王榮熙

(北京中鐵建電氣化設(shè)計(jì)研究院，北京 100043)

京石武高鐵牽引變電所短路事故分析與探討

王榮熙

(北京中鐵建電氣化設(shè)計(jì)研究院，北京 100043)

針對新近開通的京石武高鐵邯鄲東牽引變電所送電投運(yùn)時(shí)發(fā)生的一起短路事故，分析了事故產(chǎn)生的原因。通過與一般直供方式對比， 研究并探討了全并聯(lián)AT供電方式下牽引網(wǎng)的保護(hù)功能和故障測距功能， 并給出了合理化建議，從而避免類似事故的再次發(fā)生。

高速鐵路;全并聯(lián)AT供電;阻抗保護(hù);故障測距

1 引言

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，AT供電方式在鐵道電氣化領(lǐng)域的應(yīng)用越來越得到重視，特別是采用全并聯(lián)供電的AT供電方式，在供電可靠性等方面的優(yōu)勢使其逐漸成為高鐵牽引供電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置方式。由于AT供電方式與傳統(tǒng)的直供和BT供電方式存在較大的不同，對微機(jī)保護(hù)和故障測距的要求也不盡相同。為了保證牽引供電系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)迅速的切除并準(zhǔn)確的定位故障點(diǎn)，有必要對其原理及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探討和研究。

本文通過筆者在參與京石武高鐵河北段邯鄲東牽引變電所開通前向接觸網(wǎng)首次送電過程中遇到的一起事故來分析全并聯(lián)AT供電方式下饋線保護(hù)和故障測距的原理和特性，并提出一些建議。

2 事故概述

2012年8月12日，京石武高鐵河北段邯鄲東牽引變電所接調(diào)度命令向接觸網(wǎng)執(zhí)行首次送電程序。由于屬于首次送電投運(yùn)，為確保安全，各所饋線重合閘均未投入。根據(jù)送電程序，19∶32∶22邯鄲東牽引變電所武漢方向213、214上下行饋線完成合閘送電，無異常。19∶35∶09接調(diào)度令向溫村分區(qū)所送電，19∶37∶12溫村分區(qū)所北京方向上行271饋線斷路器合閘成功，無異常，19∶37∶44在溫村分區(qū)所北京方向下行272饋線斷路器合閘瞬間，邯鄲東牽引變電所213、214在19∶37∶44.476和19∶37∶44.493分別發(fā)生阻抗I段保護(hù)動作跳閘，保護(hù)裝置顯示故障電流6140A，故障點(diǎn)距離25.27km，經(jīng)計(jì)算在分區(qū)所出口附近。

現(xiàn)場分析故障原因可能為分區(qū)所饋線上網(wǎng)供電線或高壓電纜存在接地短路情況，并決定對邯鄲東牽引所和溫村分區(qū)所間供電臂上、下行線路分別試送電以確定故障位置。19∶55∶22上行線路牽引所213和分區(qū)所271合閘成功，無異常。斷開213和271斷路器后，19∶59∶18下行線路牽引所214和分區(qū)所272合閘成功，無異常。說明線路不存在接地短路?，F(xiàn)場根據(jù)供電原理圖(如圖1)分析只有可能是分區(qū)所附近發(fā)生了T、F間短路，并決定采取與第一次送電相反的程序，即在牽引所213、214合閘完成后，先合分區(qū)所下行272斷路器，再合上行271斷路器，結(jié)果牽引所213、214再次發(fā)生阻抗I段保護(hù)動作跳閘，和第一次送電的故障報(bào)告幾乎相同，隨即確認(rèn)為分區(qū)所饋線T、F短路。經(jīng)現(xiàn)場搶修人員排查，發(fā)現(xiàn)溫村分區(qū)所上行271斷路器所在GIS柜出口處T、F線高壓電纜接反，故障原因找到。

圖1 AT牽引網(wǎng)供電示意圖

3 故障分析

3.1 故障原理

京石武高鐵河北段采用的是全并聯(lián)AT供電方式，在全線各牽引變電所、分區(qū)所、AT所2*27.5kV母線處均實(shí)現(xiàn)了上、下行供電線路并聯(lián)(如圖1)，從而大大提高了供電的可靠性。但同時(shí)也帶來了相應(yīng)的問題，就是在全并聯(lián)供電的方式下，同一供電臂上任一并聯(lián)點(diǎn)存在T、F線反接的情況，都將造成整個(gè)供電臂內(nèi)出現(xiàn)T、F成環(huán)，造成接觸網(wǎng)T、F短路。由于AT供電方式下T、F線間壓降為55kV，為普通直供方式下的2倍，發(fā)生短路將形成巨大的短路電流，對供電設(shè)備的安全運(yùn)行造成極大威脅，嚴(yán)重時(shí)可能危及行車安全。

3.2 饋線保護(hù)配置

京石武高鐵河北段牽引變電所饋線保護(hù)考慮了三種運(yùn)行方式：正常供電方式、越區(qū)供電方式、直供方式。本文只針對正常供電方式進(jìn)行討論。

牽引變電所饋線保護(hù)在正常供電方式下設(shè)置了兩段阻抗保護(hù)，均保護(hù)供電臂全長，II段作為I段的后備，兩段阻抗保護(hù)時(shí)限分別為0.1s和0.4s。設(shè)置電流速斷保護(hù)配合以消除阻抗保護(hù)的零點(diǎn)死區(qū)。設(shè)置低電壓啟動過流保護(hù)和電流增量保護(hù)作為距離保護(hù)和電流速斷保護(hù)的后備保護(hù)。設(shè)置一次自動重合閘，時(shí)限2s。

分區(qū)所在正常供電方式下只設(shè)置失壓保護(hù)，設(shè)置檢有壓自動重合閘，時(shí)限4s。

各所設(shè)置故障標(biāo)定裝置，采用AT吸上電流比測距原理計(jì)算。

3.3 保護(hù)動作分析

在邯鄲東牽引變電所213、214饋線斷路器完成合閘后，由于在溫村分區(qū)所271饋線GIS柜出口處存在T、F線反接，在271合閘完成272合閘瞬間，供電臂出現(xiàn)T、F短路，此時(shí)短路點(diǎn)線路阻抗值正好落在牽引所阻抗保護(hù)范圍邊界處，因短路電流很大，213饋線保護(hù)裝置于19∶37∶44.476迅速動作并出口使其跳閘。213跳閘后，由于214還未跳閘，短路電流仍然存在，且短路點(diǎn)在分區(qū)所饋線出口處，在T、F線牽引網(wǎng)單位阻抗視為一樣的情況下，214短路點(diǎn)阻抗與213幾乎一致，且保護(hù)時(shí)限相同，從跳閘時(shí)間上看213、214間隔不到0.02s，可視為同時(shí)跳閘。牽引變電所兩路饋線全部跳閘后，線路失壓，分區(qū)所失壓保護(hù)動作。由于各所重合閘未投入，故各饋線斷路器跳閘后無重合，線路停電。

牽引變電所保護(hù)裝置故障報(bào)告如表1所示。

表1 牽引所饋線保護(hù)裝置故障報(bào)告表

從故障報(bào)告中可以看出，饋線保護(hù)裝置準(zhǔn)確動作，并給出了故障類型和故障點(diǎn)阻抗距離，事實(shí)證明故障點(diǎn)距離信息是準(zhǔn)確的，但上、下行故障測距裝置啟動后并沒有給出故標(biāo)信息，下面將分析產(chǎn)生這種情況的原因。

3.4 故障測距分析

一般直供牽引網(wǎng)阻抗保護(hù)和故障測距裝置是一體的，阻抗保護(hù)是利用短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處的阻抗值來反映短路情況的，因?yàn)樽杩筞=U/I，所以阻抗繼電器可用保護(hù)安裝處的母線電壓U和饋線電流I來實(shí)現(xiàn)。而其故障測距則是利用測定短路工頻電抗的方式來獲得故障距離的，在線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路阻抗ZK=Pk+jXk，其中電阻值Rk受短路點(diǎn)過渡電阻影響隨機(jī)性較大，而電抗值Xk基本不受運(yùn)行方式、故障電流大小等因素影響。因此，當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，故障測距裝置通過采集保護(hù)安裝處的母線電壓Uk和短路饋線電流Ik經(jīng)過變換處理或采用線性電抗法查表Xk=Im(Uk/Ik)得到故障點(diǎn)至母線的線路電抗Xk，進(jìn)而得到故障點(diǎn)距離：

Lk=Xk/x(km)

(1)

其中，x為牽引網(wǎng)單位距離電抗值。

而AT供電方式下，由于T、F線均對鋼軌存在27.5kV電壓UT=UF，因此故障點(diǎn)電抗由(2)式得到：

(2)

但由于AT供電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，其線路阻抗特性并非是一般牽引網(wǎng)的線性關(guān)系那么簡單，在接觸網(wǎng)(T)和鋼軌(R)間或正饋線(F)和鋼軌(R)間短路時(shí)，由于線路中間存在AT，受其漏抗的影響，牽引網(wǎng)阻抗特性為一條曲線。如圖2所示，在T-R或F-R短路情況下，如果測得一個(gè)電抗值Xk，則有可能得到3個(gè)不同的故障距離點(diǎn)，給故障點(diǎn)標(biāo)定帶來很大的干擾[1]。因此，這種情況下阻抗保護(hù)裝置提供的故障點(diǎn)距離是無法采用的。

圖2 AT供電牽引網(wǎng)阻抗特性

而在T-F短路時(shí)，牽引網(wǎng)由于不受AT漏抗影響，接觸線(T)和正饋線(F)間的阻抗特性是一條直線，因此，故障點(diǎn)的阻抗與線路距離成正比，采用阻抗保護(hù)裝置提供的故障點(diǎn)距離是可行的。這也就是為什么邯鄲東牽引變電所事故中阻抗保護(hù)裝置給出正確故障點(diǎn)距離的原因。

在目前高速鐵路AT供電系統(tǒng)中，普遍采用的是AT吸上電流比的原理標(biāo)定故障點(diǎn)位置，即利用故障點(diǎn)k兩邊相鄰兩臺AT中點(diǎn)吸上電流值與故障點(diǎn)至兩臺AT的距離成比例的原理來測定故障點(diǎn)位置的。其原理圖如圖3所示，牽引所處測距裝置為A型，分區(qū)所和AT所裝置為B型。A型測距裝置是根據(jù)阻抗和電流來啟動測距功能(其定值與饋線阻抗保護(hù)對應(yīng)的定值一致)。B型測距裝置采用GPS對時(shí)方式，在收到A型裝置的啟動報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文中的時(shí)標(biāo)上送對應(yīng)的吸上電流數(shù)據(jù)[2]。

圖3 AT牽引網(wǎng)故障測距系統(tǒng)圖

但本次事故中邯鄲東牽引所故障測距裝置啟動后卻未得到故標(biāo)數(shù)值，原因分析如下：

可能導(dǎo)致AT牽引網(wǎng)故障測距失效的原因有以下幾點(diǎn)[3]：

(1)AT變未投入，此時(shí)牽引網(wǎng)相當(dāng)于直供方式，由于測距裝置需要采集AT中點(diǎn)的吸上電流值，如果AT未投入則無吸上電流值數(shù)據(jù)，測距計(jì)算無法進(jìn)行。

(2)故標(biāo)通道故障，高速鐵路AT供電系統(tǒng)中故標(biāo)采用專用通道傳輸數(shù)據(jù)，與遠(yuǎn)動通道各自獨(dú)立，減少數(shù)據(jù)干擾，如果故標(biāo)通道故障，無法切換到遠(yuǎn)動備用通道，則AT所和分區(qū)所數(shù)據(jù)無法上傳至牽引所，測距計(jì)算無法進(jìn)行。

(3)接觸線(T)或正饋線(F)斷線，當(dāng)發(fā)生斷線時(shí)，供電方式發(fā)生變化，AT由于缺相而無法正常工作，導(dǎo)致故障時(shí)無吸上電流，此時(shí)牽引所內(nèi)相關(guān)斷路器跳閘，故障測距裝置僅收到本所故障電流，造成故障測距不準(zhǔn)確。

(4)相關(guān)互感器故障，造成故障電流不準(zhǔn)確，相應(yīng)的測距也不準(zhǔn)確。

(5)測距裝置本體故障，測距無法進(jìn)行。

在本次事故中，由于是首次投運(yùn)送電，按照送電操作規(guī)程，分區(qū)所AT要在饋線合閘完成后投入，AT所要在分區(qū)所投運(yùn)完成后投入，由于在分區(qū)所饋線合閘剛完成時(shí)即發(fā)生跳閘，供電臂內(nèi)各AT均未投入，故無法采用吸上電流比的故障測距裝置得到故障點(diǎn)位置信息。

4 總結(jié)及建議

在目前國內(nèi)高速鐵路中，牽引所亭為減少占地面積，在2*27.5kV側(cè)普遍采用高壓電纜進(jìn)出的方式，由于所內(nèi)主變低壓側(cè)出線電纜和上網(wǎng)饋線電纜數(shù)量眾多，走形線路疊加，在接續(xù)時(shí)容易因疏忽發(fā)生接錯(cuò)情況，而一但接錯(cuò)，將直接形成出口T-F短路，產(chǎn)生嚴(yán)重短路事故。為避免類似現(xiàn)象發(fā)生，施工人員在高壓電纜現(xiàn)場接續(xù)時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)記法，并在接續(xù)完成后校驗(yàn)電纜極性，確保接續(xù)正確。

AT牽引網(wǎng)發(fā)生短路事故后，值班人員不要盲目確定故障點(diǎn)位置，應(yīng)先判明故障類型，再根據(jù)故障類型和相關(guān)的電壓、電流、阻抗、故障距離等數(shù)據(jù)綜合判定故障點(diǎn)位置，為搶修提供正確指導(dǎo)，防止因提供錯(cuò)誤的故標(biāo)信息而延誤搶修時(shí)機(jī)，造成不必要的損失。

[1] 譚秀炳.鐵路電力與牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].西南交通大學(xué)出版社，2007:156-158,167-169.

[2] 王丹.一起故障引發(fā)的高速鐵路保護(hù)和測距行為分析[J].電氣化鐵道,2013,2(4):10-12.

[3] 錢平慎.長吉城際鐵路接觸網(wǎng)AT供電方式故障測距的分析[J].中國科技信息，2012，86(26)：91-92.

Analysis and Discussion of the Traction Substation Short-Circuit Accidentof Beijing-Shijiazhuang-Wuhan High-Speed Railway

WANGRong-xi

(China Railway Construction Electrification Design & Research Institute,Beijing 100043,China)

By a short-circuit of Handan East traction substation putting into operation of the newly opened high-speed railway of Beijing-Shijiazhuang-Wuhan,take analysis of the causes of the accident.By contrast with the general direct traction power supply,research and explores the parallel AT traction power supply network protection features and malfunction location function,and gives the rationalization proposals,in order to avoid similar incidents from happening again.

high-speed railway;parallel AT traction power supply;impedance protection;malfunction location

1004-289X(2014)02-0098-04

TM922.4

B

2013-04-25