牽引供電饋線繼電保護問題分析及應對措施

張翼翔，武 驥

(國能朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062300）

牽引供電綜合自動化系統對于保障鐵路行車安全具有重要意義。饋線繼電保護的靈敏性、可靠性、快速性、正確性如不能滿足設備故障判斷的要求，極有可能引起接觸網設備誤動、拒動，甚至對鐵路現場工作人員的人身安全構成極大威脅。本文主要針對一起接觸網故障發生后，牽引供電饋線保護裝置拒動的案例進行原因分析，并針對暴露出的問題，提出有關措施和建議。

1 故障概況

1.1 故障經過

2018 年3 月21 日，某分區所某區間上、下行接觸網并聯斷路器阻抗I 段保護動作出口，斷路器跳閘將區間上、下行接觸網解除并列運行，但對應變電所接觸網饋線斷路器保護未動作跳閘。54 s后，某次機車運行到下行K126+500 處，B 節受電弓撞擊懸吊于承力索上的壓管和斜腕臂鋼管，導致受電弓弓頭、上框架斷裂飛出，列車緊急制動后惰行395 m 停車。供電調度通知司機臨時處理B 節受電弓，司機將B 節受電弓下臂桿用鐵絲固定于B 節車頂上。供電專業人員經現場確認接觸網可以送電后，機車升A 節受電弓，機車頭處接觸網接地，并伴有嚴重拉弧和巨大聲響。此時該饋線電流1 000 余A，饋線保護裝置未動作，供電調度員通過遠動系統緊急將變電所饋線斷路器遠動分閘。

1.2 設備基本參數

某牽引變電所主變壓器為V/V 接線，容量16 000+25 000 kVA，一次側額定電流145.45/325.37/227.27 A，二次側額定電流581.82/1 301.48/909.09 A。主變壓器低壓側和214 饋線CT 變比均為1 250/5；27.5 kV 母線PT 變比為27 500/100。

某區間供電方式為復線直供，上/下行通過分區所并聯運行，上、下行饋線不包含供電線全長均為26.1 km，正線承力索型號為LBGLJ-185，接觸線型號為GLCN-250。

2 故障原因分析

2.1 受電弓撞擊接觸懸掛原因分析

通過視頻分析發現，故障發生前一只黃鼬攀爬至某區間下行K126+500 處328#接觸網下錨支柱斜腕臂的棒式絕緣子上，形成接觸網→腕臂鋼管→黃鼬→斜腕臂棒式絕緣子接地跳線→接觸網回流線的接地短路回路。短路電流致使斜腕臂棒式絕緣子炸裂、接地跳線燒斷。在接觸網張力和弧光短路電流的共同作用下，壓管棒式絕緣子隨即斷裂，壓管和斜腕臂鋼管脫離接地懸吊于承力索上。因變電所饋線斷路器未跳閘，某區間下行接觸網仍然有電，導致機車運行到此處時，B 節受電弓撞擊懸吊于承力索上的壓管和斜腕臂鋼管。

2.2 接觸網二次接地原因分析

司機處理B 節受電弓后未將B 節切除，當機車升起A 節受電弓后，致使接觸網通過機車接地。接地回路為：接觸線→A 節受電弓→車頂導電桿→B節受電弓下臂桿→B 節車外殼→鋼軌。

2.3 第一次接地饋線斷路器拒動原因分析

1）距離保護未動作原因分析

某區間饋線設兩段距離保護，其中Ⅰ段距離保護中的電抗定值按照不超過分區所斷路器范圍整定，如公式（1）所示。

公式中：KK為可靠系數，取1.2；L0為供電線長度；X0為供電線單位電抗；L1為接觸網長度；X1為接觸網單位電抗；nCT為電流互感器變比；nPT為電壓互感器變比。

電阻定值按照躲過最小負荷阻抗整定，如公式（2）所示。

式中：Umin為母線最低工作電壓；KK為可靠系數，取1.2；Ifhmax為最大負荷電流；θf為負荷阻抗角；θL為線路阻抗角；nCT為電流互感器變比；nPT為電壓互感器變比。

Ⅱ段距離保護中的電抗定值按照保護上、下行全長整定，如公式（3）所示。

電阻定值與Ⅰ段相同。實際Ⅰ段距離保護定值為電阻7.08 Ω、電抗6.13 Ω，Ⅱ段距離保護定值為電阻7.08 Ω、電抗17.09 Ω。

根據巡視反饋接觸網第一次接地位置故標為25.99 km，為下行饋線末端，按照保護原理，Ⅱ段距離保護應啟動并按時限要求切除故障點。但由于短路電流通過黃鼬造成弧光接地，接地電阻較大，保護裝置測量的電阻值為15.24 Ω、電抗值為7.39 Ω，短路阻抗角為25.8°。雖然電抗值小于Ⅱ段距離保護動作電抗整定值，但電阻值大于Ⅱ段距離保護動作電阻整定值，短路阻抗值落在了保護裝置動作區外，故Ⅱ段距離保護不能啟動。

2）低電壓啟動過電流保護未動作原因分析

饋線設低電壓啟動過電流保護，保護范圍為饋線全長。過電流二次動作整定值為7.2 A（折算至一次側電流為1 800 A），低電壓二次動作整定值為65 V(折算至一次側電壓為17.9 kV)。

接觸網第一次接地位置故標為25.99 km，為饋線末端，按照保護原理，低電壓啟動過電流保護應啟動并按時限要求切除故障點。但根據保護裝置后臺數據顯示二次側短路電流為5.25 A（折算至一次側電流為1 312 A）、二次側母線殘壓為89 V（折算到一次側殘壓為24.475 kV），保護裝置的電流值小于保護動作整定值，電壓值大于保護動作整定值，兩個條件都不滿足，故低電壓啟動過電流保護不能動作。

3）電流增量未動作原因分析

電流增量保護通過比較正常狀態下的負荷電流（電感電流）和高電阻故障電流隨時間變化的分量ΔI的不同來檢出故障，可有效彌補因接觸網高阻接地時距離保護可靠性降低的問題。但該變電所饋線未投入電流增量保護，而未投入的原因為和諧號等交—直—交機車的功率因數接近于1 且啟動電流較大，保護裝置無法進行正常負載電流與故障電流的有效識別而造成電流增量保護誤動，故將增量保護退出。

2.4 第二次接地饋線斷路器拒動原因分析

接觸網第二次接地點至某牽引變電所的距離，比接觸網第一次接地點至某牽引變電所的距離要縮短395 m 且為金屬性接地。按照原理，短路點距離電源越近，短路電流越大，且保護裝置測量到的母線殘壓和電抗、電阻值越小，低電壓啟動過電流保護和Ⅱ段距離保護更應啟動并按時限要求出口切除故障點。但不同于接觸網第一次接地后保護裝置后臺還有相關數據，接觸網第二次接地后除無保護啟動信息外，也未能查詢到故障電流、電壓、電抗和電阻等有關參數。

1）饋線及主變壓器低壓側過電流啟動低電壓拒動原因分析

該饋線過電流保護二次定值IDZ=7.94 A，低電壓定值65 V；主變壓器低壓側過電流整定值IDZ=5.09 A，低電壓整定值65 V。根據饋線過電流保護整定計算如公式（4）所示。

公式中：KK為可靠系數，取1.2；Ifhmax為饋線最大負荷；nCT為CT變比。

則可得出：計算過電流定值時，所取的饋線最大負荷電流值Ifhmax達到1 654 A（折算到一次側），而設計院所給出的饋線最大負荷電流為1 489 A，按照此電流計算出的饋線過電流定值應為：IDZ＝1.2×1 489/250 ＝7.15 A。

靈敏度方面：按照《鐵路牽引供電設計規范》（TB 10009-2005）（舊版，保護裝置投入時的有效版本）、《鐵路牽引供電設計規范》（TB 10009-2016）（現行有效版本）中，對近后備保護中電流元件的靈敏系數Km均為1.3 ～1.5 的規定，按照前述二次定值IDZ＝7.94 A，根據過電流保護靈敏系數校核計算如公式（5）所示。

公式中：IDmin為最小短路電流；Idz為保護裝置一次動作電流。

反向推算得知，如果要滿足保護裝置靈敏性的要求（即被保護線路范圍內故障時，保護裝置應具有必要的靈敏系數），接觸網全長26.1 km 的某間下行饋線，在末端金屬性短路時，保護裝置安裝處測得的一次最小短路電流可達到2 581 ～2 978 A。根據變電所主變壓器容量、供電臂長度計算，在繼電保護整定中，所取的饋線最大負荷電流Ifhmax，以及末端金屬性最小短路電流IDmin值，雖然使過電流保護定值滿足了行車要求，但未滿足過電流保護動作電流按躲過饋線最大負荷電流、尤其是未滿足末端故障時有足夠靈敏度進行整定的要求，背離了繼電保護靈敏度優先的原則。

2）距離保護拒動原因分析

按照Ⅰ、II 段距離保護中的電阻整定計算公式（6）所示。

公式中:Umin為牽引變電所母線最低工作電壓；KK為可靠系數取1.2；θfh為負荷阻抗角，一般取40°～80°；θxL為線路阻抗角，一般取70°～85°。需要對牽引變電所母線最低工作電壓Umin、負荷阻抗角θfh、線路阻抗角θxL，在繼電保護整定中取值的合理性，做進一步論證。

3）后臺數據丟失原因分析

該變電所饋線保護裝置的運行期限已達9 年零10 個月，接近原鐵道部規定的電子產品10 年的運行年限。裝置后臺數據存儲不穩定，可能是導致第二次接地參數數據丟失的重要原因。

3 應對措施及建議

3.1 建議對保護定值進行優化和調整

1）建議對低電壓啟動過電流保護、距離保護定值重新進行核算和調整

a.根據牽引供電設備和機車設備實際參數的理論計算，以及運行數據的統計分析，必要時進行列車運行取流以及短路試驗等實際測試，合理確定饋線最大負荷電流Ifhmax、牽引變電所母線最低工作電壓Umin、饋線末端金屬性最小短路電流IDmin、饋線末端金屬性短路時牽引變電所母線最大殘壓UDmax、負荷阻抗角θf和線路阻抗角θL，并實測PT 斷線后保護裝置測量電壓等數值。

b.根據上述確定數值，對距離保護、低電壓過電流保護的有關整定值進行重新計算，并校核靈敏系數；同時，做好牽引變電所繼電保護裝置之間，以及接觸網饋線保護與電力機車保護之間的保護范圍和保護時限的配合，并滿足對繼電保護裝置的靈敏性、可靠性、選擇性要求。

2）建議對PT 斷線閉鎖保護的電壓整定值進行調整

為防止接觸網短路后，牽引變電所母線二次側電壓降至60 V 以下時，導致PT 斷線閉鎖保護誤動閉鎖距離保護，進而引發距離保護拒動致使保護裝置可靠性下降的問題，根據相關試驗數據，建議將PT 斷線閉鎖保護的二次電壓整定值從現在的60 V調整為40 V，從而在保持對PT 斷線發生后的靈敏反應的同時，防止裝置在接觸網故障發生后保護無法出口。

3）綜合考慮機車對于定值設置的影響

a.對SS4G 電力機車無欠壓保護的問題加以綜合考慮，如果因此造成供電系統自動保護裝置可靠性下降的影響，無法通過其他方法予以彌補，就要考慮對SS4G 機車加裝欠壓保護，以避免在正常運行狀態下，牽引變電所主變二次側母線電壓在低電壓啟動過電流保護誤動之前，無限制下降。

b.SS4B、SS4G 等交-直型機車運行對投入電流增量保護較為有利，但需要對和諧號交-直-交型機車運行對電流增量保護可靠性影響的程度，以及單跑、混跑模式分別對保護整定值的影響，做進一步的論證。

4）優化保護定值的靈敏性、正確性

a.牽引供電的繼電保護的配置以及整定計算，應同時滿足可靠性、速動性、選擇性和靈敏性的要求。當因實際條件限制確實難以兼顧時，必須優先保證靈敏性，尤其不能為滿足實際運輸需求而將定值進行簡單調整，以防止保護拒動對設備或人員造成永久性損害。

b.牽引供電的繼電保護的整定計算，應針對牽引供電以及機車的具體參數和系統運行方式，加以綜合考慮確定。當不能滿足可靠性、速動性、選擇性和靈敏性的要求時，應考慮進行牽引供電系統的改造，從根本上化解實際運輸需求和牽引供電保護之間的矛盾，從而在安全的基礎上保障鐵路運輸生產效率的可持續維系與提高。

3.2 建議加快臨期、超期服役計算機保護的更換進度

1）為防止計算機保護裝置因老化帶來的可靠性下降的影響，充分利用大、中修從根本上解決設備運行質量下降的問題，加快推進變配電所中臨期、超期繼電保護裝置的更換進度。

2）針對短期無法進行更換的計算機保護，需加強日常巡視和定期維護，同時針對板件、內部排線、通訊線等薄弱環節需加強備品、備件管理，做到有備無患。

3.3 建議增加牽引變電所，縮短供電臂長度

鑒于某區間為直供加回流的供電方式，供電臂長達26.1 km，建議考慮增加牽引變電所，化解實際運輸過程中供電臂列車容納和牽引供電繼電保護之間的矛盾。

3.4 建議明確應急處置流程，提升應急能力

要進一步明確在各種異常和緊急狀態下的處置流程、細化應急處置措施，提高應急處置方案的針對性和有效性，并做好有針對性的培訓教育工作，提高重點和關鍵崗位的應急處置水平。

按照關于應急演練的有關規定，對現場處置方案逐一進行實景模擬演練。演練時要全面考慮防止次生災害的安全措施，提高關鍵和重點崗位的應急處置實操能力與安全意識。

4 結束語

針對一起機車和接觸網故障而導致計算機保護拒動的特殊情況進行分析，從車輛、受電弓、變電所內一次設備、各種保護的設置等進行逐一分析，并指出其中不合理的處所，及時提出整改建議和未來的提升方向。為后期出現類似故障提供參考，也為發生故障時能快速啟動應急響應機制，并能夠科學合理地分析產生故障的真實原因，減少故障處理時間，提升處理效率，保障鐵路的正常供電。