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管理公司， 天津 300380)

背景簡介

京滬高鐵某牽引變電所微機保護裝置型號為TA21型綜合自動化系統(tǒng)；正線接觸網(wǎng)采用全補償彈性鏈形懸掛架構，承力索與接觸線之間采用整體不可調整吊弦進行連接，吊弦結構采用心形環(huán)形式，吊弦線長一般為1 600 mm左右。

1 故障情況及調查數(shù)據(jù)

1.1 故障情況

故障當天時間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，未出口，天氣情況為晴，微風。

1.2 保護裝置跳閘和保護啟動情況

斷路器號:211

故障時間:當天時間10:01:20.907

報告類型:饋線保護

跳閘標志:跳閘

重合閘標志:重合閘失敗

距離標志:相對距離

故障距離:0.83 km

故障動作:阻抗I段元件動作U=24.89 kVI=4 138 AZ=6.09 Ωφ=356.9°

事件1:1 ms 阻抗Ⅰ段啟動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:213

故障時間:當天時間10:01:20.909

報告類型:饋線保護

事件1: 1 ms 電流增量啟動，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:213

故障時間:當天時間10:01:23.401

報告類型:饋線保護

事件1: 1 ms 電流增量啟動，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 故障調查

2.1 設計定值情況

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°；低電壓啟動過電流為U=60 V,I=0.91 A,T=0.6 s；自動重合閘為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)場情況調查

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

(2)變電所設備檢查情況：設備檢查： 211、213保護裝置檢查，裝置運行工況正常，各功能模塊狀態(tài)明確、界面顯示無異狀；保護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； GIS柜電纜倉室檢查，其中電纜、避雷器、接地線、護層保護器無異味、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和三工位開關等運行正常；保護裝置、接觸網(wǎng)隔離開關等設備時間一致；保護裝置211饋線保護裝置阻抗一段動作，后加速跳閘，重合閘失敗， 213饋線保護裝置電流增量啟動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，可以得到故障時的紅外成像圖和弓網(wǎng)視頻圖。故障動車組07#車視頻情況(所列時間為6C視頻2C模塊記錄時間)，10:01:17開始進入分相；10:01:18受電弓通過分相第1個斷口時，在受電弓附近有閃光(電弧)。動車組15#車視頻情況(所列時間為視頻界面記錄時間)，10:01:20受電弓通過分相第2個斷口時，在受電弓運行方向后部第1個斷口中心柱附近有閃光(電弧)；同時，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)段利用車梯上線進行排查，重點對分相處逐桿進行重點排查，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跨絕緣錨段關節(jié)結構示意圖

3 保護裝置動作分析(見圖3)

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

3.1 211DL阻抗保護動作分析

圖3 距離保護原理示意圖

保護正確性分析：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)計算阻抗值在保護動作范圍內，由此判斷保護裝置動作正確。

3.2 213DL保護未動作原因分析

(1)電流增量啟動未出口分析(見圖4)。

圖4 電流增量保護原理框圖

213保護裝置電流增量共有2次啟動，第1次電流1.441 A、返回時間219 ms，第2次電流1.602 A,返回時間219 ms，213饋線增量定值為0.288 A，時限2 s。由于此次故障時二次諧波含量大于0.2，從而使得二次諧波閉鎖電流增量保護，因此電流增量啟動后二次諧波閉鎖導致保護未出口。

(2)阻抗保護未啟動分析

阻抗保護具有方向性，當接觸網(wǎng)線路發(fā)生一般接地短路故障時，故障電流經(jīng)饋線斷路器流出，經(jīng)接觸網(wǎng)，到達故障點然后通過地網(wǎng)和回流線回流所內，此方向為正方向，從圖3可以看出阻抗值落入第一和第四象限，阻抗保護啟動出口跳閘。

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，回流到213饋線斷路器側，也就是說211饋線電流為正方向時，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落入保護范圍內，因此213饋線斷路器阻抗保護不會啟動出口。

(3)低電壓啟動過電流保護未啟動分析(見圖5)

圖5 低電壓啟動過電流保護原理框圖

過電流定值為1.1 A，時限0.6 s、低壓啟動元件投入，定值為60 V，查得故障時213饋線UT=97.02 V，213饋線UF=97.13 V，實際電壓沒有低于定值，低電壓閉鎖保護啟動，因此低電壓啟動過電流保護未啟動。

(4)電流速斷未啟動分析(見圖6)

圖6 電流速斷保護原理框圖

電流速斷定值2.46 A,0.1 s，參考電流增量啟動電流值1.602 A，實際電流值未達到定值條件，因此213饋線電流速斷保護未啟動。

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，報文所給出的相對距離只具有參考性，不具有指導故障搶修的實際意義。

4 分析結果

通過列車車載3C視頻、牽引變電所211、213保護裝置動作記錄和接觸網(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保護裝置、213保護裝置的動作記錄和列車車載3C視頻都分別可以得出從第1起故障開始到第2起故障結束共持續(xù)約2.499 s時間的結果。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視頻顯示列車時速289 km/h，因此可以得出列車兩弓通過913#支柱的時間間隔約為2.491 s。

綜上所述，去除合理的時間偏差，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：動車組07#受電弓通過分相處907#至911#支柱時，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07#受電弓通過此區(qū)段時，必然會使得此吊弦劇烈擺動以致觸碰211T1正線接觸網(wǎng)，當動車組07#受電弓通過分相處913#支柱時，中性線帶213饋線的T2電源，而此時中性線斷裂的吊弦還在劇烈擺動，當?shù)跸遗c211T1接觸網(wǎng)線絕緣距離不足時，就會形成相間短路(把此時的時間軸定義為0 s)，短路電流為3 603 A，造成所內213電流增量啟動(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(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：動車組15#受電弓通過分相處907#至911#支柱時，中性線帶211饋線的T1電源，當15#受電弓通過此區(qū)段時，補充了此斷裂吊弦的動能，擺動程度再次加劇，當動車組15#受電弓通過分相處913#支柱時(2.49 s)，中性線帶213饋線的T2電源，而此時劇烈擺動的中性線斷裂吊弦，會與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211饋線斷路器后加速跳閘(2.49 s)，213電流增量啟動(2.49 s)，3C視頻拍攝到第2次電弧現(xiàn)象(2.49 s)。

5 結束語

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，因此當兩個故障率較高的因素結合在一起時，所形成的故障率和影響是驚人的。但是隨著新技術的不斷發(fā)展，很多成熟的在線監(jiān)測技術在鐵路牽引供電領域也有了更多的運應，如6C系統(tǒng)，因此對于此方面還需要更長時間和大量的數(shù)據(jù)積累和研究。