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有限公司100192）

眾所周知，大多數(shù)供電系統(tǒng)網(wǎng)絡均是電感性質的，因此當發(fā)生短路故障時，其短路電流都要伴隨一個逐漸衰減的過渡過程，使得短路電流的波形不再是以時間為對稱軸的正弦波，而是在交流分量的基礎上伴有一個隨時間衰減的直流分量（見圖1）。

圖1 短路關合和開斷電流以及直流分量百分數(shù)的確定

當斷路器進行開斷時，直流分量有可能還沒有衰減到不足以影響開斷能力的時候，這就要考慮這種“非對稱短路開斷”的能力問題。GB 1984-2003《高壓交流斷路器》4.101條明確規(guī)定：額定短路開斷電流由兩個值表征：交流分量有效值和直流分量百分數(shù)。

只有直流分量不超過20%，額定短路開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%，就要進行非對稱短路電流開斷能力試驗。

過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)容量越來越大。由于系統(tǒng)時間常數(shù)變大，直流分量衰減變慢，同時斷路器的分閘時間又越來越短（真空斷路器尤為明顯），對斷路器開斷直流分量百分數(shù)的要求就需要相應提高。

在TB／T 2803-2003《電氣化鐵道用斷路器技術條件》6.3.5條“額定短路開斷電流次數(shù)試驗”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，沒有要求進行T100a（非對稱短路電流開斷試驗）試驗。雖然在GB／T××××-××××《電氣化鐵路27.5kV和2×27.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》（報批稿）中要求進行T100a試驗，但因開斷元件—斷路器的標準沒有明確，而缺乏強制執(zhí)行的力度。

1 影響直流分量百分數(shù)的因素

直流分量百分數(shù)可按下式計算出來，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間，ms（這由斷路器脫扣器固有動作時間決定）。

Tr為額定頻率的一個半波時間（50Hz為10ms）（這由保護裝置固有動作時間決定）。

τ為取決于所有故障源最終組合的時間常數(shù)，ms（標準時間常數(shù)，一般取45ms）。

例如，分閘時間為20～60ms的斷路器（Top=20 ms），短路開斷能力為31.5kA，用在50Hz電力系統(tǒng)（Tr=10ms），Top+Tr=30ms，查圖2或用上式計算得知直流分量百分數(shù)則為51%，直流分量的幅值為16kA。這是對斷路器的基本要求，如果不能驗證現(xiàn)場的直流分量百分數(shù)小于20%，就必須通過此項試驗的驗證。

圖2 對于標準時間常數(shù)τ1和特殊工況的時間常數(shù)τ2、τ3以及τ4，直流分量百分數(shù)與時間間隔（TOP＋TR）的關系曲線

鐵路牽引變電所的饋線保護延時100ms，加上斷路器固有動作時間、保護固有動作時間，實際故障延時應在140ms以上。延時100ms，是因為如短路發(fā)生在機車或動車組內部，則車上斷路器先斷開，切除故障，故障車退出運行，變電所饋線保護不動作，饋線繼續(xù)供電，使線路上其他無故障車輛繼續(xù)受電。因此當接觸網(wǎng)故障時，由于上述延時，鐵路牽引變電所饋線斷路器開斷時暫態(tài)成分已明顯減弱，一般可以忽略不計。但是，饋線斷路器要進行重合閘，如果故障沒有消除，則會啟動后加速跳閘，延時時間只有斷路器固有動作時間、保護固有動作時間，一般不會超過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值相應增大，時間常數(shù)τ變大，直流分量衰減速度下降，不利于開斷。

1.1 斷路器首先分閘極的最短分閘時間Top

一般真空斷路器的分閘時間Top在20～60ms之間，也有在25～60ms范圍。動作時間之所以有這么大的范圍，主要是因為輔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性，也影響固有分閘時間。SF6斷路器分閘時間Top一般在30～60ms。兩者的差別原因前者是對接觸頭結構，動觸頭相對靜觸頭一開始運動就開始分閘；而后者是插入式結構，動觸頭相對靜觸頭運動到剛好不再保持電接觸時才算開始分閘。所以真空斷路器開斷直流分量的百分數(shù)要高些。

從減輕開斷負擔方面講，人為地延長最短分閘時間Top有利于短路開斷，但對整個系統(tǒng)來講，時間越短才越安全，所以這種方法并不可取。

1.2 額定頻率的一個半波時間Tr

這個參數(shù)是考慮到保護裝置的固有動作時間。對于自帶脫扣器的斷路器，由于不經(jīng)過保護裝置直接脫扣跳閘，Tr可以認定為零。其他輔助動力脫扣器的斷路器，即使是速斷無延時跳閘，因有保護裝置的固有動作時間，Tr也不能認定為零。一般選為額定頻率的一個半波時間（對50Hz來講就是10ms），如果保護時間大于該值，則要重新考慮。

1.3 時間常數(shù)τ

時間常數(shù)τ取決于整個系統(tǒng)的阻抗與電阻的比值X／R。不同的電壓等級、不同的系統(tǒng)結構其值都會發(fā)生變化。45ms的標準時間常數(shù)僅對三相系統(tǒng)有效，單相系統(tǒng)發(fā)生對地短路時的時間常數(shù)要小些，但具體數(shù)值（例如27.5kV或2×27.5kV系統(tǒng)）還沒有得到任何試驗驗證。

國際電工委員會IEC SC17A會議（1998年）對“開關設備試驗非對稱電流能力規(guī)定的時間常數(shù)”公布了近似數(shù)據(jù)，見表1。

表1 不同條件的時間常數(shù)

對牽引變電站來講，如果短路發(fā)生在線路遠端，變壓器容量為1MVA，則可認為是架空線短路，時間常數(shù)τ＜20ms。如果短路發(fā)生在線路近端（靠近出口斷路器側），變壓器容量為1～10MVA，則可認為是變壓器短路，時間常數(shù)50ms＜τ＜150ms。常見的牽引變電站變電容量多數(shù)在31.5～63MVA，按照最嚴酷的情況考慮，時間常數(shù)50ms＜τ＜150ms。如果按照標準時間常數(shù)45ms考慮也屬正常、合理！

另外，從定性上講，斷路器實際開斷的短路電流越?。ó斎恍∮陬~定短路開斷電流），短路電流中的直流分量就允許增加，但這還沒有一個規(guī)律可循。

2 直流分量對斷路器滅弧能力的影響

直流分量對斷路器滅弧能力的影響至今還沒有專門研究也沒有相關報道，只能從理論上進行定性分析。

影響滅弧室開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時間的積分，見圖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′為起弧時刻，O″為電弧熄滅時刻，O′-O″燃弧時間。

電流在第1個零點很少熄滅，一般都在第2個零點熄滅。由圖3可知，直流分量越大，燃弧時間就要加長，需要開斷的能量越大。最嚴重的是起弧后電流首次不過零點，只能在第2次或第3次過零點時開斷。由于觸頭燒蝕時間過長，金屬氣化嚴重這就容易開斷失敗。

圖3 電弧能量示意

3 試驗的數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

鐵道科學研究院為了試驗驗證距離保護（阻抗保護）的測距精度，2011-07-05在廣（州）深（圳）（香）港高鐵魚窩頭變電站—沙田分區(qū)所進行直接短路試驗（見圖4）。短路方式：接觸網(wǎng)T線、F線帶有額定電壓時經(jīng)分區(qū)所斷路器直接接地短路，但合閘相位點是隨機的?？偣策M行了4次試驗。當時在沙田分區(qū)所、裕盛AT所、魚窩頭變電站都測量了電流、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)所的測試數(shù)據(jù)分析。

圖4 短路試驗回路

由于這項試驗的目的是驗證距離保護的測距精度，并沒有分析暫態(tài)過程的目的，所以有以下幾點并不滿足短路開斷要求：

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

（2）每次短路關合時間都是隨機的，并沒有一次在電壓峰值點或零點關合，都是在峰值點的前1／4周波內關合。這就使得每次試驗都沒發(fā)生最嚴酷的暫態(tài)過程，直流分量也就沒出現(xiàn)最大值（通過示波圖可以算出：在第一個波峰時直流分量大約只有50%）。

圖5 第1次短路試驗

圖6 第2次短路試驗

圖7 第3次短路試驗

圖8 第4次短路試驗

圖9為一個典型的三相非對稱開斷試驗（T100a）的示波圖（51%的直流分量）。由圖可以看出：B相關合點在接近電壓零點，B相電流的直流分量也最大（電流電壓相位差接近90°）。當短路電流持續(xù)到第3個半波時斷路器開始分斷，電流再次過零點時電弧熄滅。此時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個周波衰減完畢）以及直流分量的百分數(shù)相差很大。

圖9 三相短路試驗

3.2 斷路器直流分量型式試驗數(shù)據(jù)分析

2011-11-01～2011-12-27某開關設備制造廠家在“機械工業(yè)高壓電器設備質量檢測中心（沈陽）”對KGN8-27.5型鎧裝固定式金屬封閉開關設備進行型式試驗。內裝斷路器為ZN108-27.5／3150-31.5型戶內高壓真空斷路器，分閘時間為20～60ms，經(jīng)計算其需開斷的直流分量不小于51%。試驗站采用電壓、電流合成的方法進行試驗，即一個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高壓直流電壓。短路電流被開斷后，如果電壓施加成功，證明斷口絕緣正常，否則說明斷口絕緣沒有恢復成功，試驗失敗。

圖10 T100a合成試驗示波圖

圖10為合成試驗的示波圖。由圖可知，由于直流分量過大，短路電流在首個半波后幾乎不能過零點，第1次與第2次零點間隔時間也很短。如果在首半波就進行開斷，則有可能兩次過零點時斷口開距還不夠大，電弧不能熄滅，直到第3個零點斷口開距才夠，但這已過去了30ms左右，觸頭已燒蝕嚴重，熄弧能力不足了。一般真空滅弧室燃弧時間只許在10～18ms范圍內才安全。圖10所示在90ms左右斷路器開斷，直流分量衰減到51%，2次過零點時熄弧，所加直流電壓正常，表明開斷成功。

4 結束語

雖然本文分析預想的事故發(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、重載鐵路的安全運行，希望能引起有關方面的高度重視，認真研究以下措施：

（1）應盡早修訂TB／T 2803-2003《電氣化鐵道用斷路器技術條件》，增加斷路器非對稱開斷能力的試驗驗證；

（2）27.5kV或2×27.5kV斷路器的制造廠家應提供T100a（非對稱短路電流開斷試驗）結果；

（3）對于大型牽引變電站，27.5kV側開關設備又沒有通過T100a（非對稱短路電流開斷試驗）的情況，應評估其短路開斷能力。

［1］GB 1984-2003.高壓交流斷路器［S］.北京：中國標準出版社，2007.

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

［3］TB／T 2010-87.27.5kV交流電氣化鐵道開關柜技術條件［S］.北京：中國鐵道出版社，1988.

［4］JB／T 6463-1992.電氣化鐵路用斷路器技術條件［S］.北京：機械科學研究院出版社，1992.

［5］TB／T 10009-2005.鐵路電力牽引供電設計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.