趙麒

（國(guó)能黃大鐵路有限責(zé)任公司，山東 東營(yíng) 257000）

0 引言

黃大鐵路全長(zhǎng)216.8km，是列入國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》和《推進(jìn)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整三年行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020年）》的重點(diǎn)項(xiàng)目，為國(guó)家Ⅰ級(jí)、單線電氣化重載鐵路，設(shè)計(jì)年運(yùn)量近期3 197萬(wàn)t、遠(yuǎn)期4 752萬(wàn)t。管內(nèi)運(yùn)行的電力機(jī)車主要為SS4型交直流機(jī)車、HXD1型“神華號(hào)”8軸大功率電力機(jī)車。電氣化鐵路具有運(yùn)輸能力強(qiáng)、運(yùn)輸成本低、資源綜合利用率高、節(jié)能環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；但因接觸網(wǎng)設(shè)備露天布置，又無(wú)備用，設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量受外部環(huán)境影響大，每年都會(huì)發(fā)生多起跳閘事件，中斷供電影響鐵路行車[1]。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，絕大多數(shù)接觸網(wǎng)跳閘都是接地短路性質(zhì)的跳閘，因此模擬接觸網(wǎng)對(duì)地短路故障進(jìn)行短路試驗(yàn)，準(zhǔn)確掌握接觸網(wǎng)單位電抗值等主要參數(shù)，可以更加準(zhǔn)確地進(jìn)行保護(hù)定值的設(shè)定和故標(biāo)參數(shù)設(shè)置，對(duì)接觸網(wǎng)故障點(diǎn)的準(zhǔn)確分析、判斷具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 故障測(cè)距原理

1.1 常用的故障測(cè)距原理

目前國(guó)內(nèi)電氣化鐵路常用的故障測(cè)距原理有三種，分別為：阻抗法、故障分析法、行波法。阻抗法是利用故障時(shí)測(cè)量到的工頻電壓和電流量來(lái)計(jì)算回路的阻抗值，同時(shí)基于線路長(zhǎng)度與阻抗值成正比的原理求出測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離。故障分析法是利用故障時(shí)記錄到的電壓和電流值對(duì)故障進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)時(shí)求出測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離。行波法是根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路故障測(cè)距的方法[2]。

1.2 單線鐵路直供加回流線供電方式故障測(cè)距原理

一般情況下，單線鐵路直供加回流線供電方式下故障測(cè)距采用阻抗法，裝置原理接線如圖1所示。

在接觸網(wǎng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路阻抗Zk=Rk+jXk。其中，電阻值Rk隨著線路長(zhǎng)度的變化和故障點(diǎn)過(guò)渡電阻的存在，影響故障測(cè)距的準(zhǔn)確性。而電抗值Xk與接觸網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、鋼軌、大地等因素有關(guān)，基本上不受運(yùn)行方式、故障電流大小及其他隨機(jī)因素的影響[3]。因此，為提高故障測(cè)距的精度，現(xiàn)在的鐵路饋線保護(hù)均采用短路電抗值Xk換算故障點(diǎn)距離Lk。

當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，故障測(cè)距裝置經(jīng)電壓互感器TV測(cè)量線路電壓Uk，經(jīng)電流互感器TA測(cè)量短路電流Ik，經(jīng)故障測(cè)距裝置計(jì)算得出故障點(diǎn)的電抗值和接觸網(wǎng)的單位電抗值相比進(jìn)行測(cè)距[4]。電抗值計(jì)算公式為：

式（1）中：Xk為根據(jù)故障時(shí)測(cè)量到的電壓、電流計(jì)算出的電抗值（Ω）；imag為所取比值的虛部。

用故障時(shí)測(cè)量得到的電抗值Xk與接觸網(wǎng)的單位電抗值X可計(jì)算故障距離Lk。計(jì)算公式為：

2 黃大鐵路接觸網(wǎng)短路試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為驗(yàn)證黃大鐵路變電所饋線保護(hù)裝置各類型保護(hù)整定值的準(zhǔn)確性，確保發(fā)生故障時(shí)保護(hù)裝置能快速切除故障，精確定位故障區(qū)域，有利于快速地減少對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊憽?/p>

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

測(cè)試接觸網(wǎng)對(duì)地短路故障時(shí)測(cè)量點(diǎn)至故障點(diǎn)的電流、電壓、距離、電抗值、電阻值、阻抗角等參數(shù)，驗(yàn)證饋線保護(hù)測(cè)控裝置中各保護(hù)時(shí)限邏輯是否符合相關(guān)規(guī)定和要求，并記錄波形[5]。

2.3 試驗(yàn)方法

（1）在線路上將接觸網(wǎng)腕臂與鋼軌短接形成短路點(diǎn)，從變電所閉合饋線斷路器，形成接地短路跳閘。

（2）接線方法：在接觸網(wǎng)斜腕臂上連接配套的定位環(huán)，將1根銅低壓電纜（1kV，240mm2）一端通過(guò)設(shè)備線夾連接在定位環(huán)上，另一端與接線板連接，接線板出線端通過(guò)8根銅低壓電纜（1kV，70mm2）分別與鋼軌連接（鋼軌接地點(diǎn)采用接地靴連接），左右軌各接4處。

（3）連接順序?yàn)椋航佑|網(wǎng)斜腕臂（定位環(huán)）+1根銅低壓電纜（1kV，240mm2）+1塊接線板+8根銅低壓電纜（1kV，70mm2）+鋼軌（接地靴）。

2.4 試驗(yàn)地點(diǎn)

黃大鐵路李貝孫牽引變電所211饋線，區(qū)間短路點(diǎn)設(shè)置3處，具體位置見表1。

表1 區(qū)間短路點(diǎn)位置

3 數(shù)據(jù)分析

李貝孫變電接觸網(wǎng)短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 接觸網(wǎng)短路試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)式（2）可以分別計(jì)算出供電線上網(wǎng)點(diǎn)至3處短路點(diǎn)的接觸線單位電抗。海興南至碣石山338#：

漳衛(wèi)新河大橋71#：

賈象至海興南282#：

4 黃大鐵路饋線故障測(cè)距計(jì)算

4.1 電抗定值計(jì)算

按照《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》相關(guān)要求，單線直接供電方式饋線電抗定值一般采用公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式（3）中：Kk為可靠系數(shù)，一般取1.5；L0為供電線長(zhǎng)度（km）；x0為供電線單位電抗（Ω/km）；L1為接觸網(wǎng)長(zhǎng)度（km）；x1為接觸網(wǎng)單位電抗（Ω/km）；nCT為電流互感器變比；nPT為電壓互感器變比。為保證近變電所線路故障斷路器可靠跳閘，電抗定值的一次值一般不應(yīng)小于2Ω。

4.2 黃大鐵路饋線故障測(cè)距定值計(jì)算

黃大鐵路全線共設(shè)置5座牽引變電所，分別為黃驊南、李貝孫、程井、油郭、羊口牽引變電所。其中，黃驊南變電所為1條供電臂，其余4座變電所為2條供電臂。

黃大鐵路饋線保護(hù)采用國(guó)電南自WXB-65A微機(jī)饋線保護(hù)測(cè)控裝置，沒(méi)有獨(dú)立的故障測(cè)距裝置，為提高故障測(cè)距精度，采用分段線性化電抗逼近法原理測(cè)距[6]。整定時(shí)要求輸入線路分區(qū)段點(diǎn)數(shù)、各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的線路一次電抗值及該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的公里數(shù)。例如線路分六個(gè)線性區(qū)段，則線路分區(qū)段點(diǎn)數(shù)應(yīng)整定為7，接下來(lái)為起始點(diǎn)數(shù)據(jù)，其次為第二點(diǎn)數(shù)據(jù)，之后為第三點(diǎn)數(shù)據(jù)，所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)都是指該點(diǎn)到斷路器出口處的總電抗值和總公里數(shù)。裝置可適用于最多分為20段的饋線，裝置原理簡(jiǎn)圖見圖2。

以程井牽引變電所饋線故障測(cè)距定值計(jì)算為例進(jìn)行分析。程井牽引變電所兩條饋線分別為211饋線向大家洼方向送電，213饋線向黃驊南方向送電。

首先，計(jì)算時(shí)根據(jù)供電線、站場(chǎng)、路基、橋梁等特點(diǎn)將供電臂劃分為不同阻抗的線性區(qū)段。

211饋線可劃為起點(diǎn)（0km）、供電線（0.105km）、上網(wǎng)點(diǎn)～濱城區(qū)間路基段（8.07km）、濱城站（2.961km）、濱城～利津區(qū)間橋梁段（5.7km）、濱城～利津區(qū)間路基段（6.142km），總計(jì)22.978km。

213饋線可劃為起點(diǎn)（0km）、供電線（0.175km）、上網(wǎng)點(diǎn)～沾化西區(qū)間路基段（10.636km）、沾化西站（2.064km）、沾化西～無(wú)棣北區(qū)間路基第1段（4.507km）、沾化西～無(wú)棣北區(qū)間橋梁段（1.989km）、沾化西～無(wú)棣北區(qū)間路基第2段（7.87km），總計(jì)27.241km。

黃大鐵路供電線型號(hào)為L(zhǎng)BGLJ-240，正線接觸線型號(hào)為CTAH120，側(cè)線接觸線型號(hào)為CTAH85。設(shè)計(jì)院原始定值中接觸網(wǎng)單位電抗為0.397Ω/km，黃大鐵路公司、設(shè)計(jì)院、施工單位、監(jiān)理單位技術(shù)人員根據(jù)短路試驗(yàn)得到的參數(shù)進(jìn)行綜合分析，一致認(rèn)為站場(chǎng)、橋梁及路基對(duì)接觸網(wǎng)單位電抗的影響是不同的。結(jié)合運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)確定不同線路條件下的接觸網(wǎng)單位電抗值：供 電 線0.47Ω/km；路 基 段0.377Ω/km；橋 梁 段0.333Ω/km；3股道站場(chǎng)0.180Ω/km；6股道及以上站場(chǎng)0.100Ω/km；阻抗角一般選擇為65°～71°左右，與機(jī)車功率因數(shù)角相差較大，能有效避免保護(hù)裝置誤動(dòng)作[7]。

將計(jì)算后的213饋線距離、單位電抗、區(qū)段電抗、整定距離、整定電抗等數(shù)據(jù)列入定值整定表中（表3），同理將211饋線進(jìn)行計(jì)算，形成程井變電所供電范圍內(nèi)接觸網(wǎng)故障測(cè)距定值表。用同樣的計(jì)算方法分別對(duì)4座變電所8條供電臂逐個(gè)進(jìn)行計(jì)算，完成黃大鐵路接觸網(wǎng)故障測(cè)距定值的計(jì)算。

表3 程井變電所213饋線故標(biāo)整定表

5 黃大鐵路饋線故障案例分析

5.1 案例一

2021年02月28日18時(shí)14分49秒，程井變電所213斷路器阻抗Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合閘保護(hù)啟動(dòng)，18時(shí)14分51秒，213斷路器過(guò)電流后加速保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合閘失敗。巡視變電所213饋線相關(guān)設(shè)備正常后，18時(shí)28分試送213斷路器，18時(shí)28分36秒阻抗Ⅰ段、高阻接地Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘。

第一次故障跳閘報(bào)告數(shù)據(jù)：故障距離=24.81km，線路阻抗角=67.305°，一次電阻=3.712Ω，一次電抗=8.876Ω，饋線電流=1631.357A，饋線電壓=15694.594V。

重合閘失敗跳閘報(bào)告數(shù)據(jù)：故障距離=21.632km，線路阻抗角=68.661°，一次電阻=2.999Ω，一次電抗=7.677Ω，饋線電流=1728.031A，饋線電壓=14243.299V。

供電調(diào)度試送失敗跳閘報(bào)告數(shù)據(jù)：故障距離=24.945km，線路阻抗角=67.321°，一次電阻=3.730Ω，一次電抗=8.926Ω，饋線電流=1627.219A，饋線電壓=15742.528V。

實(shí)際故障地點(diǎn)為無(wú)棣北至沾化西區(qū)間168號(hào)支柱（K77+169）上鳥窩，通過(guò)斜腕臂絕緣子與支柱搭接，造成接地跳閘，實(shí)際故障地點(diǎn)距離上網(wǎng)點(diǎn)25.392km，與3次故障跳閘測(cè)距分別相差0.582km、3.760km、0.447km。

5.2 案例二

2022年1月28日9時(shí)51分00秒羊口變電所213斷路器阻抗Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘，重合閘保護(hù)成功。

故障跳閘報(bào)告數(shù)據(jù)：故障距離=13.879km，線路阻抗角=69.446°，一次電阻=1.965Ω，一次電抗=5.242Ω，饋線電流=2144.024A，饋線電壓=12002.108V。

相關(guān)接觸網(wǎng)班組步行巡視未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，通過(guò)天窗平臺(tái)巡檢發(fā)現(xiàn)丁莊至羊口區(qū)間173號(hào)支柱（K183+200）斜腕臂有放電痕跡，同時(shí)在附近農(nóng)田找到一塊約3m長(zhǎng)、1m寬的塑料布，塑料布上也有放電痕跡，當(dāng)日天氣為大風(fēng)，據(jù)此分析跳閘原因?yàn)樗芰喜脊卧诮佑|網(wǎng)上并與支柱搭接，造成接地跳閘，實(shí)際故障地點(diǎn)距離上網(wǎng)點(diǎn)12.015km，與故障跳閘測(cè)距相差1.864km。

通過(guò)兩次案例可以看出，黃大鐵路饋線故障測(cè)距指示還存在一定的誤差，如果按設(shè)計(jì)院選取的接觸網(wǎng)單位電抗值進(jìn)行整定，誤差會(huì)更大，說(shuō)明此次短路試驗(yàn)是必要的。運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)表明，影響故障測(cè)距準(zhǔn)確性的主要因素為接觸網(wǎng)線路的單位電抗值，黃大鐵路路基段的土壤電導(dǎo)率存在較大差異，從而導(dǎo)致接觸網(wǎng)單位電抗值存在差異，只有不斷通過(guò)運(yùn)行中跳閘的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，才能更加精確定位故障點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，掌握黃大鐵路牽引變電所饋線保護(hù)故障測(cè)距的原理、計(jì)算方法、整定和校驗(yàn)方法，對(duì)運(yùn)行中接觸網(wǎng)跳閘參數(shù)進(jìn)行分析，找出產(chǎn)生誤差的原因，采取可行的計(jì)算方法縮小誤差，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，對(duì)指導(dǎo)供電專業(yè)作業(yè)人員迅速查找故障、縮短故障延時(shí)、提高黃大鐵路牽引供電可靠性和運(yùn)輸安全暢通具有重要意義。