李 智
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滬寧高鐵接觸網(wǎng)跳閘故障測距異常分析
李 智
對滬寧高鐵變電所故標測距異常進行原因分析,指出AT供電方式下T-F短路重合閘成功時故障測距的正確方法,為高速鐵路開通驗收和運營管理提供參考。
高速鐵路;AT供電方式;故障測距
接觸網(wǎng)作為高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分,其運行狀態(tài)直接影響動車組的安全、穩(wěn)定運行。為迅速發(fā)現(xiàn)并及時處理接觸網(wǎng)斷線、損傷以及絕緣部件性能下降等缺陷、故障,高速鐵路牽引變電所設(shè)置了專用的故障測距裝置(以下簡稱故測裝置)以測定饋線短路點的位置。實際運營中,如果故障性質(zhì)判據(jù)不當將導(dǎo)致故測裝置測距異常,供電運維人員應(yīng)予以高度重視。
XX年2月8日14:31,滬寧高鐵棲霞牽引所211、212DL距離一段動作跳閘,重合閘成功。故測裝置判定故障性質(zhì)為上行T-R故障,故標1.529 km,對應(yīng)寶華山—仙林區(qū)間144#接觸網(wǎng)支柱(線路里程K278+292)。故障報文如表1所示。
表1 滬寧高鐵棲霞牽引所跳閘故障報文
3月2日09:00,滬寧高鐵棲霞牽引所211、212DL再次距離一段動作跳閘,重合閘成功。故測裝置判定故障性質(zhì)為上行T-R故障,故標1.644 km,對應(yīng)寶華山—仙林區(qū)間150#支柱(線路里程K278+407)。
接觸網(wǎng)故障跳閘后,檢修人員根據(jù)故測裝置提供的故標采取了添乘動車巡視、上道檢查、視頻回放等多種手段多次排查故障,均未發(fā)現(xiàn)故障點。據(jù)了解,該區(qū)段以往跳閘的故障測距是比較準確的。
滬寧高鐵采用全并聯(lián)AT供電方式,饋線設(shè)距離保護、電流速斷保護、過流保護、電流增量保護,其中距離保護為主保護,投入距離一段,保護線路全長。當接觸網(wǎng)出現(xiàn)短路故障,牽引所上、下行饋線保護裝置均啟動并出口跳閘,接觸網(wǎng)停電,延時1 s后AT所、分區(qū)所的饋線斷路器失壓保護動作,上、下行接觸網(wǎng)解列并退出自耦變壓器。牽引所饋線跳閘后斷路器經(jīng)延時2 s重合閘。若故障系瞬時故障,重合閘成功,AT所、分區(qū)所饋線斷路器分別延時4 s、3 s檢有壓重合閘,恢復(fù)正常AT供電方式;若故障為永久性故障,牽引所饋線再次跳閘,重合閘失敗。需要注意的是,重合閘失敗斷路器跳閘時,接觸網(wǎng)上、下行已解列,且自耦變壓器已退出運行,此時接觸網(wǎng)的供電方式為直接供電。
AT供電方式接觸網(wǎng)的故障類型主要包括T-R、F-R、T-F短路(即T線對地、AF線對地、T線對AF線短路)3種。AT供電方式接觸網(wǎng)的阻抗特性為非線性,直接供電方式為線性,因此牽引所饋線保護裝置采用線性電抗比原理測定的故標,AT供電方式下接觸網(wǎng)跳閘重合成功時是不準確的,而重合閘失敗再次跳閘時故標是準確的。
為解決饋線保護裝置測距的局限性問題,引入了專門的牽引所故測裝置,利用專用測距通道采集同一時刻牽引所、AT所、分區(qū)所的電氣參數(shù)進行故標計算。故測裝置測定故標前需判斷故障性質(zhì):當牽引所、AT所、分區(qū)所吸上電流的最大值大于P×n時,判斷為AT供電方式的T-R、F-R故障;當牽引所、AT所、分區(qū)所的吸上電流均小于P×n時,判斷為T-F故障;當AT所、分區(qū)所的吸上電流均小于z×n時,判斷為直接供電方式的短路故障。T-R、F-R故障采用吸上電流比法(對于第一AT區(qū)段故障,部分綜合自動化系統(tǒng)采用上下行電流比法)測距;T-F故障和直接供電方式的短路故障采用線性電抗比法測距,但采用的接觸網(wǎng)單位長度電抗值不同。滬寧高鐵采用的WGB-65U微機故測裝置,其T-F故障判別系數(shù)P和直接供電方式判別系數(shù)z分別取經(jīng)驗值0.1和0.05。棲霞牽引所饋線額定電流n為1 500 A,P×n= 150 A。
綜上分析得出:(1)T-F短路故障,故測裝置應(yīng)采用線性電抗比法測距,吸上電流比法測距不準確。(2)T-R、F-R故障,接觸網(wǎng)跳閘重合成功時應(yīng)采用吸上電流比法測距,使用線性電抗比法測距不準確;重合閘失敗跳閘時,應(yīng)采用線性電抗比法測距,吸上電流比法測距不準確。
2月8日棲霞牽引所跳閘時各所亭的電流分布如圖1所示。分析吸上電流可以看出,牽引所的吸上電流最大,為507 A,其次為分區(qū)所的398 A,AT所的吸上電流最小,為101 A。根據(jù)AT供電方式原理,對于T-R或F-R 故障,最大的2個吸上電流應(yīng)分布在短路點兩側(cè)的牽引所亭,而棲霞牽引所跳閘時最大的2個吸上電流分布在牽引所和分區(qū)所,異于T-R或F-R故障的電流分布。進一步量化分析,假設(shè)牽引所饋線T線電流流出,則下行T線短路點的牽引所方向電流為1 479-15 = 1 464 A,分區(qū)所方向電流為1 246 A,短路點的電流為1 464 + 1 246 = 2 710 A;下行F線短路點的牽引所方向電流為1 226 + 41 = 1 267 A,分區(qū)所方向電流為1 447 A,短路點的電流為1 267 + 1 447 = 2 714 A??紤]電流互感器測量誤差等因素,可認為下行T線、F線點和點的短路電流相等,該故障判定可為第二AT區(qū)段的下行T-F短路。由于短路點牽引所和分區(qū)所方向的電流相近,由此還可進一步判斷出故障點接近供電臂末端。
圖1 棲霞牽引所跳閘時所亭電流分布(單位:A)
接觸網(wǎng)故障跳閘后,故測裝置的判據(jù)P×n是判斷故障性質(zhì)和決定所采用測距方法的依據(jù)。2月8日棲霞牽引所跳閘的最大吸上電流為507 A,大于P×n(150 A),且牽引所、亭饋線電流的最大值為牽引所上行T線電流1 481 A,因此故測裝置判斷故障性質(zhì)為上行T-R故障,并且采用了吸上電流比法測距。由于采用了錯誤的測距方法,造成誤差過大,導(dǎo)致檢修人員無法找到故障點(3月2日跳閘的分析結(jié)果與之類似)。
因T-F短路較為少見,該區(qū)段以往故障測距較準確是針對接觸網(wǎng)T-R或F-R短路故障而言。
AT供電方式T-R、F-R故障短路電流為該供電臂各牽引所亭的吸上電流之和,短路電流主要通過短路點兩側(cè)所亭的AT變壓器經(jīng)正饋線回流(牽引所不設(shè)AT變壓器時,牽引所的回流經(jīng)鋼軌和大地)。由于高速鐵路牽引供電系統(tǒng)容量較大,且PW線和綜合接地系統(tǒng)的貫通地線提供了良好的短路電流通路,因此短路通常為大電流金屬性短路,故障點相鄰所亭的吸上電流也較大。統(tǒng)計上海局管段內(nèi)2018年一季度T-R、F-R故障的吸上電流如表2所示。設(shè)吸上電流atmax= max(變電所at,分區(qū)所at,AT所at),可以發(fā)現(xiàn)19件T-R、F-R故障中,atmax最大5 248 A,最小1 399 A,平均3 056 A,atmax大于1 900 A的短路故障18件,占比94.7%。
T-F短路時AT變壓器被旁路,吸上電流明顯小于T-R、F-R故障時的吸上電流。統(tǒng)計上海局管段內(nèi)近年來T-F故障的吸上電流如表3所示??梢园l(fā)現(xiàn),12件T-F短路故障中,atmax最大959 A,最小190 A,平均523 A,atmax小于650 A的短路故障11件,占比91.7%。
表2 T-R、F-R故障吸上電流統(tǒng)計 A
表3 T- F故障吸上電流統(tǒng)計 A
對比以上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),高速鐵路AT供電方式下,判別T-R、F-R故障和T-F故障性質(zhì)的吸上電流P×n整定為1 000 A左右比較合理。
對于T-F短路故障,測得牽引所短路阻抗與故障點的距離呈分段線性關(guān)系,故測裝置采用線性電抗比法測距,其計算式為
=L+ (cal-X)×(+1-L) / (X+1-X)
對于T-F短路重合閘失敗、測距裝置采用吸上電流比法測距的故障,運維人員可通過饋線保護裝置測定的故標查找故障點;對于T-F短路重合閘成功、測距裝置采用吸上電流比法測距的故障,運維人員無法通過現(xiàn)有的繼保裝置獲得正確故標,此時只能通過人工計算,可采用橫聯(lián)線電流比法測距(第一AT區(qū)段故障也可采用上下行電流比法)。
橫聯(lián)線電流是指全并聯(lián)AT供電方式下接觸網(wǎng)故障時,變電所、AT所和分區(qū)所的接觸網(wǎng)上下行并聯(lián)處都存在非故障線路流向故障線路的電流。類似于吸上電流比法,橫聯(lián)線電流比法通過計算和比較橫聯(lián)線電流中2個最大電流,確定故障區(qū)段和故障距離,該方法不受自耦變壓器泄漏電抗及短路過渡電阻影響,適用于T-R、F-R、T-F故障測距。其計算式為
=D+D+1×I+1/ (I+1+I)
以2月8日棲霞牽引所跳閘故障為例,牽引所的橫聯(lián)線電流為?(1 479 + 1 226)-(1 481 + 1 232)÷/2 = 4 A,AT所的橫聯(lián)線電流為?41-15?= 26 A,分區(qū)所的橫聯(lián)線電流為?1 246 + 1 447÷= 2 693 A。AT所、分區(qū)所的橫聯(lián)線電流較大,所以故障點在第二AT區(qū)段。
全并聯(lián)AT供電方式接觸網(wǎng)某相(T相、F相或T-F)發(fā)生短路時,牽引所非故障相饋出的短路電流分量經(jīng)AT所、分區(qū)所的饋線斷路器流向故障點。根據(jù)基爾霍夫電流定律,非故障相牽引所、AT所、分區(qū)所的饋線電流在AT所T接點處的矢量和為0。分析棲霞牽引所跳閘時AT所上行T接點處電流,T線電流矢量和為1 481-35-1 443 = 3 A,F(xiàn)線電流矢量和為1 249-10-1 232 = 7 A,考慮誤差因素,T、F線的電流矢量和實際均接近0,可判斷故障點不在上行,而是下行接觸網(wǎng)設(shè)備故障。
該供電臂第一AT區(qū)段(牽引所與AT所之間)長13.023 km,第二AT區(qū)段(AT所與分區(qū)所之間)長11.582 km,AT所里程K290+144,分區(qū)所里程K301+726。將數(shù)據(jù)代入計算式,計算故障距離= 13.023 + 11.582×2 693 / (2 693 + 26) = 24.494 km,對應(yīng)線路里程為K301+628。
根據(jù)計算的故標排查故障點,發(fā)現(xiàn)滬寧高鐵南京城際場145#支柱(分區(qū)所下行供電線上網(wǎng)隔離開關(guān)支柱,線路里程為K301+726)施工時設(shè)備安裝存在缺陷:隔離開關(guān)T線隔離開關(guān)線夾與AF線母排支持絕緣子上部鐵件間安全距離不足,僅為310 mm,小于戶外配電裝置55 kV不同相帶電部分最小安全凈距650 mm的標準要求,特定條件下T、F相間發(fā)生短路放電導(dǎo)致棲霞牽引所跳閘。實際故障點與人工計算的故標相差98 m。故障設(shè)備如圖2所示。
圖2 棲霞牽引所故障設(shè)備
故障測距裝置需根據(jù)不同的接觸網(wǎng)短路故障性質(zhì)采用不同的測距方法。接觸網(wǎng)故障跳閘后運維人員應(yīng)及時分析故障數(shù)據(jù),故測裝置對故障性質(zhì)判斷錯誤時,應(yīng)重點檢查故測裝置的故障性質(zhì)判別系數(shù)設(shè)置是否合理,并采用適合的測距方法,同時指導(dǎo)現(xiàn)場人員迅速查找故障點,及時消除安全隱患,以保證高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全運行。
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The paper analyzes the fault location abnormality occurred in substation of Shanghai-Ningbo high speed railway, puts forward the correct methods for fault location after T-F short circuit reclosing under AT power supply mode, provides references for acceptance of putting into operation and operational management of high speed railways.
High speed railway; AT power supply mode; fault location
10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.027
U226.8+1
B
1007-936X(2018)06-0107-04
2018-04-17
李 智.中國鐵路上海局集團有限公司調(diào)度所,工程師。