李文起，孫曉薇

(北京鐵路局石家莊供電段，石家莊 050000)

在牽引變電所微機(jī)饋線保護(hù)中，設(shè)有電流保護(hù)、阻抗保護(hù)、增量保護(hù)和故障標(biāo)定裝置。當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，上述3種保護(hù)會(huì)有選擇的動(dòng)作跳閘切除故障點(diǎn)，同時(shí)故障標(biāo)定裝置準(zhǔn)確的指示出故障點(diǎn)的位置，為故障查找提供了很大的便利。但是近年來(lái)發(fā)生過(guò)多次非正常跳閘，主要體現(xiàn)為變電所兩個(gè)供電臂微機(jī)饋線保護(hù)同時(shí)跳閘，故障標(biāo)定裝置指示值誤差非常大，故障點(diǎn)很難查找，給牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行帶來(lái)了一定隱患。

1 故障現(xiàn)象和定性分析

1.1 故障現(xiàn)象

2011年2月2日3時(shí)20分，巖會(huì)變電所211、214斷路器同時(shí)跳閘，其中211饋線保護(hù)中的電流速斷、阻抗Ⅰ段保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，故障標(biāo)定裝置指示值為:3.49 km，26.24 kV，4 477 A，3.4∠346.3°Ω;214 饋線保護(hù)中的電流速斷動(dòng)作，故障標(biāo)定裝置指示值為:10.09 km，20.65 kV，3 770 A，3.98∠128.2°Ω;均重合成功。接觸網(wǎng)工區(qū)夜間巡視沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常，停電檢查發(fā)現(xiàn)211、214的接觸網(wǎng)分相燒傷，實(shí)際故障點(diǎn)距巖會(huì)變電所2.8 km。故障發(fā)生時(shí)12705次電力機(jī)車巖會(huì)站下行1道通過(guò)。

2011年2月5日9時(shí)整，井南變電所211、214斷路器同時(shí)跳閘，其中211饋線保護(hù)中的電流速斷動(dòng)作，故障標(biāo)定裝 置 指示值為:4.602 km，21.97 kV，4 204 A，3.04∠152.8°Ω;214 饋線保護(hù)中的電流速斷動(dòng)作，故障標(biāo)定裝置指示值為:3.723 km，26.97 kV，4 585.2 A，2.56∠344.2°Ω;均重合成功。接觸網(wǎng)工區(qū)巡視沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。停電檢查發(fā)現(xiàn)211、214的接觸網(wǎng)分相燒傷，實(shí)際故障點(diǎn)距井南變電所1.5 km。

上述問(wèn)題在其他變電所也發(fā)生過(guò)多次，其阻抗角變化范圍與上述兩例相似。

1.2 定性分析

巖會(huì)、井南2個(gè)變電所的變壓器為Y/△-11接線方式。饋線的編號(hào)方法為順時(shí)針，因此，巖會(huì)和井南2個(gè)變電所的211、214同為下行。從故障現(xiàn)象可以看出，巖會(huì)和井南2個(gè)變電所均出現(xiàn)了2個(gè)供電臂的饋線斷路器同時(shí)跳閘問(wèn)題(圖1)，并且與正常跳閘時(shí)的參數(shù)不同。

圖1 分相短路示意

1.2.1 繼電保護(hù)動(dòng)作正確性判斷

正常情況下，阻抗保護(hù)的保護(hù)范圍在-15°～85°，正常短路故障時(shí)短路阻抗角在65°左右，阻抗Ⅰ段保護(hù)在近端短路時(shí)每次都應(yīng)該動(dòng)作。但從上面的211、214的動(dòng)作情況來(lái)看，僅巖會(huì)變電所211阻抗Ⅰ段保護(hù)正常動(dòng)作，其他饋線阻抗Ⅰ段保護(hù)由于短路阻抗角(128.2°～344.2°)超出保護(hù)范圍(-15°～85°)均沒(méi)有動(dòng)作。因此可以斷定繼電保護(hù)動(dòng)作與正常動(dòng)作雖然不同，但是繼電保護(hù)本身沒(méi)有問(wèn)題，動(dòng)作是正常的。

1.2.2 繼電保護(hù)動(dòng)作故障點(diǎn)分析

在211、214保護(hù)同時(shí)動(dòng)作時(shí)，其阻抗角在128.2°～346.3°與正常短路故障時(shí)短路阻抗角在 65°左右相差很大，并且是兩個(gè)供電臂的下行饋線保護(hù)211、214保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，211、214饋線之間有分相絕緣器，因此可以初步斷定故障的短路點(diǎn)應(yīng)該在變電所兩個(gè)供電臂接觸網(wǎng)分相處。

1.2.3 故障標(biāo)定裝置指示不準(zhǔn)的原因分析

在接觸網(wǎng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，故障標(biāo)定裝置采集的為本相電壓˙UCA，電流為本相電流˙ICA，其短路阻抗角在65°左右，故障電抗值正確反映故障點(diǎn)距離，所以故障標(biāo)定裝置指示值比較準(zhǔn)確。當(dāng)變電所兩個(gè)供電臂接觸網(wǎng)分相處發(fā)生短路故障時(shí)，繼電保護(hù)和故障標(biāo)定裝置采集電壓仍為本相電壓˙UCA，電流為A、B兩相間故障電流˙IAB，其阻抗角變化很大，故障電抗值不能正確反映故障點(diǎn)距離，所以故障標(biāo)定裝置指示值不準(zhǔn)確。

2 定量分析

2.1 確定短路故障點(diǎn)

以巖會(huì)變電所為例進(jìn)行分析，根據(jù)1.1中數(shù)據(jù)，畫(huà)出向量圖，如圖2所示。

圖2 井南變電所分相短路故障向量圖

圖2中的基本參數(shù)為:

利用余弦定理計(jì)算求得:

利用正弦定理求得三角形角度如圖2中所示。

2.2 故障探測(cè)裝置指示值分析

從圖2看出，電壓UBA超前電流˙IBA38.1°，屬于高阻接地的正常阻抗角。因此在發(fā)生分相處短路故障時(shí)，變電所兩個(gè)供電臂的阻抗角理論值應(yīng)為38.1°，所以計(jì)算短路點(diǎn)距離時(shí)，應(yīng)按本相短路阻抗和38.1°阻抗角的關(guān)系考慮。又由于在發(fā)生分相處短路故障時(shí)，阻抗值為變電所至分相處之間阻抗值的2倍(沒(méi)有接地)，因此實(shí)際故障點(diǎn)距離應(yīng)為計(jì)算出的故障點(diǎn)距離的一半。以此方法計(jì)算巖會(huì)變電所分相處短路距離如下。

A供電臂的計(jì)算距離為:

B供電臂的計(jì)算距離為:

式中:0.4為單位電抗，Ω/km。

已知巖會(huì)變電所至接觸網(wǎng)分相處的實(shí)際距離為2.8 km，可以看出計(jì)算值與實(shí)際值相差不大，進(jìn)一步說(shuō)明發(fā)生分相處短路故障時(shí)，故障標(biāo)定裝置指示值不準(zhǔn)確的原因。

以上是按純分相處短路故障分析的，實(shí)際情況還會(huì)受電力機(jī)車取流等因素的影響，故與實(shí)際距離會(huì)有一定的誤差。

2.3 極端情況分析

2.3.1 正常情況向量分析

在牽引供電系統(tǒng)正常供電、沒(méi)有負(fù)荷電流的情況下，牽引變電所輸出的三相電壓為對(duì)稱值，即三相線電壓大小相等，相位相差120°，三相線電壓組成等邊三角形(圖3)。

圖3 變電所分相無(wú)故障向量圖

此時(shí)通過(guò)接觸網(wǎng)分相絕緣器的電流只有泄漏電流˙IAB，由于分相絕緣器此時(shí)基本為阻值很大的純電阻(＞10 MΩ)，因此加在接觸網(wǎng)分相器兩端的電壓˙U'AB與˙IAB同相位。此時(shí)變電所A供電臂電壓相位超前電流˙IAB為240°，變電所B供電臂電壓超前電流為120°。

2.3.2 分相處金屬性短路故障向量分析

在接觸網(wǎng)分相處發(fā)生金屬性短路故障時(shí)(短路阻抗為0 Ω)，假定接觸網(wǎng)分相與變電所的距離為1 km(極限值)，線路單位阻抗為0.42 Ω/km，線路阻抗角為 70°，求得短路阻抗值 Z=2×0.42=0.84 Ω。

根據(jù)巖會(huì)變電所電力系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗及上述線路參數(shù)，計(jì)算得短路電流IAB=4 710 A，短路電壓值 UAB=4 710×0.84=4.71 kV，此時(shí)假定 UCA、UCB電壓值不變(仍為27.5 kV)，根據(jù)上述參數(shù)，組成等腰三角形向量圖(圖4)。

圖4 變電所分相無(wú)故障向量圖

3 分相處短路故障的判斷方法

從上面分析中可以看出，B相供電臂電壓˙U'CB超前電流˙IAB的最小角度為120°，最大角度為164.9°;A相供電臂電壓相位超前電流I˙AB的最小角度為335.1°，最大角度為小于 360°。在實(shí)際情況下，發(fā)生相間短路故障時(shí)，同時(shí)會(huì)有電力機(jī)車取流和對(duì)地放電現(xiàn)象，由于二者的影響，其實(shí)際值與計(jì)算值會(huì)有一定誤差，從上述兩例可以看出，誤差不會(huì)太大。

經(jīng)過(guò)上述分析得出如下結(jié)論:當(dāng)滿足下述條件時(shí)，短路故障點(diǎn)即發(fā)生在變電所2個(gè)供電臂接觸網(wǎng)分相處。

(1)當(dāng)變電所上行或下行2個(gè)供電臂饋線斷路器同時(shí)跳閘時(shí)，且 B相供電臂的故障阻抗角度大于100°、小于180°，A相供電臂的故障阻抗角度大于300°、小于360°，可判斷為變電所2個(gè)供電臂的接觸網(wǎng)分相處發(fā)生短路故障。

(2)此時(shí)至少有1個(gè)供電臂的饋線阻抗保護(hù)不能動(dòng)作。其中2個(gè)供電臂的電壓UCB、UCA一般都大于20 kV，短路電流大于3 000 A。

(3)3次諧波含量都比較高，一般大于5%。

(4)故障標(biāo)定裝置指示值誤差很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常誤差值(≤200 m)。

4 實(shí)際驗(yàn)證

根據(jù)上述定性及定量的分析，申請(qǐng)相關(guān)饋線停電檢查發(fā)現(xiàn)，巖會(huì)、井南變電所的211、214饋線間分相均有不同程度的放電燒傷。具體燒傷情況見(jiàn)圖5。

圖5 分相承力索的懸式絕緣子燒傷情況

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)變電所2個(gè)供電臂饋線斷路器同時(shí)跳閘分析，找出了變電所兩供電臂接觸網(wǎng)分相處短路故障的特點(diǎn)及分析判斷方法，對(duì)于迅速查找接觸網(wǎng)短路故障點(diǎn)和處理故障有一定幫助。同時(shí)也說(shuō)明電抗型故障標(biāo)定裝置存在的一些弱點(diǎn)，因此建議有關(guān)生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)微機(jī)保護(hù)時(shí)，應(yīng)考慮變電所2個(gè)供電臂接觸網(wǎng)分相處短路故障的檢測(cè)方法，使電抗型故障標(biāo)定裝置功能進(jìn)一步完善。如遇同一分相兩側(cè)的饋線同時(shí)跳閘時(shí)，接觸網(wǎng)巡視人員應(yīng)先趕赴分相處查看設(shè)備情況，接觸網(wǎng)設(shè)備是否有明顯燒傷痕跡，同時(shí)座臺(tái)人員向行車部門(mén)了解跳閘時(shí)間是否有電力機(jī)車通過(guò)該分相，并詳細(xì)記錄下疑似機(jī)車的機(jī)車編號(hào)、型號(hào)及所屬(電力)機(jī)務(wù)段。遇夜間跳閘巡視瞭望受限未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)時(shí)，次日白天車間包保干部必須同工區(qū)人員共同巡視故障區(qū)間(站場(chǎng))，查找跳閘原因，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，確保供電安全。

［1］簡(jiǎn)克良.電力系統(tǒng)分析［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1993.

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［5］石供電技術(shù)［2006］179號(hào)，關(guān)于印發(fā)《牽引變電所故標(biāo)指示公里數(shù)與接觸網(wǎng)支柱位置對(duì)位表(試行)》的通知［Z］.石家莊:石家莊供電段，2006.

［6］石供電技術(shù)［2007］74號(hào) 關(guān)于印發(fā)牽引供電設(shè)備跳閘分析制度的通知［Z］.石家莊:石家莊供電段，2007.

［7］石供辦變電［2011］3號(hào) 關(guān)于調(diào)整石太線部分保護(hù)定值的通知［Z］.石家莊:石家莊供電段，2011.

［8］石供電變電［2011］12號(hào) 關(guān)于印發(fā)《石家莊供電段變電設(shè)備檢修試驗(yàn)管理辦法(試行)》的通知［Z］.石家莊:石家莊供電段，2011.

［9］石供電變電［2011］17號(hào) 關(guān)于印發(fā)《遠(yuǎn)動(dòng)操作變電所運(yùn)行管理辦法》的通知［Z］.石家莊:石家莊供電段，2011.

［10］石供電變電［2011］33號(hào) 關(guān)于修訂下發(fā)《電氣化鐵路越區(qū)供電方案匯編》的通知［Z］.石家莊:石家莊供電段，2011.