京滬高鐵饋線重合閘成功后的異常情況分析

李 瑞 肖世輝 劉建華

（中鐵電氣化局 天津 300380）

1 背景介紹

京滬高速鐵路北京局管內(nèi)共有正線312公里，牽引供電系統(tǒng)是由797.579條公里的接觸網(wǎng)系統(tǒng)、8座牽引變電所、7個分區(qū)所和12個變電所的牽引所亭系統(tǒng)和其相配套的電力配電系統(tǒng)組成。供電模式為北京南牽引變電所和魏善莊牽引變電所的北京方向為直接供電模式，其余全為全并聯(lián)AT供電方式。

圖1 全并聯(lián)AT供電方式示意圖

1.1 全并聯(lián)AT供電方式

全并聯(lián)AT供電方式，見圖1全并聯(lián)AT供電方式示意圖，是通過在牽引網(wǎng)絡(luò)中增設(shè)正饋線AF線和自耦變壓器（AT變壓器），且在上、下行牽引網(wǎng)的每個AT所和分區(qū)所共用母線分段來實現(xiàn)橫向的電氣聯(lián)接，從整體上減小了系統(tǒng)牽引網(wǎng)的阻抗，而且將牽引電壓的供電能力提高了一倍，擴展了牽引變電所的間距使其更具有經(jīng)濟性，同時較其他供電方式來說，AF線的存在較單純的回流線形式，能顯著的減少牽引供電系統(tǒng)對外部環(huán)境的電磁污染。

1.2 微機保護裝置

北京局管內(nèi)的京滬高鐵牽引供電系統(tǒng)中的微機保護裝置為牽引變電所安全監(jiān)控與綜合自動化系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有高適用性、高可靠性、易操作性、易擴展性和易維護性的特點。此系統(tǒng)由各種保護測控單元、當(dāng)?shù)乇O(jiān)控單元、遠程通信單元、安全視頻監(jiān)控單元等組成，采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)完善的保護、測量和控制功能。

牽引變電所、分區(qū)所和AT所的饋線保護測控裝置，采用一套保護裝置負(fù)責(zé)一臺斷路器的運行模式，它的保護功能和作用分別為自適應(yīng)距離保護（以提高躲避正常負(fù)荷的能力）、電流速斷保護、過電流保護、自適應(yīng)電流增量保護（以保障高阻接地故障和異相短路故障時保護可靠動作）、反時限過負(fù)荷保護和接觸網(wǎng)發(fā)熱保護（以監(jiān)視牽引網(wǎng)負(fù)荷狀況）、一次自動重合閘（縮短故障延時，并采用瞬時性與永久性故障識別功能，減少重合永久性故障對設(shè)備的沖擊）、PT斷線檢測和分區(qū)所（AT所）檢有壓元件（分別起到失壓保護功能和檢有壓重合閘）等功能。

京滬高鐵牽引變電所設(shè)置一次重合閘功能，定值延時為2s，而分區(qū)所、AT所設(shè)置檢有壓重合閘功能，定值延時分別為3s和4s，失壓動作定值延時為1s。牽引網(wǎng)系統(tǒng)在同一個供電臂上的牽引變電所亭的動作邏輯為：假設(shè)某一牽引變電所因與之相關(guān)聯(lián)的接觸網(wǎng)發(fā)生故障而饋線跳閘，此跳閘出口時間定義為0s，分區(qū)所、AT所于1s時饋線失壓跳閘，牽引變電所2s時饋線重合閘，若故障未切除，則后加速跳閘，整個邏輯流程結(jié)束，若故障切除，則重合閘成功，分區(qū)所4s時饋線檢有壓重合閘，AT所5s時饋線檢有壓重合閘，邏輯流程結(jié)束。詳見圖2牽引網(wǎng)同供電臂跳閘邏輯示意圖。

圖2 牽引網(wǎng)同供電臂跳閘邏輯示意圖

分區(qū)所 AT饋線電流互感器變比為 CT=1000，電壓互感器變比為 PT=275。保護設(shè)有失壓保護（34.4V/1s，以下數(shù)值都為二次值），檢有壓自動重合閘（57.3V/3s），距離保護（躲涌流偏移角85度，線路阻抗角 75度，容性阻抗偏移角 15度，其中距離Ⅰ段保護方向為線路方向，距離Ⅱ段保護方向為母線方向），過流保護（1.62A/0.35s），電流增量保護（0.72A/0.42A/1.7s），PT斷線檢測（45.8V/1.62A）。

AT所饋線流互變?yōu)镃T=1000，壓互變比為PT=275。保護設(shè)有失壓保護功能（36V/1s），檢有壓自動重合閘（60V/4s），PT斷線檢測（48V/0.96A）。

2 故障情況

案例一：2014.06.06故障分區(qū)所一

故障時間：2014-06-06，14：02：24.987；報告類型：饋線保護；斷路器號：274；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：3.00 km；故障動作：失壓元件動作U=24.68kV，I=548A，Z=44.83Ω，φ：=268.2°；事件 1：1ms失壓啟動，U=7.86kV；事件 2：1001ms失壓出口U=0.07kV；事件3：1113ms失壓返回U=0.00kV；事件4：4020ms 重合閘出口；事件5：4266ms后加速出口。

故障時間：2014-06-06 14：02：24.989；報告類型：饋線保護；斷路器號：273；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：3.00 km；故障動作：失壓元件動作U=24.44 kV，I=417A，Z=58.35Ω，φ=265.2°；事件1：1 ms 失壓啟動 U=8.20 kV；事件2：1001 ms失壓出口U=0.06 kV；事件3：1113 ms失壓返回U=0.06 kV；事件4：4020 ms重合閘出口；事件5：4198 ms后加速出口。

案例二：2013.01.30故障分區(qū)所二

故障時間：2013-03-30，07：21：11.167；報告類型：饋線保護；斷路器號：274；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：3.00 km；故障動作：失壓元件動作U=24.82 kV，I=464A，Z=54.40Ω，φ=266.8°；事件1：1 ms失壓啟動U=7.60 kV；事件9：1001ms失壓出口 U=0.12 kV；事件10：1113ms失壓返回U=0.20 kV；事件11：4020 ms重合閘出口；事件12：4210 ms后加速出口。

故障時間：2013-03-30，07：21：11.167；報告類型：饋線保護；斷路器號：273；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：3.00 km；故障動作：失壓元件動作U=24.99 kV，I=666A，Z=37.83Ω，φ=267.6°；事件4：5 ms失壓啟動U=4.69 kV；事件9：1005 ms失壓出口U=0.12 kV；事件10：1117 ms失壓返回U=0.12 kV；事件11：4024 ms重合閘出口；事件12：4266 ms后加速出口。

3 異常情況

以上案例故障都發(fā)生在接觸網(wǎng)有故障造成相應(yīng)牽引變電所饋線跳閘，重合閘成功，根據(jù)圖2牽引網(wǎng)同供電臂跳閘邏輯示意圖可以看出，正常情況下分區(qū)所應(yīng)該檢有壓重合閘成功，但由于分區(qū)所饋線保護裝置通過采集到的電量信息，判斷線路上有異常狀況，因此在重合閘成功的瞬時又后加速跳閘，重合閘失敗。

京滬高鐵北京局管內(nèi)從2012年到現(xiàn)在為止多次在不同的分區(qū)所發(fā)生過類似事件，如除以上案例外還有故障分區(qū)所三在2015.11.05和2014.06.06，故障分區(qū)所四2016.05.24等等，但是從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看發(fā)生的頻率卻不是很高，平均約為一年一次。

綜上所述事件故障可歸納出以下幾個共性特點：事件都發(fā)生在分區(qū)所；事件發(fā)生頻率不高；事件發(fā)生的范圍較大且呈隨機分布；事件故障負(fù)荷角都在躲涌流偏移角265度左右；事件時采集到的電壓值為24 kV以上，電流值為600A左右。

4 故障分析

保護裝置所給的故障報文所列數(shù)據(jù)是最后一次跳閘出口時采集的數(shù)據(jù)，因此可以確定當(dāng)有后加速跳閘時的故障報文數(shù)據(jù)為后加速跳閘采集到的數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)故障報文數(shù)據(jù)可以判斷出全部的后加速跳閘原因都是距離Ⅱ段保護動作，其它保護從電量數(shù)據(jù)和邏輯程序來判斷并未啟動。距離Ⅱ段保護方向由于是指向母線側(cè)，且保護裝置的距離保護采用的是阻抗四邊形的原理，利用所給定值可得出相關(guān)保護邊界圖形，詳見圖3分區(qū)所距離Ⅱ段保護原理示意圖。

從所有后加速跳閘報文數(shù)據(jù)來計算，事件阻抗角都處在躲涌流偏移角265度附近，而根據(jù)定值可得躲涌流偏移角 265度的邊界阻抗為，當(dāng)負(fù)荷角在265度左右且阻抗值小于201.56Ω時，阻抗值都在圖 3分區(qū)所距離Ⅱ段保護原理示意圖的跳閘邊界條件范圍以內(nèi)，因此后加速跳閘從數(shù)據(jù)和邏輯來分析是正常的。

圖3 分區(qū)所距離Ⅱ段保護原理示意圖

分區(qū)所采集到的電壓的壓降到 24 kV～25 kV的原因是分區(qū)所暫時的供電臂末端壓降和變電所重合閘成功引發(fā)的瞬時電壓波動，采集到的電流有可能為機車的正常取流（單編組機車的正常電流大小為500～600A左右）、自耦變壓器和機車變壓器勵磁涌流的原因，且電流方向指向分區(qū)所母線側(cè)，保護裝置的二次諧波閉鎖未閉鎖成功和未躲開涌流偏移所致，所以引發(fā)距離Ⅱ段保護裝置動作。

綜上所述，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時，且有多組機車正好同時處在故障區(qū)段的上行和下行取流時，牽引供電系統(tǒng)的保護裝置按照正常設(shè)定程序執(zhí)行，即牽引變電所相應(yīng)饋線跳閘，分區(qū)所、AT失壓跳閘，牽引變電所重合閘，AT所檢有壓重合閘，當(dāng)程序執(zhí)行到分區(qū)所檢有壓重合閘時，由于機車的取流（最主要的電流來源）、故障恢復(fù)時的勵磁涌流造成電流指向分區(qū)所的母線側(cè)和瞬時電壓波動的壓降，使得電壓、電流滿足分區(qū)所距離Ⅱ段保護跳閘的條件，從而引發(fā)分區(qū)所饋線斷路器后加速跳閘。由于故障時必須有機車處在于此區(qū)段，且分區(qū)所采集到的電壓、電流的阻抗配合正好處在距離Ⅱ段的保護范圍內(nèi)，相關(guān)二次諧波閉鎖未成功抑制誤動作，才會使得分區(qū)所饋線斷路器后加速跳閘，因此此類故障的發(fā)生具有極大的偶然性和普遍性。

而由于AT所的保護配置的原因，所以AT所不會發(fā)生分區(qū)所發(fā)生的類似事件。

5 相關(guān)建議

針對故障分析中的結(jié)論，得出分區(qū)所定值修改的如下建議：（1）針對牽引變電所重合閘成功后的勵磁涌流的影響，分區(qū)所饋線二次諧波閉鎖系數(shù)現(xiàn)為0.2，建議減小到0.15，以提高二次諧波閉鎖保護誤動作的概率；（2）針對事件中分區(qū)所饋線保護動作阻抗角在265度附近的情況，把現(xiàn)有的躲涌流偏移角85度調(diào)整為80度，以減小距離Ⅱ段保護的保護范圍，以躲過此偶發(fā)事件前提引發(fā)的距離Ⅱ段保護誤動作；（3）針對事件中的末端電壓波動，建議把現(xiàn)有的檢有壓重合閘延時3s更改為4s，以躲過牽引變電所重合閘成功后牽引網(wǎng)的電壓波動；（4）針對其它鐵路線路的定值設(shè)計整定原則，在牽引供電系統(tǒng)正常運行時，取消除失壓保護和檢有壓重合閘保護以外的所有保護。

6 結(jié)語

京滬高速鐵路現(xiàn)在每日開行的列車數(shù)量是400對左右，運輸壓力十分巨大，政治影響重大，跳閘故障時間的分秒浪費都有可能影響到正常運輸秩序，因此相關(guān)技術(shù)人員針對牽引供電系統(tǒng)中的定值研究、修改、復(fù)核是非常重要和有必要的。

另外京滬高速鐵路作為中國第一條具有完全知識產(chǎn)權(quán)的品牌，不僅僅對外具有很高的象征意義，最重要的一條就是可以以自身的極限運營所收集到的全部數(shù)據(jù)進行分析、總結(jié)和歸納，可以為國內(nèi)的其它高鐵或鐵路從設(shè)計之初就避免和完善細(xì)節(jié)上的不足，以提高整個牽引供電系統(tǒng)的合理性和穩(wěn)定性。