關(guān)于電氣化鐵路斷路器非對(duì)稱短路開(kāi)斷能力問(wèn)題探討

翟鐵久，涂大石

（1 鐵道部工程管理中心，北京100844；2 北京東方昱立電氣技術(shù)有限公司100192）

眾所周知，大多數(shù)供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)均是電感性質(zhì)的，因此當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，其短路電流都要伴隨一個(gè)逐漸衰減的過(guò)渡過(guò)程，使得短路電流的波形不再是以時(shí)間為對(duì)稱軸的正弦波，而是在交流分量的基礎(chǔ)上伴有一個(gè)隨時(shí)間衰減的直流分量（見(jiàn)圖1）。

圖1 短路關(guān)合和開(kāi)斷電流以及直流分量百分?jǐn)?shù)的確定

當(dāng)斷路器進(jìn)行開(kāi)斷時(shí)，直流分量有可能還沒(méi)有衰減到不足以影響開(kāi)斷能力的時(shí)候，這就要考慮這種“非對(duì)稱短路開(kāi)斷”的能力問(wèn)題。GB 1984-2003《高壓交流斷路器》4.101條明確規(guī)定：額定短路開(kāi)斷電流由兩個(gè)值表征：交流分量有效值和直流分量百分?jǐn)?shù)。

只有直流分量不超過(guò)20%，額定短路開(kāi)斷電流只由交流分量的有效值表征。只要直流分量有可能大于20%，就要進(jìn)行非對(duì)稱短路電流開(kāi)斷能力試驗(yàn)。

過(guò)去電氣化鐵路牽引變電站的變壓器容量比較小，供電電源一般是110kV，供電系統(tǒng)容量較小，這種情況下，斷路器觸頭分離瞬間短路電流的直流分量很少超過(guò)20%。目前隨著高速、重載鐵路的發(fā)展，許多變電所變壓器容量已達(dá)到63MVA以上，供電電源電壓多采用220kV，部分采用330kV，供電系統(tǒng)容量越來(lái)越大。由于系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)變大，直流分量衰減變慢，同時(shí)斷路器的分閘時(shí)間又越來(lái)越短（真空斷路器尤為明顯），對(duì)斷路器開(kāi)斷直流分量百分?jǐn)?shù)的要求就需要相應(yīng)提高。

在TB／T 2803-2003《電氣化鐵道用斷路器技術(shù)條件》6.3.5條“額定短路開(kāi)斷電流次數(shù)試驗(yàn)”中只要求T100按O-CO-180s-CO順序操作兩次、單分操作15次以及合分操作9次，沒(méi)有要求進(jìn)行T100a（非對(duì)稱短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)）試驗(yàn)。雖然在GB／T××××-××××《電氣化鐵路27.5kV和2×27.5kV交流金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》（報(bào)批稿）中要求進(jìn)行T100a試驗(yàn)，但因開(kāi)斷元件—斷路器的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確，而缺乏強(qiáng)制執(zhí)行的力度。

1 影響直流分量百分?jǐn)?shù)的因素

直流分量百分?jǐn)?shù)可按下式計(jì)算出來(lái)，也可以查圖2確定。

其中Top為斷路器首先分閘極的最短分閘時(shí)間，ms（這由斷路器脫扣器固有動(dòng)作時(shí)間決定）。

Tr為額定頻率的一個(gè)半波時(shí)間（50Hz為10ms）（這由保護(hù)裝置固有動(dòng)作時(shí)間決定）。

τ為取決于所有故障源最終組合的時(shí)間常數(shù)，ms（標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)，一般取45ms）。

例如，分閘時(shí)間為20～60ms的斷路器（Top=20 ms），短路開(kāi)斷能力為31.5kA，用在50Hz電力系統(tǒng)（Tr=10ms），Top+Tr=30ms，查圖2或用上式計(jì)算得知直流分量百分?jǐn)?shù)則為51%，直流分量的幅值為16kA。這是對(duì)斷路器的基本要求，如果不能驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)的直流分量百分?jǐn)?shù)小于20%，就必須通過(guò)此項(xiàng)試驗(yàn)的驗(yàn)證。

圖2 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)τ1和特殊工況的時(shí)間常數(shù)τ2、τ3以及τ4，直流分量百分?jǐn)?shù)與時(shí)間間隔（TOP＋TR）的關(guān)系曲線

鐵路牽引變電所的饋線保護(hù)延時(shí)100ms，加上斷路器固有動(dòng)作時(shí)間、保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間，實(shí)際故障延時(shí)應(yīng)在140ms以上。延時(shí)100ms，是因?yàn)槿缍搪钒l(fā)生在機(jī)車或動(dòng)車組內(nèi)部，則車上斷路器先斷開(kāi)，切除故障，故障車退出運(yùn)行，變電所饋線保護(hù)不動(dòng)作，饋線繼續(xù)供電，使線路上其他無(wú)故障車輛繼續(xù)受電。因此當(dāng)接觸網(wǎng)故障時(shí)，由于上述延時(shí)，鐵路牽引變電所饋線斷路器開(kāi)斷時(shí)暫態(tài)成分已明顯減弱，一般可以忽略不計(jì)。但是，饋線斷路器要進(jìn)行重合閘，如果故障沒(méi)有消除，則會(huì)啟動(dòng)后加速跳閘，延時(shí)時(shí)間只有斷路器固有動(dòng)作時(shí)間、保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間，一般不會(huì)超過(guò)40ms。這種情況下直流分量衰減幅度就十分有限了。

另外，為了限制短路電流，鐵路牽引變壓器的短路阻抗在8%～10%，X／R值相應(yīng)增大，時(shí)間常數(shù)τ變大，直流分量衰減速度下降，不利于開(kāi)斷。

1.1 斷路器首先分閘極的最短分閘時(shí)間Top

一般真空斷路器的分閘時(shí)間Top在20～60ms之間，也有在25～60ms范圍。動(dòng)作時(shí)間之所以有這么大的范圍，主要是因?yàn)檩o助脫扣器的操作電壓允許有65%～120%的變化范圍，合閘后的扣接量也有隨機(jī)性，也影響固有分閘時(shí)間。SF6斷路器分閘時(shí)間Top一般在30～60ms。兩者的差別原因前者是對(duì)接觸頭結(jié)構(gòu)，動(dòng)觸頭相對(duì)靜觸頭一開(kāi)始運(yùn)動(dòng)就開(kāi)始分閘；而后者是插入式結(jié)構(gòu)，動(dòng)觸頭相對(duì)靜觸頭運(yùn)動(dòng)到剛好不再保持電接觸時(shí)才算開(kāi)始分閘。所以真空斷路器開(kāi)斷直流分量的百分?jǐn)?shù)要高些。

從減輕開(kāi)斷負(fù)擔(dān)方面講，人為地延長(zhǎng)最短分閘時(shí)間Top有利于短路開(kāi)斷，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)講，時(shí)間越短才越安全，所以這種方法并不可取。

1.2 額定頻率的一個(gè)半波時(shí)間Tr

這個(gè)參數(shù)是考慮到保護(hù)裝置的固有動(dòng)作時(shí)間。對(duì)于自帶脫扣器的斷路器，由于不經(jīng)過(guò)保護(hù)裝置直接脫扣跳閘，Tr可以認(rèn)定為零。其他輔助動(dòng)力脫扣器的斷路器，即使是速斷無(wú)延時(shí)跳閘，因有保護(hù)裝置的固有動(dòng)作時(shí)間，Tr也不能認(rèn)定為零。一般選為額定頻率的一個(gè)半波時(shí)間（對(duì)50Hz來(lái)講就是10ms），如果保護(hù)時(shí)間大于該值，則要重新考慮。

1.3 時(shí)間常數(shù)τ

時(shí)間常數(shù)τ取決于整個(gè)系統(tǒng)的阻抗與電阻的比值X／R。不同的電壓等級(jí)、不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其值都會(huì)發(fā)生變化。45ms的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)僅對(duì)三相系統(tǒng)有效，單相系統(tǒng)發(fā)生對(duì)地短路時(shí)的時(shí)間常數(shù)要小些，但具體數(shù)值（例如27.5kV或2×27.5kV系統(tǒng)）還沒(méi)有得到任何試驗(yàn)驗(yàn)證。

國(guó)際電工委員會(huì)IEC SC17A會(huì)議（1998年）對(duì)“開(kāi)關(guān)設(shè)備試驗(yàn)非對(duì)稱電流能力規(guī)定的時(shí)間常數(shù)”公布了近似數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 不同條件的時(shí)間常數(shù)

對(duì)牽引變電站來(lái)講，如果短路發(fā)生在線路遠(yuǎn)端，變壓器容量為1MVA，則可認(rèn)為是架空線短路，時(shí)間常數(shù)τ＜20ms。如果短路發(fā)生在線路近端（靠近出口斷路器側(cè)），變壓器容量為1～10MVA，則可認(rèn)為是變壓器短路，時(shí)間常數(shù)50ms＜τ＜150ms。常見(jiàn)的牽引變電站變電容量多數(shù)在31.5～63MVA，按照最嚴(yán)酷的情況考慮，時(shí)間常數(shù)50ms＜τ＜150ms。如果按照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間常數(shù)45ms考慮也屬正常、合理！

另外，從定性上講，斷路器實(shí)際開(kāi)斷的短路電流越?。ó?dāng)然小于額定短路開(kāi)斷電流），短路電流中的直流分量就允許增加，但這還沒(méi)有一個(gè)規(guī)律可循。

2 直流分量對(duì)斷路器滅弧能力的影響

直流分量對(duì)斷路器滅弧能力的影響至今還沒(méi)有專門(mén)研究也沒(méi)有相關(guān)報(bào)道，只能從理論上進(jìn)行定性分析。

影響滅弧室開(kāi)斷成功與否的主要因素是電弧的能量，也就是電弧電流的平方值對(duì)時(shí)間的積分，見(jiàn)圖3所示的典型電弧能量示意。圖中陰影部分就表示電弧的能量，EE′為起弧時(shí)刻，O″為電弧熄滅時(shí)刻，O′-O″燃弧時(shí)間。

電流在第1個(gè)零點(diǎn)很少熄滅，一般都在第2個(gè)零點(diǎn)熄滅。由圖3可知，直流分量越大，燃弧時(shí)間就要加長(zhǎng)，需要開(kāi)斷的能量越大。最嚴(yán)重的是起弧后電流首次不過(guò)零點(diǎn)，只能在第2次或第3次過(guò)零點(diǎn)時(shí)開(kāi)斷。由于觸頭燒蝕時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，金屬氣化嚴(yán)重這就容易開(kāi)斷失敗。

圖3 電弧能量示意

3 試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

鐵道科學(xué)研究院為了試驗(yàn)驗(yàn)證距離保護(hù)（阻抗保護(hù)）的測(cè)距精度，2011-07-05在廣（州）深（圳）（香）港高鐵魚(yú)窩頭變電站—沙田分區(qū)所進(jìn)行直接短路試驗(yàn)（見(jiàn)圖4）。短路方式：接觸網(wǎng)T線、F線帶有額定電壓時(shí)經(jīng)分區(qū)所斷路器直接接地短路，但合閘相位點(diǎn)是隨機(jī)的?？偣策M(jìn)行了4次試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)在沙田分區(qū)所、裕盛AT所、魚(yú)窩頭變電站都測(cè)量了電流、電壓波形，因模擬短路是在沙田分區(qū)所，所以這里只選了沙田分區(qū)所的測(cè)試數(shù)據(jù)分析。

圖4 短路試驗(yàn)回路

由于這項(xiàng)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證距離保護(hù)的測(cè)距精度，并沒(méi)有分析暫態(tài)過(guò)程的目的，所以有以下幾點(diǎn)并不滿足短路開(kāi)斷要求：

（1）試驗(yàn)地點(diǎn)在距饋線斷路器20km處，就要按架空線路的時(shí)間常數(shù)選擇了，查表1得知時(shí)間常數(shù)＜20 ms。如果短路發(fā)生在魚(yú)窩頭變電所出口處，就要按10 MVA變壓器的時(shí)間常數(shù)選擇了。查表1得知時(shí)間常數(shù)為50～150ms。從圖5～圖8可以看出：每次短路發(fā)生后一個(gè)半周波時(shí)間電流就已經(jīng)衰減到穩(wěn)態(tài)電流值了。如果時(shí)間常數(shù)變大，衰減就不會(huì)這么快，斷路器開(kāi)斷時(shí)的直流分量還有可能保持較高的分量。

（2）每次短路關(guān)合時(shí)間都是隨機(jī)的，并沒(méi)有一次在電壓峰值點(diǎn)或零點(diǎn)關(guān)合，都是在峰值點(diǎn)的前1／4周波內(nèi)關(guān)合。這就使得每次試驗(yàn)都沒(méi)發(fā)生最嚴(yán)酷的暫態(tài)過(guò)程，直流分量也就沒(méi)出現(xiàn)最大值（通過(guò)示波圖可以算出：在第一個(gè)波峰時(shí)直流分量大約只有50%）。

圖5 第1次短路試驗(yàn)

圖6 第2次短路試驗(yàn)

圖7 第3次短路試驗(yàn)

圖8 第4次短路試驗(yàn)

圖9為一個(gè)典型的三相非對(duì)稱開(kāi)斷試驗(yàn)（T100a）的示波圖（51%的直流分量）。由圖可以看出：B相關(guān)合點(diǎn)在接近電壓零點(diǎn)，B相電流的直流分量也最大（電流電壓相位差接近90°）。當(dāng)短路電流持續(xù)到第3個(gè)半波時(shí)斷路器開(kāi)始分?jǐn)啵娏髟俅芜^(guò)零點(diǎn)時(shí)電弧熄滅。此時(shí)B相的直流分量約為51%，這與上述圖5～圖8所述的衰減速度（3個(gè)周波衰減完畢）以及直流分量的百分?jǐn)?shù)相差很大。

圖9 三相短路試驗(yàn)

3.2 斷路器直流分量型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2011-11-01～2011-12-27某開(kāi)關(guān)設(shè)備制造廠家在“機(jī)械工業(yè)高壓電器設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)中心（沈陽(yáng)）”對(duì)KGN8-27.5型鎧裝固定式金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行型式試驗(yàn)。內(nèi)裝斷路器為ZN108-27.5／3150-31.5型戶內(nèi)高壓真空斷路器，分閘時(shí)間為20～60ms，經(jīng)計(jì)算其需開(kāi)斷的直流分量不小于51%。試驗(yàn)站采用電壓、電流合成的方法進(jìn)行試驗(yàn)，即一個(gè)回路提供給斷路器低電壓短路電流，另一回路在斷口間施加一個(gè)高壓直流電壓。短路電流被開(kāi)斷后，如果電壓施加成功，證明斷口絕緣正常，否則說(shuō)明斷口絕緣沒(méi)有恢復(fù)成功，試驗(yàn)失敗。

圖10 T100a合成試驗(yàn)示波圖

圖10為合成試驗(yàn)的示波圖。由圖可知，由于直流分量過(guò)大，短路電流在首個(gè)半波后幾乎不能過(guò)零點(diǎn)，第1次與第2次零點(diǎn)間隔時(shí)間也很短。如果在首半波就進(jìn)行開(kāi)斷，則有可能兩次過(guò)零點(diǎn)時(shí)斷口開(kāi)距還不夠大，電弧不能熄滅，直到第3個(gè)零點(diǎn)斷口開(kāi)距才夠，但這已過(guò)去了30ms左右，觸頭已燒蝕嚴(yán)重，熄弧能力不足了。一般真空滅弧室燃弧時(shí)間只許在10～18ms范圍內(nèi)才安全。圖10所示在90ms左右斷路器開(kāi)斷，直流分量衰減到51%，2次過(guò)零點(diǎn)時(shí)熄弧，所加直流電壓正常，表明開(kāi)斷成功。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然本文分析預(yù)想的事故發(fā)生的幾率不是很高，但發(fā)生的后果卻直接危及到高速鐵路、重載鐵路的安全運(yùn)行，希望能引起有關(guān)方面的高度重視，認(rèn)真研究以下措施：

（1）應(yīng)盡早修訂TB／T 2803-2003《電氣化鐵道用斷路器技術(shù)條件》，增加斷路器非對(duì)稱開(kāi)斷能力的試驗(yàn)驗(yàn)證；

（2）27.5kV或2×27.5kV斷路器的制造廠家應(yīng)提供T100a（非對(duì)稱短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)）結(jié)果；

（3）對(duì)于大型牽引變電站，27.5kV側(cè)開(kāi)關(guān)設(shè)備又沒(méi)有通過(guò)T100a（非對(duì)稱短路電流開(kāi)斷試驗(yàn)）的情況，應(yīng)評(píng)估其短路開(kāi)斷能力。

［1］GB 1984-2003.高壓交流斷路器［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［2］TB／T 2803-2003.電氣化鐵道用斷路器技術(shù)條件［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［3］TB／T 2010-87.27.5kV交流電氣化鐵道開(kāi)關(guān)柜技術(shù)條件［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

［4］JB／T 6463-1992.電氣化鐵路用斷路器技術(shù)條件［S］.北京：機(jī)械科學(xué)研究院出版社，1992.

［5］TB／T 10009-2005.鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.