滬寧高鐵接觸網跳閘故障測距異常分析

李 智

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滬寧高鐵接觸網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

0 引言

接觸網作為高速鐵路牽引供電系統的重要組成部分，其運行狀態直接影響動車組的安全、穩定運行。為迅速發現并及時處理接觸網斷線、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，如果故障性質判據不當將導致故測裝置測距異常，供電運維人員應予以高度重視。

1 故障概況

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為上行T-R故障，故標1.529 km，對應寶華山—仙林區間144#接觸網支柱（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為上行T-R故障，故標1.644 km，對應寶華山—仙林區間150#支柱（線路里程K278+407）。

接觸網故障跳閘后，檢修人員根據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，均未發現故障點。據了解，該區段以往跳閘的故障測距是比較準確的。

2 故障測距異常原因分析

2.1 牽引所饋線繼電保護及測距原理

滬寧高鐵采用全并聯AT供電方式，饋線設距離保護、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。當接觸網出現短路故障，牽引所上、下行饋線保護裝置均啟動并出口跳閘，接觸網停電，延時1 s后AT所、分區所的饋線斷路器失壓保護動作，上、下行接觸網解列并退出自耦變壓器。牽引所饋線跳閘后斷路器經延時2 s重合閘。若故障系瞬時故障，重合閘成功，AT所、分區所饋線斷路器分別延時4 s、3 s檢有壓重合閘，恢復正常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，接觸網上、下行已解列，且自耦變壓器已退出運行，此時接觸網的供電方式為直接供電。

AT供電方式接觸網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、分區所的電氣參數進行故標計算。故測裝置測定故標前需判斷故障性質：當牽引所、AT所、分區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、分區所的吸上電流均小于P×n時，判斷為T-F故障；當AT所、分區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區段故障，部分綜合自動化系統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P和直接供電方式判別系數z分別取經驗值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，接觸網跳閘重合成功時應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，應采用線性電抗比法測距，吸上電流比法測距不準確。

2.2 故障數據分析

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，其次為分區所的398 A，AT所的吸上電流最小，為101 A。根據AT供電方式原理，對于T-R或F-R 故障，最大的2個吸上電流應分布在短路點兩側的牽引所亭，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所，異于T-R或F-R故障的電流分布。進一步量化分析，假設牽引所饋線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，分區所方向電流為1 447 A，短路點的電流為1 267 + 1 447 = 2 714 A。考慮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區段的下行T-F短路。由于短路點牽引所和分區所方向的電流相近，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）

接觸網故障跳閘后，故測裝置的判據P×n是判斷故障性質和決定所采用測距方法的依據。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，導致檢修人員無法找到故障點（3月2日跳閘的分析結果與之類似）。

因T-F短路較為少見，該區段以往故障測距較準確是針對接觸網T-R或F-R短路故障而言。

3 T-F判別系數取值的優化

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所亭的AT變壓器經正饋線回流（牽引所不設AT變壓器時，牽引所的回流經鋼軌和大地）。由于高速鐵路牽引供電系統容量較大，且PW線和綜合接地系統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。統計上海局管段內2018年一季度T-R、F-R故障的吸上電流如表2所示。設吸上電流atmax= max（變電所at，分區所at，AT所at），可以發現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。統計上海局管段內近年來T-F故障的吸上電流如表3所示。可以發現，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故障吸上電流統計 A

表3 T- F故障吸上電流統計 A

對比以上數據可以發現，高速鐵路AT供電方式下，判別T-R、F-R故障和T-F故障性質的吸上電流P×n整定為1 000 A左右比較合理。

4 T-F短路故障測距

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，可采用橫聯線電流比法測距（第一AT區段故障也可采用上下行電流比法）。

橫聯線電流是指全并聯AT供電方式下接觸網故障時，變電所、AT所和分區所的接觸網上下行并聯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，橫聯線電流比法通過計算和比較橫聯線電流中2個最大電流，確定故障區段和故障距離，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，牽引所的橫聯線電流為?(1 479 + 1 226)-(1 481 + 1 232)÷/2 = 4 A，AT所的橫聯線電流為?41-15?= 26 A，分區所的橫聯線電流為?1 246 + 1 447÷= 2 693 A。AT所、分區所的橫聯線電流較大，所以故障點在第二AT區段。

全并聯AT供電方式接觸網某相（T相、F相或T-F）發生短路時，牽引所非故障相饋出的短路電流分量經AT所、分區所的饋線斷路器流向故障點。根據基爾霍夫電流定律，非故障相牽引所、AT所、分區所的饋線電流在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，而是下行接觸網設備故障。

該供電臂第一AT區段（牽引所與AT所之間）長13.023 km，第二AT區段（AT所與分區所之間）長11.582 km，AT所里程K290+144，分區所里程K301+726。將數據代入計算式，計算故障距離= 13.023 + 11.582×2 693 / (2 693 + 26) = 24.494 km，對應線路里程為K301+628。

根據計算的故標排查故障點，發現滬寧高鐵南京城際場145#支柱（分區所下行供電線上網隔離開關支柱，線路里程為K301+726）施工時設備安裝存在缺陷：隔離開關T線隔離開關線夾與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相間發生短路放電導致棲霞牽引所跳閘。實際故障點與人工計算的故標相差98 m。故障設備如圖2所示。

圖2 棲霞牽引所故障設備

5 結語

故障測距裝置需根據不同的接觸網短路故障性質采用不同的測距方法。接觸網故障跳閘后運維人員應及時分析故障數據，故測裝置對故障性質判斷錯誤時，應重點檢查故測裝置的故障性質判別系數設置是否合理，并采用適合的測距方法，同時指導現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的安全運行。

[1] 國電南京自動化股份有限公司. WGB-65故標裝置技術說明書[Z].

[2] 田鋒，趙強．接觸網故障點距離測量方法對比分析[J]．鐵道技術監督，2016，44（2）：37-41.

[3] 中國鐵路總公司. TG/GD124-2015高速鐵路運行維修規則[S]. 北京：中國鐵道出版社，2015.

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度所，工程師。