(jù)故測裝置提供的故標(biāo)采取了添乘動(dòng)車巡視、上道檢查、視頻回放等多種手段多次排查故障，均未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。據(jù)了解，該區(qū)段以往跳閘的故障測距是比較準(zhǔn)確的。

2 故障測距異常原因分析

2.1 牽引所饋線繼電保護(hù)及測距原理

滬寧高鐵采用全并聯(lián)AT供電方式，饋線設(shè)距離保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過流保護(hù)、電流增量保護(hù)，其中距離保護(hù)為主保護(hù)，投入距離一段，保護(hù)線路全長。當(dāng)接觸網(wǎng)出現(xiàn)短路故障，牽引所上、下行饋線保護(hù)裝置均啟動(dòng)并出口跳閘，接觸網(wǎng)停電，延時(shí)1 s后AT所、分區(qū)所的饋線斷路器失壓保護(hù)動(dòng)作，上、下行接觸網(wǎng)解列并退出自耦變壓器。牽引所饋線跳閘后斷路器經(jīng)延時(shí)2 s重合閘。若故障系瞬時(shí)故障，重合閘成功，AT所、分區(qū)所饋線斷路器分別延時(shí)4 s、3 s檢有壓重合閘，恢復(fù)正常AT供電方式；若故障為永久性故障，牽引所饋線再次跳閘，重合閘失敗。需要注意的是，重合閘失敗斷路器跳閘時(shí)，接觸網(wǎng)上、下行已解列，且自耦變壓器已退出運(yùn)行，此時(shí)接觸網(wǎng)的供電方式為直接供電。

AT供電方式接觸網(wǎng)的故障類型主要包括T-R、F-R、T-F短路（即T線對地、AF線對地、T線對AF線短路）3種。AT供電方式接觸網(wǎng)的阻抗特性為非線性，直接供電方式為線性，因此牽引所饋線保護(hù)裝置采用線性電抗比原理測定的故標(biāo)，AT供電方式下接觸網(wǎng)跳閘重合成功時(shí)是不準(zhǔn)確的，而重合閘失敗再次跳閘時(shí)故標(biāo)是準(zhǔn)確的。

為解決饋線保護(hù)裝置測距的局限性問題，引入了專門的牽引所故測裝置，利用專用測距通道采集同一時(shí)刻牽引所、AT所、分區(qū)所的電氣參數(shù)進(jìn)行故標(biāo)計(jì)算。故測裝置測定故標(biāo)前需判斷故障性質(zhì)：當(dāng)牽引所、AT所、分區(qū)所吸上電流的最大值大于P×n時(shí)，判斷為AT供電方式的T-R、F-R故障；當(dāng)牽引所、AT所、分區(qū)所的吸上電流均小于P×n時(shí)，判斷為T-F故障；當(dāng)AT所、分區(qū)所的吸上電流均小于z×n時(shí)，判斷為直接供電方式的短路故障。T-R、F-R故障采用吸上電流比法（對于第一AT區(qū)段故障，部分綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用上下行電流比法）測距；T-F故障和直接供電方式的短路故障采用線性電抗比法測距，但采用的接觸網(wǎng)單位長度電抗值不同。滬寧高鐵采用的WGB-65U微機(jī)故測裝置，其T-F故障判別系數(shù)P和直接供電方式判別系數(shù)z分別取經(jīng)驗(yàn)值0.1和0.05。棲霞牽引所饋線額定電流n為1 500 A，P×n= 150 A。

綜上分析得出：（1）T-F短路故障，故測裝置應(yīng)采用線性電抗比法測距，吸上電流比法測距不準(zhǔn)確。（2）T-R、F-R故障，接觸網(wǎng)跳閘重合成功時(shí)應(yīng)采用吸上電流比法測距，使用線性電抗比法測距不準(zhǔn)確；重合閘失敗跳閘時(shí)，應(yīng)采用線性電抗比法測距，吸上電流比法測距不準(zhǔn)確。

2.2 故障數(shù)據(jù)分析

2月8日棲霞牽引所跳閘時(shí)各所亭的電流分布如圖1所示。分析吸上電流可以看出，牽引所的吸上電流最大，為507 A，其次為分區(qū)所的398 A，AT所的吸上電流最小，為101 A。根據(jù)AT供電方式原理，對于T-R或F-R 故障，最大的2個(gè)吸上電流應(yīng)分布在短路點(diǎn)兩側(cè)的牽引所亭，而棲霞牽引所跳閘時(shí)最大的2個(gè)吸上電流分布在牽引所和分區(qū)所，異于T-R或F-R故障的電流分布。進(jìn)一步量化分析，假設(shè)牽引所饋線T線電流流出，則下行T線短路點(diǎn)的牽引所方向電流為1 479-15 = 1 464 A，分區(qū)所方向電流為1 246 A，短路點(diǎn)的電流為1 464 + 1 246 = 2 710 A；下行F線短路點(diǎn)的牽引所方向電流為1 226 + 41 = 1 267 A，分區(qū)所方向電流為1 447 A，短路點(diǎn)的電流為1 267 + 1 447 = 2 714 A。考慮電流互感器測量誤差等因素，可認(rèn)為下行T線、F線點(diǎn)和點(diǎn)的短路電流相等，該故障判定可為第二AT區(qū)段的下行T-F短路。由于短路點(diǎn)牽引所和分區(qū)所方向的電流相近，由此還可進(jìn)一步判斷出故障點(diǎn)接近供電臂末端。

圖1 棲霞牽引所跳閘時(shí)所亭電流分布（單位：A）

接觸網(wǎng)故障跳閘后，故測裝置的判據(jù)P×n是判斷故障性質(zhì)和決定所采用測距方法的依據(jù)。2月8日棲霞牽引所跳閘的最大吸上電流為507 A，大于P×n（150 A），且牽引所、亭饋線電流的最大值為牽引所上行T線電流1 481 A，因此故測裝置判斷故障性質(zhì)為上行T-R故障，并且采用了吸上電流比法測距。由于采用了錯(cuò)誤的測距方法，造成誤差過大，導(dǎo)致檢修人員無法找到故障點(diǎn)（3月2日跳閘的分析結(jié)果與之類似）。

因T-F短路較為少見，該區(qū)段以往故障測距較準(zhǔn)確是針對接觸網(wǎng)T-R或F-R短路故障而言。

3 T-F判別系數(shù)取值的優(yōu)化

AT供電方式T-R、F-R故障短路電流為該供電臂各牽引所亭的吸上電流之和，短路電流主要通過短路點(diǎn)兩側(cè)所亭的AT變壓器經(jīng)正饋線回流（牽引所不設(shè)AT變壓器時(shí)，牽引所的回流經(jīng)鋼軌和大地）。由于高速鐵路牽引供電系統(tǒng)容量較大，且PW線和綜合接地系統(tǒng)的貫通地線提供了良好的短路電流通路，因此短路通常為大電流金屬性短路，故障點(diǎn)相鄰所亭的吸上電流也較大。統(tǒng)計(jì)上海局管段內(nèi)2018年一季度T-R、F-R故障的吸上電流如表2所示。設(shè)吸上電流atmax= max（變電所at，分區(qū)所at，AT所at），可以發(fā)現(xiàn)19件T-R、F-R故障中，atmax最大5 248 A，最小1 399 A，平均3 056 A，atmax大于1 900 A的短路故障18件，占比94.7%。

T-F短路時(shí)AT變壓器被旁路，吸上電流明顯小于T-R、F-R故障時(shí)的吸上電流。統(tǒng)計(jì)上海局管段內(nèi)近年來T-F故障的吸上電流如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，12件T-F短路故障中，atmax最大959 A，最小190 A，平均523 A，atmax小于650 A的短路故障11件，占比91.7%。

表2 T-R、F-R故障吸上電流統(tǒng)計(jì) A

表3 T- F故障吸上電流統(tǒng)計(jì) A

對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，高速鐵路AT供電方式下，判別T-R、F-R故障和T-F故障性質(zhì)的吸上電流P×n整定為1 000 A左右比較合理。

4 T-F短路故障測距

對于T-F短路故障，測得牽引所短路阻抗與故障點(diǎn)的距離呈分段線性關(guān)系，故測裝置采用線性電抗比法測距，其計(jì)算式為

=L+ (cal-X)×(+1-L) / (X+1-X)

對于T-F短路重合閘失敗、測距裝置采用吸上電流比法測距的故障，運(yùn)維人員可通過饋線保護(hù)裝置測定的故標(biāo)查找故障點(diǎn)；對于T-F短路重合閘成功、測距裝置采用吸上電流比法測距的故障，運(yùn)維人員無法通過現(xiàn)有的繼保裝置獲得正確故標(biāo)，此時(shí)只能通過人工計(jì)算，可采用橫聯(lián)線電流比法測距（第一AT區(qū)段故障也可采用上下行電流比法）。

橫聯(lián)線電流是指全并聯(lián)AT供電方式下接觸網(wǎng)故障時(shí)，變電所、AT所和分區(qū)所的接觸網(wǎng)上下行并聯(lián)處都存在非故障線路流向故障線路的電流。類似于吸上電流比法，橫聯(lián)線電流比法通過計(jì)算和比較橫聯(lián)線電流中2個(gè)最大電流，確定故障區(qū)段和故障距離，該方法不受自耦變壓器泄漏電抗及短路過渡電阻影響，適用于T-R、F-R、T-F故障測距。其計(jì)算式為

=D+D+1×I+1/ (I+1+I)

以2月8日棲霞牽引所跳閘故障為例，牽引所的橫聯(lián)線電流為?(1 479 + 1 226)-(1 481 + 1 232)÷/2 = 4 A，AT所的橫聯(lián)線電流為?41-15?= 26 A，分區(qū)所的橫聯(lián)線電流為?1 246 + 1 447÷= 2 693 A。AT所、分區(qū)所的橫聯(lián)線電流較大，所以故障點(diǎn)在第二AT區(qū)段。

全并聯(lián)AT供電方式接觸網(wǎng)某相（T相、F相或T-F）發(fā)生短路時(shí)，牽引所非故障相饋出的短路電流分量經(jīng)AT所、分區(qū)所的饋線斷路器流向故障點(diǎn)。根據(jù)基爾霍夫電流定律，非故障相牽引所、AT所、分區(qū)所的饋線電流在AT所T接點(diǎn)處的矢量和為0。分析棲霞牽引所跳閘時(shí)AT所上行T接點(diǎn)處電流，T線電流矢量和為1 481-35-1 443 = 3 A，F(xiàn)線電流矢量和為1 249-10-1 232 = 7 A，考慮誤差因素，T、F線的電流矢量和實(shí)際均接近0，可判斷故障點(diǎn)不在上行，而是下行接觸網(wǎng)設(shè)備故障。

該供電臂第一AT區(qū)段（牽引所與AT所之間）長13.023 km，第二AT區(qū)段（AT所與分區(qū)所之間）長11.582 km，AT所里程K290+144，分區(qū)所里程K301+726。將數(shù)據(jù)代入計(jì)算式，計(jì)算故障距離= 13.023 + 11.582×2 693 / (2 693 + 26) = 24.494 km，對應(yīng)線路里程為K301+628。

根據(jù)計(jì)算的故標(biāo)排查故障點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)滬寧高鐵南京城際場145#支柱（分區(qū)所下行供電線上網(wǎng)隔離開關(guān)支柱，線路里程為K301+726）施工時(shí)設(shè)備安裝存在缺陷：隔離開關(guān)T線隔離開關(guān)線夾與AF線母排支持絕緣子上部鐵件間安全距離不足，僅為310 mm，小于戶外配電裝置55 kV不同相帶電部分最小安全凈距650 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求，特定條件下T、F相間發(fā)生短路放電導(dǎo)致棲霞牽引所跳閘。實(shí)際故障點(diǎn)與人工計(jì)算的故標(biāo)相差98 m。故障設(shè)備如圖2所示。

圖2 棲霞牽引所故障設(shè)備

5 結(jié)語

故障測距裝置需根據(jù)不同的接觸網(wǎng)短路故障性質(zhì)采用不同的測距方法。接觸網(wǎng)故障跳閘后運(yùn)維人員應(yīng)及時(shí)分析故障數(shù)據(jù)，故測裝置對故障性質(zhì)判斷錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)檢查故測裝置的故障性質(zhì)判別系數(shù)設(shè)置是否合理，并采用適合的測距方法，同時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場人員迅速查找故障點(diǎn)，及時(shí)消除安全隱患，以保證高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

[1] 國電南京自動(dòng)化股份有限公司. WGB-65故標(biāo)裝置技術(shù)說明書[Z].

[2] 田鋒，趙強(qiáng)．接觸網(wǎng)故障點(diǎn)距離測量方法對比分析[J]．鐵道技術(shù)監(jiān)督，2016，44（2）：37-41.

[3] 中國鐵路總公司. TG/GD124-2015高速鐵路運(yùn)行維修規(guī)則[S]. 北京：中國鐵道出版社，2015.

The paper analyzes the fault location abnormality occurred in substation of Shanghai-Ningbo high speed railway, puts forward the correct methods for fault location after T-F short circuit reclosing under AT power supply mode, provides references for acceptance of putting into operation and operational management of high speed railways.

High speed railway; AT power supply mode; fault location

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.027

U226.8+1

B

1007-936X(2018)06-0107-04

2018-04-17

李 智.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司調(diào)度所，工程師。