韶關(guān)—廣州段電氣化牽引變電所越級跳閘的原因與處理對策

劉讓雄，李日福

（1 廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510430；2 廣深鐵路股份有限公司 廣州供電段，廣東廣州510010）

韶關(guān)—廣州段（韶廣段）電氣化工程共新建6個牽引變電所，于2001年開通運行。該段牽引變壓器采用YN／▽阻抗匹配平衡型變壓器，牽引變壓器一二次側(cè)分別采用SW6－110型少油斷路器和ZN12－27．5型真空斷路器。牽引變壓器保護(hù)采用 WBZ－61A型微機(jī)保護(hù)裝置，主要配置了電流差動保護(hù)、110 k V三相低壓過電流保護(hù)和27．5 k V單相低壓過電流保護(hù)等。饋線保護(hù)采用WXB－63型微機(jī)保護(hù)裝置，主要配置了阻抗Ⅰ段保護(hù)、阻抗Ⅱ段保護(hù)、電流速斷保護(hù)與過電流保護(hù)等。對牽引網(wǎng)而言，上述配置形成了3級保護(hù)。其中阻抗Ⅰ段保護(hù)與阻抗Ⅱ段保護(hù)是牽引網(wǎng)的主保護(hù)（第1級），牽引變壓器27．5 k V單相低壓過電流保護(hù)則作為牽引網(wǎng)的近后備保護(hù)（第2級），而110 k V三相低壓過電流保護(hù)則作為牽引網(wǎng)的遠(yuǎn)后備保護(hù)（第3級）。該套保護(hù)系統(tǒng)運行至今發(fā)生過數(shù)起接觸網(wǎng)故障造成牽引變壓器27．5 k V單相低壓過電流保護(hù)動作，形成了越級跳閘，造成上下行接觸網(wǎng)同時停電，擴(kuò)大了故障停電范圍，嚴(yán)重干擾了繁忙干線的鐵路運輸。盡管這種越級跳閘故障發(fā)生的概率不高，但其產(chǎn)生的后果嚴(yán)重，而且不是偶然的，因此，必須找到其產(chǎn)生的根源并加以改進(jìn)克服。

1 原因分析

1．1 繼電保護(hù)裝置發(fā)生越級跳閘的幾種主要情況

（1）本級保護(hù)斷路器拒分。即本級保護(hù)裝置正常啟動并出口，但因保護(hù)裝置出口至斷路器跳閘回路或斷路器操作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)異常，導(dǎo)致斷路器未能分閘而未能及時切除故障，引起其后備保護(hù)動作。

（2）本級保護(hù)未啟動或雖啟動但沒有出口。本級保護(hù)未能啟動，主要原因：一是采樣回路故障未能正常采樣；二是整定值偏大，故障值沒有達(dá)到其動作值。保護(hù)裝置啟動了而沒有出口則可基本確定為保護(hù)裝置內(nèi)部故障。

（3）本級保護(hù)啟動了且斷路器跳閘回路及斷路器操作機(jī)構(gòu)均正常。這種情況，則主要因為本級保護(hù)與其后備保護(hù)的動作時限配合不合理，造成本級保護(hù)尚未跳閘而其后備保護(hù)先跳閘。

經(jīng)過故障排查，逐一排除了韶廣段牽引變電所越級跳閘既非本級保護(hù)斷路器拒分，也非本級保護(hù)未啟動或雖啟動但沒有出口。經(jīng)查設(shè)計資料，3級保護(hù)的動作時限整定分別為：110 k V側(cè)三相低壓過電流保護(hù)1 s、27．5 k V單相低壓過電流保護(hù)0．7 s、阻抗Ⅱ段保護(hù)0．5 s、阻抗Ⅰ段保護(hù)0．1 s。其動作時限配合如圖1所示。

由圖1知，27．5 k V單相低壓過電流保護(hù)與饋線阻抗Ⅱ段保護(hù)之間的時間級差Δt只有0．2 s。測試分析，發(fā)現(xiàn)該時間級差Δt設(shè)置成0．2 s不合理。

1．2 保護(hù)裝置時間級差Δt的確定

通過對繼電保護(hù)裝置各動作環(huán)節(jié)的分析，要確定保護(hù)裝置的時間級差Δt應(yīng)考慮下列因素：

圖1 韶關(guān)—廣州段牽引變電所三段式保護(hù)動作時限配合圖

（1）微機(jī)保護(hù)裝置固有動作時間t1

微機(jī)保護(hù)裝置固有動作時間t1是指在該保護(hù)裝置的動作時間整定為零時，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，保護(hù)裝置檢測到故障，給出動作信號至保護(hù)出口繼電器（BCJ）動作閉合的時間。

對于WXB－63型饋線微機(jī)保護(hù)裝置，其固有動作時間包含CPU采樣檢測及運算時間、I／O出口時間和斷路器驅(qū)動放大回路時間3部分。CPU采樣檢測及運算時間主要取決于保護(hù)算法。WXB－63型饋線微機(jī)保護(hù)裝置采用的是離散傅里葉算法，其數(shù)據(jù)采樣要求為一個工頻周期（s），即檢測到故障所需要的時間約為20 ms；I／O出口回路采用的是微型繼電器，微型繼電器動作閉合的時間約為10 ms；斷路器驅(qū)動放大回路中出口繼電器（BCJ）采用的是電磁型繼電器，繼電器動作閉合的時間約為40 ms?？偟墓逃袝r間約為70 ms。

現(xiàn)場對WXB－63型饋線微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行固有動作時間測試，測試結(jié)果為76 ms，即0．076 s，與理論值基本相符。

（2）斷路器固有分閘時間t2

斷路器固有分閘時間t2是指斷路器的分閘線圈受電到斷路器的動靜觸頭斷開瞬間的動作時間。依據(jù)ZN12－27．5型真空斷路器的技術(shù)說明書，固有分閘時間為≤0．08 s，此值與實測值接近。故此斷路器的固有分閘時間取0．08 s。110 k V側(cè)三相少油斷路器在牽引變電所保護(hù)系統(tǒng)中處于最后一級動作，所以它的固有分閘時間可以不考慮。

（3）斷路器觸頭分閘時間t3

斷路器觸頭分閘時間t3是指斷路器的動靜觸頭分開瞬間到分閘結(jié)束的時間。ZN12－27．5型真空斷路器觸頭行程25±2 mm，分閘速度1．3～1．8 m／s。據(jù)此計算斷路器的分閘時間約為0．015～0．021 s。在此取較大值0．021 s。

（4）可靠性時間t4

可靠性時間t4是一個綜合性的時間，它包括斷路器主觸頭滅弧的時間和微機(jī)保護(hù)裝置的返回時間。由于交流電弧過零點熄滅的物理特性，斷路器電弧熄滅需要半個周波至一個周波時間，需10～20 ms，再考慮在極端情況下斷路器開斷短路故障電流時，真空斷路器滅弧室由于電弧不能及時熄滅，造成電弧重燃，一般還會有1～2個周波的短路電流繼續(xù)經(jīng)過斷路器流入故障線路，時間為20～40 ms。

微機(jī)保護(hù)裝置的返回時間主要取決于保護(hù)裝置微機(jī)算法采樣所需時間和出口繼電器的返回時間。WXB－63型饋線微機(jī)保護(hù)裝置數(shù)據(jù)采樣要求為一個工頻周期s），所需時間為20 ms。微機(jī)保護(hù)裝置出口繼電器采用的是微型繼電器，其返回時間小于8 ms。因此，整個微機(jī)保護(hù)裝置的返回時間大約為28 ms。

繼電保護(hù)裝置的可靠性時間t4大致為20＋40＋28＝88 ms，再考慮可能產(chǎn)生的誤差，取該時間為0．1 s。

綜上所述，繼電保護(hù)裝置除設(shè)定的動作時限外，要確保完成保護(hù)出口、斷路器可靠分閘與保護(hù)裝置可靠返回所需的時間為t＝t1＋t2＋t3＋t4＝0．076＋0．08＋0．021＋0．1＝0．277 s。

為了保證保護(hù)裝置動作的選擇性，必須保證保護(hù)時間級差Δt應(yīng)大于保護(hù)裝置總的固有動作時間t＝0．277 s。而韶廣段各牽引變電所27．5 k V單相低壓過電流保護(hù)與饋線阻抗Ⅱ段保護(hù)之間的時間級差Δt只有0．2 s。如此設(shè)置不合理。當(dāng)運行中出現(xiàn)以下幾種情況時：

① 故障點超出阻抗Ⅰ段的保護(hù)整定范圍；② 饋線保護(hù)的下一級分區(qū)所保護(hù)發(fā)生拒動，饋線保護(hù)裝置作為分區(qū)所保護(hù)的后備保護(hù)時；③ 接觸網(wǎng)電分相故障發(fā)生異相間通過空氣絕緣形成電弧短路，短路阻抗角發(fā)生較大偏移。

饋線阻抗Ⅰ段保護(hù)將不會動作，此時饋線阻抗Ⅱ段保護(hù)啟動，但由于饋線阻抗Ⅱ段保護(hù)與27．5 k V單相低壓過電流保護(hù)之間的動作時間級差Δt偏小，極有可能出現(xiàn)牽引變壓器二次側(cè)斷路器越級跳閘或饋線斷路器與牽引變壓器二次側(cè)斷路器同時跳閘的現(xiàn)象。實際運行中就發(fā)生過這樣的故障。

2 處理對策

針對上述情況，于2008年對該供電段牽引變電所各保護(hù)裝置動作時限的配合時間級差Δt進(jìn)行調(diào)整，將饋線保護(hù)裝置的阻抗Ⅱ段和過電流保護(hù)動作時限由原來的0．5 s調(diào)整為0．4 s，其余的保護(hù)動作時限不變，使各級保護(hù)間的動作時間級差Δt調(diào)整后均為0．3 s，既滿足時間級差的要求又不突破上一級保護(hù)的動作時間要求。具體調(diào)整如表1所示。

調(diào)整后的動作時限配合如圖2所示。

表1 韶關(guān)－廣州段牽引變電所繼電保護(hù)系統(tǒng)動作時限調(diào)整表

圖2 韶關(guān)—廣州段牽引變電所三段式保護(hù)動作時限配合圖

經(jīng)調(diào)整后運行至今，該段牽引變電所繼電保護(hù)裝置尚未再發(fā)生牽引網(wǎng)故障而引起牽引變壓器二次側(cè)斷路器的越級跳閘。證明這一安全隱患得到根治。

3 結(jié)束語

繼電保護(hù)裝置是牽引變電所的神經(jīng)中樞，是牽引供電系統(tǒng)安全可靠運行的重要保證，要求其必須滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性的要求。對于繼電保護(hù)裝置的選擇性要求，主要通過動作值整定與動作時限的配合來實現(xiàn)。設(shè)計規(guī)范對保護(hù)裝置的動作時限配合沒有明確的定量標(biāo)準(zhǔn)，需要充分考慮所配置的保護(hù)裝置及所對應(yīng)的斷路器等相關(guān)設(shè)備的技術(shù)特性，全面分析與準(zhǔn)確計算保護(hù)動作過程各個環(huán)節(jié)所需的時間，合理確定保護(hù)裝置動作時限的配合時間級差Δt，從而消除繼電保護(hù)裝置選擇性不可靠的隱患，確保牽引供電系統(tǒng)的安全可靠運行。

［1］WXB－63型饋線微機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)說明書［R］．

［2］ZN12－27．5型真空斷路器的技術(shù)說明書［R］．

［3］ZN12－27．5真空斷路器與 WXB－63型微機(jī)保護(hù)裝置特性試驗報告［R］．

［4］劉紹峻．高壓電器［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989．