郭旭剛

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

在某條高鐵客運(yùn)專線發(fā)生了F-R 金屬性接觸網(wǎng)短路故障，故障報(bào)告顯示變壓器后備保護(hù)裝置β相過流動(dòng)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(hù)低壓側(cè)低壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)動(dòng)作并出口，造成越級(jí)跳閘。為了避免重合閘送電故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大并查找原因，發(fā)生故障變電所整體退出臨時(shí)調(diào)整為越區(qū)供電方式。

根據(jù)中國(guó)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(hù)配置及整定計(jì)算技術(shù)導(dǎo)則》（以下簡(jiǎn)稱導(dǎo)則）可知，牽引變壓器保護(hù)配置里低壓側(cè)低壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限為饋線最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)限加上ΔT，上下級(jí)保護(hù)配合的時(shí)限級(jí)差ΔT宜取0.2 s。針對(duì)此變電所、設(shè)計(jì)院按照《導(dǎo)則》要求設(shè)計(jì)低壓側(cè)低壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)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(chǎng)相關(guān)設(shè)備廠家對(duì)設(shè)備及狀態(tài)進(jìn)行安全評(píng)估試驗(yàn)，試驗(yàn)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(jí)跳閘屬于供電系統(tǒng)的安全隱患，必須查找原因并及時(shí)處理。文中針對(duì)此次越級(jí)跳閘故障，通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，還原越級(jí)跳閘事件邏輯，為饋線整定值和變壓器后備保護(hù)定值相互配合提供相關(guān)技術(shù)支撐。

1 變電所保護(hù)配置

1.1 短路故障邏輯時(shí)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(hù)配置見表1。

表1 全并聯(lián)2×25 kV AT 供電保護(hù)配置

1.2 牽引變壓器后備保護(hù)

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

圖1 牽引變壓器后備保護(hù)電量接線圖

低壓側(cè)過流保護(hù)是跳開出現(xiàn)過流相的斷路器。為提高可靠性選擇低壓?jiǎn)?dòng)功能，此低壓?jiǎn)?dòng)和高壓側(cè)過流保護(hù)的低壓?jiǎn)?dòng)共用一個(gè)定值，只是時(shí)間定值有所區(qū)別，如圖2 所示。

圖2 變壓器后備保護(hù)低壓?jiǎn)?dòng)過流保護(hù)邏輯

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

2 越級(jí)跳閘全過程數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步分析發(fā)生越級(jí)跳閘故障原因，對(duì)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(jìn)行了實(shí)時(shí)同步測(cè)試，測(cè)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(gè)過程的動(dòng)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(hù)裝置、故障測(cè)距裝置、變壓器后備保護(hù)裝置均給出相應(yīng)的報(bào)文。

故障測(cè)距裝置：下行/FR 故障/電流比原理。變壓器后備保護(hù)裝置：β相過流跳閘。饋線保護(hù)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(gè)短路故障整體可以劃分為4 個(gè)階段。第1 階段（T1～T2）：共計(jì)151 ms；第2階段（T2～T3）：共計(jì)149 ms；第3 階段（T3～T4）：共計(jì)49 ms。第4 階段（T4～T5）：共計(jì)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(hù)裝置啟動(dòng)到出口需要經(jīng)過3個(gè)步驟的處理，此過程用時(shí)再加上饋線保護(hù)時(shí)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(shí)從圖5（c）、圖5（d）可以看出，低壓?jiǎn)?dòng)過電流已經(jīng)滿足啟動(dòng)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(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由非故障側(cè)上行供電至下行，上行饋線保護(hù)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(shí)刻，牽引變壓器后備保護(hù)裝置低壓?jiǎn)?dòng)過流保護(hù)滿足圖2 邏輯并啟動(dòng)，如果時(shí)限達(dá)到要求就出口，由圖2 可知低壓?jiǎn)?dòng)過電流分析處理時(shí)限約50 ms 加上保護(hù)時(shí)間定值300 ms，時(shí)限總過程約為350 ms 完成跳閘過程，但是在T3時(shí)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?jiǎn)?dòng)過電流邏輯在T3時(shí)刻故障電流消失后不到出口時(shí)限要求，低壓?jiǎn)?dòng)過電流應(yīng)該返回。但是和圖2邏輯類似，保護(hù)返回也需要經(jīng)過3 個(gè)步驟的處理方可返回，處理保護(hù)返回時(shí)間也大約為50 ms，就因處理此保護(hù)返回時(shí)間差和T1～T3時(shí)間總時(shí)長(zhǎng)正好達(dá)到了出口時(shí)間，故在T4時(shí)刻低壓側(cè)斷路器出口跳閘，更確切地說應(yīng)該在T4時(shí)刻前（圖6 中紅色箭頭時(shí)刻），斷路器已經(jīng)跳閘動(dòng)作但是由于重燃斷路器彈跳，直到T4時(shí)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?yàn)檫@是上下級(jí)保護(hù)定值設(shè)置不匹配導(dǎo)致的。

第4 階段T4～T5時(shí)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(shí)刻前（圖6 中紅色箭頭時(shí)刻），此過程涉及斷路器彈跳重燃，直到T5時(shí)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(jí)跳閘機(jī)理解釋

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

假設(shè)1：如果上行饋線保護(hù)定值設(shè)置合理在第1 階段跳閘就不會(huì)發(fā)生此次越級(jí)跳閘，跳閘邏輯會(huì)按照定值及時(shí)限要求逐步進(jìn)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(shí)別，也會(huì)避免此次越級(jí)跳閘。

假設(shè)3：如果設(shè)置低壓側(cè)低壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限大于0.3 s 的定值，避開因系統(tǒng)處理引起的時(shí)間差，也會(huì)避免此次越級(jí)跳閘。

假設(shè)4：如果AT 所和分區(qū)所失壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)限設(shè)置為0.1 s 或者0.2 s，及時(shí)跳開下行故障，也會(huì)避免此次越級(jí)跳閘。

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

按照《導(dǎo)則》要求對(duì)饋線I 段距離保護(hù)電抗定值是按照式（1）保護(hù)正常供電線路全長(zhǎng)進(jìn)行整定：

式中：Kk為可靠系數(shù)，取1.2；L0為供電線長(zhǎng)度，km；x0，F(xiàn)為F 供電線單位電抗，Ω/km；L1為接觸網(wǎng)長(zhǎng)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(shí)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(jìn)行，上下行不全部跳開，故此時(shí)出現(xiàn)了設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)定值、《導(dǎo)則》、工程實(shí)踐之間的一個(gè)矛盾，存在設(shè)計(jì)定值保護(hù)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(jìn)行整定，實(shí)際新建線路F 線的單位電抗、F 供電線單位電抗和設(shè)計(jì)值出入較大，如果單位電抗設(shè)計(jì)值較小而實(shí)際值偏大，按照《導(dǎo)則》計(jì)算的阻抗I 段四邊形在距離靠近變電所某個(gè)位置就出現(xiàn)了“盲區(qū)”的邊界條件，有一小段距離是保護(hù)不到的。

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

圖7 饋線保護(hù)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(jì)并沒有考慮互感之影響，根據(jù)式（1）可知，同一位置故障時(shí)，第1 階段和第2 階段上行迂回至短路故障點(diǎn)的電抗值并不會(huì)發(fā)生變化，如果下行故障點(diǎn)距離變電所位置為L(zhǎng)km，其上行迂回至短路故障點(diǎn)最大電抗計(jì)算值為式（2），其下行至短路故障點(diǎn)最大電抗計(jì)算值為式（3）：

而實(shí)際工程中同一位置距離變電所L處近端短路故障時(shí)，阻抗發(fā)生了動(dòng)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(diǎn)的阻抗距離保護(hù)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(diǎn)的阻抗距離保護(hù)出口，阻抗值落在了阻抗四邊形的里面，如圖7 中藍(lán)色部分Z上第2階段。正常AT 全并聯(lián)供電時(shí)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(diǎn)的阻抗計(jì)算如圖7 中黑色部分Z上。此情況形成的盲區(qū)現(xiàn)象，會(huì)不同程度存在，得多加防范。

由此可見，此次短路越級(jí)故障是對(duì)此類饋線保護(hù)“盲區(qū)”及文中4 個(gè)假設(shè)的一個(gè)綜合體現(xiàn)，同時(shí)是對(duì)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(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試工程驗(yàn)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(yàn)，通過試驗(yàn)來修正設(shè)計(jì)給出的定值。

（2）為了避開饋線距離保護(hù)“盲區(qū)”，此時(shí)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(shí)，可參考假設(shè)4 中方案減小AT 所和分區(qū)所失壓保護(hù)動(dòng)作時(shí)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?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限定值。

（3）增加故障智能識(shí)別功能，可有效降低此類故障的發(fā)生。

4 結(jié) 論

通過對(duì)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)某變電所短路故障引起的越級(jí)跳閘進(jìn)行深度挖掘及詳細(xì)分析，重現(xiàn)了此次故障發(fā)生的全過程，找出了越級(jí)跳閘的真正原因，提出了解決此種情況下防止越級(jí)跳閘的方案，文中的研究?jī)?nèi)容為日后定值設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)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(jià)值。