高壓線路故障判斷裝置在電氣化鐵道中的應用

蘭紅偉，黃東紅

0 引言

電氣化鐵道牽引供電接觸網線路經常發生永久性或臨時性短路故障，當發生短路故障時，需要供電設備自動重合閘，如若重合閘不成功（據統計，2005年襄樊供電段管內接觸網線路發生故障重合不成功率達23%），往往還需要繼續多次強送電。這樣，當高壓接觸網線路發生一次永久性短路故障時，高壓供電設備就會經受多次大的短路電流和過電壓的沖擊，嚴重地損壞高壓設備的機械及電氣性能和絕緣水平，大大縮短高壓設備的檢修周期和使用壽命，甚至擴大事故范圍，造成難以估量的損失。

為此可以通過加裝高壓線路故障判斷裝置對故障接觸網線路進行高電壓小電流的試送電，同時對接觸網電壓進行檢測。通過故障電壓的高低準確判斷接觸網故障線路的故障性質（瞬時性故障或永久性故障），進而對接觸網線路繼電保護自動重合閘實施選擇性閉鎖，避免盲目地向接觸網線路重復強送電，減少短路大電流對電氣設備的沖擊。下文對高壓線路故障判斷裝置的組成工作原理及應用作一介紹。

1 理論分析

加裝高壓線路故障判斷裝置的接觸網線路等效電路如圖1所示。

圖1 等效電路圖

根據等效電路圖，通過高壓線路故障判斷裝置對故障線路進行測試時，測試電壓互感器PT檢測出的線路殘壓數學模型為

式中，Ue為母線電壓27.5 kV；RL為限流器限流電阻，一般為5 000～6 000 Ω，計算時取5 500 Ω；Zj為故障線路的接觸網阻抗。

（1）在接觸網故障線路永久短路接地時，

式中，Zu為接觸網的單位阻抗，按供電方式直供加回流，取Zu= 0.226 2 + j0.447 4 Ω/km；L為接觸網故障點距變電所的距離，一般取值為 0～25 km；Rg為短路接地電阻，按阻抗保護三段的電阻分量取值，一般取20 Ω。

所以當Lmin= 0 km時，Uc的最小值

當Lmax= 25 km，Zu= 0.226 2 + j0.447 4 Ω/km，RL= 5 500 Ω時，Uc的最大值

AT供電方式接觸網單位阻抗較直供加回流小，故計算略。

（2）在接觸網無故障時，其正常運行接觸網饋線的空載電流一般小于3 A的容性電流，現按3 A計算：

則Ucmax= (Zjo/ (RL+Zjo))Ue= 86%Ue

在選取故障判斷裝置動作電壓時，取可靠系數Kk為1.5，則

（3）短路點過渡電阻影響。以57%Ue校驗：

故可不考慮短路時過渡電阻影響。

因此，在Uc＞57%Ue時，可以判定接觸網無故障，不閉鎖重合閘；在Uc＜57%Ue時，可以判定接觸網有永久性故障，需要閉鎖重合閘。

2 高壓線路故障判斷裝置結構組成

典型單相牽引變電所單母線分段的27.5 kV主接線示意圖如圖2所示。

圖2 故障判斷裝置接線圖

高壓線路故障判斷裝置由專用高壓熔斷器RD、高壓限流器 XL、測量開關用的旁路斷路器PLDL、隔離開關GK1、GK2、測量電壓互感器PT、旁路測試母線PLCS、旁路隔離開關PG等設備組成。高壓線路故障判斷裝置中2臺隔離開關GK1、GK2是為改變裝置工作狀態和方便裝置檢修而設置的。限流器XL用來將測量電流限制在5 A以內，以避免短路故障對高壓設備產生大電流沖擊。高壓熔斷器RD是在旁路斷路器發生故障拒分時，保護限流器和變電所27.5 kV母線的安全。

3 高壓線路故障判斷裝置工作原理

高壓線路故障判斷裝置處于正常運行狀態時：旁路斷路器PLDL處于分位，GK1打開、GK2閉合，PG1—PG4打開，由各主斷路器1DL—4DL向接觸網供電。

自動測量方式工作原理及動作過程如下：

當線路發生故障時，保護裝置保護出口繼電器BCJ迅速動作，主斷路器跳閘，故障判斷裝置自動啟動，旁路隔離開關PG（PG{PG∈1…PG4}）閉合，故障判斷裝置控制回路延時0.8～1 s（線路絕緣恢復）后，使旁路斷路器PLDL合閘，把故障判斷裝置由母線串入故障線路，母線上的27.5 kV電壓經過高壓限流器送往故障線路，利用高電壓小電流進行檢測。旁路斷路器PLDL閉合接通后，通過電壓互感器測量饋線殘壓，根據饋線殘壓大小判斷短路故障性質；當線路殘壓低于母線電壓57%時，裝置判定為永久故障，通過控制指令閉鎖故障線路的自動重合閘，使主斷路器不能重合閘。同時發出永久性故障光字牌及音響信號報警；當饋線殘壓大于母線電壓57%時，裝置判斷為瞬時性故障，啟動重合閘，使主斷路器閉合送電。測量進行0.6 s后，旁路斷路器PLDL自動分閘，旁路隔離開關PG（PG{PG∈1…PG4}）斷開，使故障判斷裝置退出測量。故障判斷裝置在重合閘的3～5 s內完成整個測量和判斷過程。

高壓線路故障判斷裝置還可進行手動測量，即在每次向接觸網線路送電前，或短路故障發生后、以及變壓器、饋線斷路器檢修后，都可首先使用故障判斷裝置探測線路是否處于無故障的安全狀態，再決定是否向接觸網線路送電。

4 運用效果及結語

2006年，高壓線路故障判斷裝置在襄渝線襄樊供電段石花變電所和小花果變電所試運行，1—8月2個變電所接觸網線路重合閘不成功率為14%，比2005年統計降低了9%，明顯低于未投入高壓故障判斷裝置時的重合閘不成功率。

在故障判斷裝置試運行期間，每次接觸網檢修后或故障搶修結束時可先用故障判斷裝置進行故障判斷，以排除地線未拆除、遺留短路接地、安全距離不夠等故障。在2006年5月，某接觸網工區進行接觸網檢修作業結束后，因檢修用接地線未拆除致使接觸網處于接地狀態，送電前先用故障判斷裝置成功判斷接觸網有永久性故障，通知接觸網工區及時處理后，送電成功，避免了一次接觸網短路跳閘。

因電氣化鐵道供電方式特殊，運行條件復雜，接觸網線路的短路故障較多。通過高壓線路故障判斷裝置對故障線路進行高電壓小電流下的無損檢測，進而對線路繼電保護自動重合閘實施選擇性閉鎖，避免盲目地向接觸網線路重復強送電，將大大減少短路電流和過電壓對變壓器、斷路器等重要電氣設備的沖擊，延長了電氣設備檢修周期和使用壽命，避免事故范圍擴大和發生不應有的故障。同時還可在接觸網上逐點進行小電流短路試驗，準確測定接觸網饋線的實際阻抗、電抗值及其與線路距離的實際關系曲線，為測定接觸網線路的基礎參數和準確的判定故障點距離，提供可反復使用的無損檢測手段。

該項技術已在發達國家廣泛采用，國內的應用范圍也將日益廣泛。

[1]TB10009-2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

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