高速鐵路牽引供電系統(tǒng)短路故障牽引變壓器后備保護越級跳閘分析

郭旭剛

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 高速鐵路與城軌交通系統(tǒng)技術(shù)國家工程研究中心，北京 100081）

在某條高鐵客運專線發(fā)生了F-R 金屬性接觸網(wǎng)短路故障，故障報告顯示變壓器后備保護裝置β相過流動作，β相過流跳閘。因短路故障發(fā)生在饋線側(cè)，雖然饋線側(cè)斷路器相應(yīng)跳閘，但變壓器后備保護低壓側(cè)低壓啟動過電流保護動作并出口，造成越級跳閘。為了避免重合閘送電故障范圍進一步擴大并查找原因，發(fā)生故障變電所整體退出臨時調(diào)整為越區(qū)供電方式。

根據(jù)中國鐵路總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CR 687—2018《牽引供電系統(tǒng)繼電保護配置及整定計算技術(shù)導(dǎo)則》（以下簡稱導(dǎo)則）可知，牽引變壓器保護配置里低壓側(cè)低壓啟動過電流保護動作時限為饋線最長動作時限加上ΔT，上下級保護配合的時限級差ΔT宜取0.2 s。針對此變電所、設(shè)計院按照《導(dǎo)則》要求設(shè)計低壓側(cè)低壓啟動過電流保護動作時限為0.3 s。

為了盡快查找原因并恢復(fù)該變電所供電，組織現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備廠家對設(shè)備及狀態(tài)進行安全評估試驗，試驗并未發(fā)現(xiàn)異常。高速鐵路牽引供電系統(tǒng)直接影響行車安全，發(fā)生越級跳閘屬于供電系統(tǒng)的安全隱患，必須查找原因并及時處理。文中針對此次越級跳閘故障，通過對實測數(shù)據(jù)的分析，還原越級跳閘事件邏輯，為饋線整定值和變壓器后備保護定值相互配合提供相關(guān)技術(shù)支撐。

1 變電所保護配置

1.1 短路故障邏輯時序

根據(jù)《導(dǎo)則》可知，正常全并聯(lián)2×25 kV AT 供電系統(tǒng)各所亭保護配置見表1。

表1 全并聯(lián)2×25 kV AT 供電保護配置

1.2 牽引變壓器后備保護

目前電氣化鐵路牽引變壓器后備保護裝置不同接線形式的變壓器后備保護接線如圖1 所示。不同的電氣量值進入后備保護裝置，裝置開始進行計算、比較、邏輯判斷等操作。

圖1 牽引變壓器后備保護電量接線圖

低壓側(cè)過流保護是跳開出現(xiàn)過流相的斷路器。為提高可靠性選擇低壓啟動功能，此低壓啟動和高壓側(cè)過流保護的低壓啟動共用一個定值，只是時間定值有所區(qū)別，如圖2 所示。

圖2 變壓器后備保護低壓啟動過流保護邏輯

從圖1、圖2 可以看出，不論是牽引變壓器后備保護裝置還是饋線保護裝置，繼電保護邏輯閉環(huán)的完成總體有3 個步驟：測量比較、邏輯判斷、執(zhí)行輸出。

2 越級跳閘全過程數(shù)據(jù)分析

為了進一步分析發(fā)生越級跳閘故障原因，對該變電所高低壓側(cè)母線電壓、饋線電流，AT 所電壓、吸上及橫連線電流，分區(qū)所電壓、吸上及橫連線電流進行了實時同步測試，測試數(shù)據(jù)如圖3～圖6 所示。

圖3～圖6 是變電所短路故障發(fā)生的整個過程的動作邏輯及波形圖（AT 及分區(qū)所同理，不再繪出），故障發(fā)生后饋線保護裝置、故障測距裝置、變壓器后備保護裝置均給出相應(yīng)的報文。

故障測距裝置：下行/FR 故障/電流比原理。變壓器后備保護裝置：β相過流跳閘。饋線保護裝置：下行過電流跳閘、阻抗Ⅰ段跳閘；上行過電流跳閘、阻抗Ⅰ段跳閘、高阻接地Ⅰ段跳閘。

從圖6 可以看出，整個短路故障整體可以劃分為4 個階段。第1 階段（T1～T2）：共計151 ms；第2階段（T2～T3）：共計149 ms；第3 階段（T3～T4）：共計49 ms。第4 階段（T4～T5）：共計86 ms。

第1 階段故障發(fā)生在下行，根據(jù)文中1.2 節(jié)可知，上、下行饋線保護裝置啟動到出口需要經(jīng)過3個步驟的處理，此過程用時再加上饋線保護時限共同形成約150 ms 的故障波形。此階段下行滿足定值過電流跳閘、阻抗Ⅰ段跳閘，下行故障跳開故下行饋線波形如圖3（a）、圖3（b）所示。此時從圖5（c）、圖5（d）可以看出，低壓啟動過電流已經(jīng)滿足啟動條件。

圖3 變電所短路故障第1 階段下行故障側(cè)饋線電流波形

第2 階段要結(jié)合第1 階段，故障仍在下行，此時整個網(wǎng)絡(luò)由非故障側(cè)上行供電至下行，上行饋線保護裝置滿足定值要求過電流跳閘、阻抗Ⅰ段跳閘、高阻接地Ⅰ段跳閘，饋線故障消失。由于第1 階段下行饋線斷路器跳開，短路電流配于上行2條饋線，故上行饋線電流有所增加如圖4（a）、圖4（b）所示。高壓側(cè)母線相電流如圖5（a）、圖5（b）所示，低壓側(cè)母線電流如圖5（c）、圖5（d）所示。

圖4 變電所短路故障第1&2 階段上行非故障側(cè)饋線電流波形

圖5 變電所短路故障第1&2 階段高、低壓母線電流波形

第3 階段要結(jié)合第1、2 階段，在第1 階段故障發(fā)生時刻，牽引變壓器后備保護裝置低壓啟動過流保護滿足圖2 邏輯并啟動，如果時限達到要求就出口，由圖2 可知低壓啟動過電流分析處理時限約50 ms 加上保護時間定值300 ms，時限總過程約為350 ms 完成跳閘過程，但是在T3時刻低壓側(cè)母線電壓恢復(fù)且低壓側(cè)母線電流消失，根據(jù)圖2 低壓啟動過電流邏輯在T3時刻故障電流消失后不到出口時限要求，低壓啟動過電流應(yīng)該返回。但是和圖2邏輯類似，保護返回也需要經(jīng)過3 個步驟的處理方可返回，處理保護返回時間也大約為50 ms，就因處理此保護返回時間差和T1～T3時間總時長正好達到了出口時間，故在T4時刻低壓側(cè)斷路器出口跳閘，更確切地說應(yīng)該在T4時刻前（圖6 中紅色箭頭時刻），斷路器已經(jīng)跳閘動作但是由于重燃斷路器彈跳，直到T4時刻網(wǎng)壓降低較為明顯，所以此次短路故障低壓側(cè)過電流跳閘有一定的“巧合性”，但也是必然。因為這是上下級保護定值設(shè)置不匹配導(dǎo)致的。

第4 階段T4～T5時刻為斷路器分閘滅弧過程，此過程更確切的應(yīng)該是在T4時刻前（圖6 中紅色箭頭時刻），此過程涉及斷路器彈跳重燃，直到T5時刻徹底熄弧。

圖6 變電所短路故障第1&2&3&4 階段低壓側(cè)母線電壓波形

3 越級跳閘機理解釋

從測試數(shù)據(jù)分析可以看出，此次跳閘可以認為是保護定值不匹配造成的，如何合理配置各級保護定值十分重要，下面針對此次越級跳閘相關(guān)數(shù)據(jù)進行探討，正常全并聯(lián)AT 供電時做如下假設(shè)：

假設(shè)1：如果上行饋線保護定值設(shè)置合理在第1 階段跳閘就不會發(fā)生此次越級跳閘，跳閘邏輯會按照定值及時限要求逐步進行。

假設(shè)2：如果 定值0 區(qū)、定值1 區(qū)、定值2 區(qū) 能智能識別，也會避免此次越級跳閘。

假設(shè)3：如果設(shè)置低壓側(cè)低壓啟動過電流保護動作時限大于0.3 s 的定值，避開因系統(tǒng)處理引起的時間差，也會避免此次越級跳閘。

假設(shè)4：如果AT 所和分區(qū)所失壓保護動作時限設(shè)置為0.1 s 或者0.2 s，及時跳開下行故障，也會避免此次越級跳閘。

各設(shè)計院及保護裝置廠家都是根據(jù)《導(dǎo)則》來設(shè)計整所定值，圖3～圖5 中紅色橫線為電流保護定值線，可見此次越級跳閘所有斷路器都是按照定值要求進行動作，沒有出現(xiàn)錯誤跳閘。設(shè)計院定值也是按照《導(dǎo)則》要求進行設(shè)計。

按照《導(dǎo)則》要求對饋線I 段距離保護電抗定值是按照式（1）保護正常供電線路全長進行整定：

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.2；L0為供電線長度，km；x0，F(xiàn)為F 供電線單位電抗，Ω/km；L1為接觸網(wǎng)長度，km；x1，F(xiàn)為F 線單位電抗，Ω/km；nCT為電流互感器變比；nPT為電壓互感器變比。

正常全并聯(lián)AT 供電時不論饋線側(cè)任何位置短路故障，阻抗四邊形足夠包含所有故障位置，所以故障發(fā)生后應(yīng)該按照假設(shè)1 進行，上下行不全部跳開，故此時出現(xiàn)了設(shè)計院設(shè)計定值、《導(dǎo)則》、工程實踐之間的一個矛盾，存在設(shè)計定值保護不到的“盲區(qū)”。

根據(jù)式（1）電抗定值整定是按照單位電抗進行整定，實際新建線路F 線的單位電抗、F 供電線單位電抗和設(shè)計值出入較大，如果單位電抗設(shè)計值較小而實際值偏大，按照《導(dǎo)則》計算的阻抗I 段四邊形在距離靠近變電所某個位置就出現(xiàn)了“盲區(qū)”的邊界條件，有一小段距離是保護不到的。

根據(jù)文獻［1-3］實測數(shù)據(jù)可知，實際故障互感的影響不可忽略，并且在不同位置互感對真實測試單位電抗計算值影響不同，電流方向相同時互感影響加強，反之不同方向時削弱。故出現(xiàn)了圖7所示的同一位置故障時，阻抗發(fā)生了動態(tài)變化，同時也解釋了“盲區(qū)”出現(xiàn)原因。

圖7 饋線保護阻抗四邊形特性盲區(qū)解釋

圖7 阻抗四邊形中，θ為線路阻抗角，φ1 為躲涌流偏移角，φ2 為容性偏移角（取15°），θ、R、X通過定值設(shè)定。

按照《導(dǎo)則》設(shè)計并沒有考慮互感之影響，根據(jù)式（1）可知，同一位置故障時，第1 階段和第2 階段上行迂回至短路故障點的電抗值并不會發(fā)生變化，如果下行故障點距離變電所位置為Lkm，其上行迂回至短路故障點最大電抗計算值為式（2），其下行至短路故障點最大電抗計算值為式（3）：

而實際工程中同一位置距離變電所L處近端短路故障時，阻抗發(fā)生了動態(tài)變化如圖7 所示，故障第1 階段上行迂回至短路故障點的阻抗距離保護沒有出口，阻抗值落在了阻抗四邊形的外面，如圖7 中 紅色 部 分Z上第1階段；故障 第2 階 段上 行 迂回至短路故障點的阻抗距離保護出口，阻抗值落在了阻抗四邊形的里面，如圖7 中藍色部分Z上第2階段。正常AT 全并聯(lián)供電時定值設(shè)置已知，四邊形基本固定，《導(dǎo)則》中沒有考慮互感之影響，其迂回至短路故障點的阻抗計算如圖7 中黑色部分Z上。此情況形成的盲區(qū)現(xiàn)象，會不同程度存在，得多加防范。

由此可見，此次短路越級故障是對此類饋線保護“盲區(qū)”及文中4 個假設(shè)的一個綜合體現(xiàn)，同時是對牽引供電系統(tǒng)定值匹配提出了更高的要求。

綜上所述，為了避免此類情況的再現(xiàn)，提出以下建議及方案：

（1）新建線路動態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試工程驗收中AT 全并聯(lián)供電方式下加入靠近末端位置和近端位置的F 線的帶重合閘的短路試驗，通過試驗來修正設(shè)計給出的定值。

（2）為了避開饋線距離保護“盲區(qū)”，此時可靠系數(shù)Kk的選取尤為重要。如果此系數(shù)選取不確定時，可參考假設(shè)4 中方案減小AT 所和分區(qū)所失壓保護動作時限設(shè)置為0.1 s 或者0.2 s；或者可參考假設(shè)3 中方案，適當(dāng)增加低壓側(cè)低壓啟動過電流保護動作時限定值。

（3）增加故障智能識別功能，可有效降低此類故障的發(fā)生。

4 結(jié) 論

通過對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)某變電所短路故障引起的越級跳閘進行深度挖掘及詳細分析，重現(xiàn)了此次故障發(fā)生的全過程，找出了越級跳閘的真正原因，提出了解決此種情況下防止越級跳閘的方案，文中的研究內(nèi)容為日后定值設(shè)計及運營管理提供一種分析思路，為牽引供電系統(tǒng)故障原因分析提供重要的技術(shù)依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價值。