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(gè)牽引變電所，于2001年開通運(yùn)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(yùn)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(shí)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(yùn)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(shí)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?yàn)楸炯壉Ｗo(hù)與其后備保護(hù)的動作時(shí)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(jì)資料，3級保護(hù)的動作時(shí)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(shí)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(shí)間級差Δt只有0．2 s。測試分析，發(fā)現(xiàn)該時(shí)間級差Δt設(shè)置成0．2 s不合理。

1．2 保護(hù)裝置時(shí)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(shí)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(shí)限配合圖

（1）微機(jī)保護(hù)裝置固有動作時(shí)間t1

微機(jī)保護(hù)裝置固有動作時(shí)間t1是指在該保護(hù)裝置的動作時(shí)間整定為零時(shí)，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(shí)間。

對于WXB－63型饋線微機(jī)保護(hù)裝置，其固有動作時(shí)間包含CPU采樣檢測及運(yùn)算時(shí)間、I／O出口時(shí)間和斷路器驅(qū)動放大回路時(shí)間3部分。CPU采樣檢測及運(yùn)算時(shí)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(gè)工頻周期（s），即檢測到故障所需要的時(shí)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(shí)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(shí)間約為40 ms。總的固有時(shí)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(shí)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(shí)間t2

斷路器固有分閘時(shí)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(shí)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(shí)間為≤0．08 s，此值與實(shí)測值接近。故此斷路器的固有分閘時(shí)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(shí)間可以不考慮。

（3）斷路器觸頭分閘時(shí)間t3

斷路器觸頭分閘時(shí)間t3是指斷路器的動靜觸頭分開瞬間到分閘結(jié)束的時(shí)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(jì)算斷路器的分閘時(shí)間約為0．015～0．021 s。在此取較大值0．021 s。

（4）可靠性時(shí)間t4

可靠性時(shí)間t4是一個(gè)綜合性的時(shí)間，它包括斷路器主觸頭滅弧的時(shí)間和微機(jī)保護(hù)裝置的返回時(shí)間。由于交流電弧過零點(diǎn)熄滅的物理特性，斷路器電弧熄滅需要半個(gè)周波至一個(gè)周波時(shí)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(shí)，真空斷路器滅弧室由于電弧不能及時(shí)熄滅，造成電弧重燃，一般還會有1～2個(gè)周波的短路電流繼續(xù)經(jīng)過斷路器流入故障線路，時(shí)間為20～40 ms。

微機(jī)保護(hù)裝置的返回時(shí)間主要取決于保護(hù)裝置微機(jī)算法采樣所需時(shí)間和出口繼電器的返回時(shí)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(gè)工頻周期s），所需時(shí)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(shí)間小于8 ms。因此，整個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置的返回時(shí)間大約為28 ms。

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

綜上所述，繼電保護(hù)裝置除設(shè)定的動作時(shí)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(shí)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(shí)間級差Δt應(yīng)大于保護(hù)裝置總的固有動作時(shí)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(shí)間級差Δt只有0．2 s。如此設(shè)置不合理。當(dāng)運(yùn)行中出現(xiàn)以下幾種情況時(shí)：

① 故障點(diǎn)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(shí)；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(shí)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(shí)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(shí)跳閘的現(xiàn)象。實(shí)際運(yùn)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(shí)限的配合時(shí)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(shí)限由原來的0．5 s調(diào)整為0．4 s，其余的保護(hù)動作時(shí)限不變，使各級保護(hù)間的動作時(shí)間級差Δt調(diào)整后均為0．3 s，既滿足時(shí)間級差的要求又不突破上一級保護(hù)的動作時(shí)間要求。具體調(diào)整如表1所示。

調(diào)整后的動作時(shí)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(shí)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(shí)限配合圖

經(jīng)調(diào)整后運(yùn)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(yùn)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(shí)限的配合來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)規(guī)范對保護(hù)裝置的動作時(shí)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(jì)算保護(hù)動作過程各個(gè)環(huán)節(jié)所需的時(shí)間，合理確定保護(hù)裝置動作時(shí)限的配合時(shí)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(yùn)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(yàn)報(bào)告［R］．

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