牵引供电系统相间短路分析及保护设置

2011-05-04王汉兵

铁道机车车辆 2011年6期

王汉兵

（郑州铁路局郑州供电段，河南郑州450005）

京广、陇海铁路干线，接触网分相装置普遍采用关节式电分相。由于关节式电分相仅有两个500mm的空气间隙，拉弧距离短，运行中经常发生相间短路故障。相间短路时，变电所馈线保护不能可靠动作，经常造成接触网烧伤，一旦接触网分相断线，抢修十分困难。为防止相间短路保护装置拒动，对铁路局管内多起相间短路故障进行分析，对馈线综合自动化保护的设置及整定计算进行了有益的探讨和实践，取得了良好的效果。

1 典型相间短路事故分析

相间短路故障案例。

2006年9月27日13：03商丘变电所2＃、1＃馈线212、211断路器相继跳闸，212重合成功，211重合失败。

（1）保护动作情况

13：03：14.713，212保护启动，13：03：14.868，212阻抗Ⅰ段保护动作，故障测距为3.23km，电阻＝42.98Ω，电抗＝－4.212Ω，上行馈线电压＝92.51V，下行馈线电压＝92.33V，馈线电流＝2.141A（压互变比27.5／0.1kV；流互变比1 000／1A）。

13：03：15.023，211阻抗Ⅰ段保护动作，故障测距为0.09km，电阻＝57.5Ω，电抗＝－0.122 6Ω，上行馈线电压＝94.21V，下行馈线电压＝94.15V，馈线电流＝1.64 A（压互变比27.5／0.1kV；流互变比1 000／1A）。

（2）事故原因分析

从212、211保护动作报告和事件记录看，212、211跳闸时，SS4432机车牵引的26050次列车正从商丘客场往东通过，应该是该机车引起2＃～4＃馈线相间短路故障。

相间短路时，阻抗保护测量的阻抗角发生变化，其中3＃、4＃馈线为滞后相馈线，214阻抗保护测量的阻抗角在第二象限未启动，当212阻抗Ⅰ段跳闸后，211通过铁路局界分区亭271和214构成环形相间短路，局界分区亭271阻抗保护阻抗角同样发生变化未启动，211阻抗Ⅰ段可以启动并跳闸。

相间短路时，馈线保护测控装置测量的阻抗角发生变化，故测仪指示发生较大偏差。商丘变电所距分相实际距离为1.8km，而本次跳闸馈线故障测距分别为3.23km和0.09km。

从短路故障案例可以看到，变电所发生相间短路故障时，具有馈线短路电流与接触网近端对地短路电流持平或略小，短路时母线最低电压高达20kV以上，短路阻抗角在0°附近的故障特征。

2 关节式相间短路原因分析

通过对大量的相间短路故障分析，归纳起来相间短路故障的原因主要有以下2种。

（1）机车带负荷过分相造成相间短路

商丘变电所开通初期，变电所上行分相曾多次发生相间短路故障，从跳闸时刻看，均为D84次连挂动车组通过分相时引起。部分相间短路进行了现场录像，从录像上看，D84次列车后弓通过分相第1个断口时产生持续电弧，电弧持续至后弓通过分相第2个断口时引起相间短路。

事实表明，司机误操作、自动过分相装置失灵造成机车带负荷过分相是造成相间短路的最主要原因。

（2）多机连挂升弓造成相间短路

关节式分相断口少中性区有效距离短对相间短路的统计分析表明，多机联挂升多弓是造成相间短路的另外一个原因。

3 相间短路馈线保护分析

3.1 变电所分区亭馈线保护现状

铁路局管内电气化铁道全部为复线，分区亭一般实行上下行并联供电，接触网馈线一般设阻抗保护为主保护，设电流速断保护或过流保护为后备保护。

阻抗保护一般采用偏移平行四边形或方向阻抗四边形特性，阻抗保护的整定主要是对电抗边和电阻边进行整定。

电流速断保护一般按供电臂末端最大短路电流整定。

过流保护一般按最大负荷电流整定。

随着电气化铁路6次大提速，接触网分相装置逐步改为关节式电分相，相间短路故障不断增多，给馈线保护带来了严峻的挑战。

（1）变电所相间短路时，一般引前相馈线阻抗Ⅰ段保护首先动作跳闸，跳闸后相间短路将通过分区亭转化为环形短路，分区亭靠过流保护动作跳闸后故障消失。如果变电所两侧馈线断路器同时跳闸，相间短路将通过两侧分区亭转化为大环形短路，此时短路电流很小，保护可能全部拒动，分相线索烧伤将加重。以上情况，实际运行中都有发生，变电所相间短路时，馈线断路器多台同时跳闸的现象均出现过，给运输生产和设备安全带来很大危害。

（2）变电所相间短路时，当馈线过流保护为低压过流保护，且引前相馈线阻抗保护不能动作，将出现变电所全部保护拒动，要么相间短路发展为弧光接地短路，要么将分相线索烧断转换为接地短路。

（3）分区亭或开闭所发生相间短路时，馈线阻抗、过流保护也存在不能可靠动作现象，相间短路缺乏有效保护，相间短路主要靠自然灭弧，一旦长时间不能灭弧，有烧断分相线索的可能。

3.2 牵引供电系统相间短路向量分析

（1）变电所相间短路

目前，郑州供电段主变压器接线方式主要有Yn，d11、V／V及斯科特等几种，变电所分相两侧电压存在60°或90°相位差。

变电所相间短路向量示意图见图1。

从图1中可见，Ua超前Ub相位角60°或90°，Ua为引前相，Ub为滞后相。两相相差60°时，接触网相间额定电压ab等于27.5kV 两相相差90°时接触网相间额定电压Uab等于38.9kV。

图1 变电所相间短路向量示意图

当变电所距分相较近时，ab相接触网短路阻抗主要由电弧电阻构成，电压Uq较小，a相测量短路阻抗角φa约为几度，位于第四象限，b相测量短路阻抗角φb约为160°多，位于第二象限。当变电所距分相较远时，ab相接触网短路阻抗由两相接触网阻抗和电弧电阻共同组成，电压Uq增高，a相测量短路阻抗角φa可进入第一象限，一般不大于5°，b相测量短路阻抗角φb可小于160°。

引前相测量短路阻抗角在0°附近，一般位于第四象限，滞后相测量短路阻抗角在160°附近，一般位于第二象限。引前相测量电压比滞后相测量电压要高，两相相差60°时，引前相测量电压高达23.8kV以上，两相相差90°时，引前相测量电压高达19.4kV（55kV侧为38.9kV）以上。

（2）分区亭或开闭所相间短路

目前，郑州供电段有9个分区亭或开闭所分相两侧电压存在相位差，因主变压器接线方式不同，相位差有15°，30°，45°，60°等多种。

分区亭或开闭所相间短路向量示意图见图2。

从图2中可见，Ua超前Ub相位角30°或60°，Ua为引前相，Ub为滞后相。两相相差30°时，相间额定电压ab等于14.2kV 两相相差60°时相间额定电压ab等于27.5kV。

图2 分区亭或开闭所相间短路向量示意图

当变电所相间短路转换成通过分区亭环形相间短路时，与分区亭相间短路类似，ab相接触网短路阻抗主要由同侧上下行接触网阻抗构成，电压Uq更高，由于上下行接触网阻抗基本相等，分区亭测量短路阻抗角φfk约为－15°～－20°或＋165°～＋160°。此时，变电所测量短路阻抗角φa可进入第一象限，一般不大于5°，变电所测量短路阻抗角φb减小，一般不小于140°。由于分区亭两侧阻抗保护特性对称，变电所上下行相间短路两侧分区亭测量阻抗均可按第四象限考虑。变电所两相相差60°时，分区亭测量电压约为23.8kV，两相相差90°时，分区亭测量电压约为19.4kV。

当分区亭相间短路时，两变电所间ab相接触网短路阻抗主要由两侧上下行并联接触网阻抗构成，电压Uq也较高，由于两侧接触网阻抗不一定相等，分区亭测量短路阻抗角φfk较－15°～－20°或＋165°～＋160°有较大变化。同样，分区亭上下行相间短路测量阻抗可按第四象限考虑。两侧变电所相位角相差越大，分区亭测量电压越低。由于分区亭相间短路时，分区亭并联断路器流过的短路电流仅为两变电所间相间短路电流的二分之一，测量阻抗更大。

开闭所馈线与变电所馈线间相间短路时，ab相接触网短路阻抗主要由开闭所进线及两侧馈线接触网阻抗构成，电压Uq同样较高，由于开闭所两侧阻抗不一定相等，开闭所测量短路阻抗角φfk较－15°～－20°或＋165°～＋160°有较大变化。当开闭所位于超前相一侧时，开闭所测量阻抗在第四象限，当开闭所位于滞后相一侧时，开闭所测量阻抗在第二象限，两侧变电所相位角相差越大开闭所测量电压越低。

3.3 牵引供电系统相间短路保护响应分析

当馈线发生相间短路时，由于测量电压不是两相短路电压导致测量阻抗偏大，以及电流与电压的相位角发生改变，馈线保护响应特性发生了很大变化。

常规设置馈线阻抗保护相间短路的响应特性见图3。

图3 常规设置阻抗保护相间短路的响应特性图

变电所发生相间短路时，变电所Ua引前相短路阻抗如图2中1区，一般在阻抗一段保护动作区能动作跳闸，引前相馈线跳闸后相间短路将通过分区亭转化为环形短路，环形短路电流一般在1 000A以上，此时变电所、分区亭馈线短路阻抗如图2中2、2′区，分区亭靠过流保护动作跳闸后故障消失。当机车负荷较重、负荷阻抗角偏大致使阻抗保护R边整定值较小时，以及偏移平行四边形阻抗保护偏移电抗较小或方向阻抗四边形阻抗保护容性阻抗偏移角较小时，阻抗一段保护均可能拒动。如果变电所引前相馈线断路器不能首先跳闸，两侧馈线断路器由电流速断或过流同时跳闸，相间短路将通过两侧分区亭转化为大环形短路，此时短路电流只有500A或600A，变电所、分区亭保护可能全部拒动。Ub滞后相短路阻抗如图2中1′区，不在阻抗保护动作方向不能动作跳闸。两侧馈线电流速断保护一般能动作跳闸，过流保护均能动作跳闸，低压过流保护因测量电压高不能动作跳闸。

分区亭相间短路时，由于分区亭并联断路器流过的短路电流小，测量电压高，短路阻抗较大，以及电流与电压的相位角发生改变，变电所、分区亭馈线阻抗、过流保护均不能可靠动作。

开闭所馈线与变电所馈线间相间短路时，同样存在短路电流小，测量电压高，短路阻抗大的问题，当开闭所位于滞后相一侧时，开闭所测量阻抗在第二象限，不在保护动作方向，当开闭所位于超前相一侧时，测量阻抗虽在第四象限，但超出保护动作区，开闭所馈线阻抗、过流保护均不能可靠动作。

4 相间短路馈线保护设置及整定计算

根据以上分析，对郑州供电段变电所、分区亭或开闭所相间短路馈线保护进行了全面的分析探讨和整定计算，通过实践不断改进完善，取得了良好的效果。

4.1 变电所相间短路馈线保护设置及整定计算

经过分析探索，确定了复线区段变电所相间短路保护整定原则为：

阻抗保护作为相间短路的主保护，过流保护作为后备保护，电流增量保护作为辅助保护。

当变电所相间短路时，引前相保护首先动作跳闸，跳闸后故障转换为半环形相间短路，之后分区亭保护动作跳闸。当两变电所相间短路时，分区亭保护首先动作跳闸，跳闸后故障由两变电所间复线相间短路转换为两变电所间单线相间短路，之后变电所引前相或滞后相相间短路专用阻抗保护动作跳闸。

（1）阻抗保护

根据相间短路测量阻抗分布范围及角度特征，主要采取以下办法：

① 在机车负荷阻抗角较大的区段，当阻抗一段X边较小时，适当放大一段R边定值，阻抗一、二段保护整定成“L”形横长特性，但整定计算时应保证阻抗一段四边形右上角满足最大负荷要求。

② 加大偏移平行四边形偏移电抗，加大方向阻抗四边形容性阻抗偏移角。

③ 引前相设置相间短路专用阻抗Ⅲ段保护，作为变电所相间短路或两变电所间相间短路的主保护，同时可作为变电所环形相间短路的后备保护。整定时X边取最低值或对第一象限的覆盖角小于5°，R边按变电所环形短路或两变电所间相间短路测量阻抗的1.3～1.5倍整定，容性阻抗偏移角φ2或偏移电抗对测量阻抗的覆盖角不小于20°。整定时X边、R边不能过大，以防止交直交机车负荷造成误动。

④ 当两变电所间相位差较小时，两变电所相间短路电流较小，引前相相间短路专用阻抗Ⅲ段保护将难以保持。此时，可考虑在两变电所间滞后相馈线保护中设置阻抗保护，当阻抗保护为偏移平行四边形时，可在阻抗二段保护第二象限设置相间短路专用保护区；当阻抗保护为方向阻抗四边形时，可设置反向相间短路专用阻抗Ⅲ段保护，用以保护两变电所间相间短路。反向相间短路专用阻抗Ⅲ段保护的容性阻抗偏移角φ2不小于40°。整定反向专用阻抗Ⅲ段保护R边及阻抗Ⅱ段保护第四象限－R边时，整定值不能太大，否则有可能因再生制动负荷造成保护误动，一般再生制动负荷电流不超过500A。

专用阻抗段保护考虑与分区亭保护配合延时一般取0.4s。

改进设置馈线阻抗保护相间短路的响应特性见图4。

图4 改进设置阻抗保护相间短路的响应特性图

变电所相间及环形相间短路阻抗保护27.5kV侧最大测量阻抗Za＇（Zb＇）计算及相间短路专用阻抗Ⅲ段保护整定计算：

相间电压（作为基准）：Uab＝Ua－Ub＝2×27.5×

测量电压：U′a＝Ua－Id×jXa＝27.5×sinφ－2 j（27.5×）－Id×jXa

测量电压：Ub′＝Ub＋Id×jXb＝

最大测量阻抗：

变电所相间短路时：

V／V接线变电所：

Yn，d11接线变电所：

斯科特接线变电所：

两变电所相间短路时，阻抗保护27.5kV侧最大测量阻抗Za＇（Zb＇）根据两变电所具体接线形式及相位角进行计算。

其中：φ为分相间相位角；Z为27.5kV侧最大短路阻抗（忽略弧阻抗），Z＝Za＋Zb；Za为27.5kV侧引前相最大短路阻抗，Za＝Xa＋Zqa；Zb为27.5kV侧滞后相最大短路阻抗，Zb＝Xb＋Zqb；Xa为27.5kV侧引前相系统及主变最大电抗；Xb为27.5kV侧滞后相系统及主变最大电抗；Zqa为27.5kV侧引前相牵引网阻抗，Zqa＝Xqa＋Rqa；Zqb为27.5kV侧滞后相牵引网阻抗，Zqb＝Xqb＋Rqb；Zq为环形单相牵引网阻抗（减去上下行互阻抗），Zq＝Xq＋Rq；X1∑为折算至27.5kV 侧的系统最大电抗；Xba为27.5kV侧的变压器引前相电抗；Xbb为27.5kV侧的变压器滞后相电抗；Xb为27.5kV侧的变压器单相电抗；XAT为27.5kV侧自耦变压器电抗；KK为可靠系数，取1.3～1.5；n1为27.5kV侧流互变比；ny为27.5kV侧压互变比。

变电所相间短路时：

V／V接线变电所：Xa＝X1∑＋Xba；Xb＝X1∑＋Xbb

Yn，d11接线变电所：Xa＝Xb＝X1∑＋Xb

斯科特接线变电所：Xa＝Xb＝2X1∑＋Xb＋XAT

两变电所相间短路时：

V／V及斯科特接线：Xa＝Xb＝2 X1∑＋Xb

Yn，d11接线：Xa＝Xb＝2 X1∑＋2 Xb

（2）过流速断保护

复线区段电流速断保护一般按供电臂末端最大短路电流整定，为防止近端大短路电流烧断接触线，延时一般整定0.03s，延时不能再短，否则影响故测仪指示精度。

为防止变电所相间短路时过流速断保护同时跳闸，主要采取以下办法：

① 滞后相采用方向过流速断保护，近端对地短路快速动作跳闸，相间短路时，方向相反，保护可靠不动作。

② 滞后相采用低压启动过流速断保护。UXD为相间短路，Zq＝0时的相对地电压，两相相差60°时，UXD＝23.8kV，两相相差90°时，UXD＝19.4kV（55 kV侧为38.9kV）。KK为可靠系数，取1.2～1.3。

③ 当主变压器接线方式为V／V及斯科特接线时，可调整滞后相过流速断保护定值，使其在相间最大短路电流时不能动作。Id为相间最大短路电流，按以上公式，采用牵引侧系统最小电抗计算。KK为可靠系数，取1.2。

（3）过电流保护

过电流保护一般按最大负荷电流整定，过电流保护最好不要采用低压过流保护，因为当引前相所有保护拒动或断路器拒分时，滞后相只有靠过电流保护跳闸。此时，过电流保护是唯一的后备保护。

为防止相间短路时超前相速断、阻抗一段保护不能可靠动作，造成过电流保护同时跳闸，主要采取引前相过流保护延时比滞后相延时短一个级差，如引前相过流保护延时0.4s，则滞后相过流保护延时0.7s，以确保引前相过流保护首先动作跳闸。

（4）电流增量ΔI（高阻Ⅰ段）保护

当重负荷区段未设置相间短路专用阻抗保护或两变电所间存在相位差时，阻抗、过流保护可能不能很好的保护各种相间短路，此时应设置电流增量保护作为相间短路的辅助保护，电流增量保护动作电流一般按供电范围最大功率单台机车启动电流整定。Iqd为单台机车最大启动电流；KK为可靠系数，取1.2。

目前，有连挂动车组区段，动作电流整定500A，延时1～2s；其他区段，动作电流整定350A，延时1～2s。

4.2 分区亭相间短路馈线保护设置及整定计算

分区亭馈线保护在变电所相间短路时会遇到环形或大环形相间短路，分区亭分相两侧存在相位差时，还会遇到两变电所间相间短路因此分区亭馈线的相间短路保护设置显得尤为重要。

目前，主要选择阻抗、过流保护作为相间短路的主保护，电流增量保护作为辅助保护。阻抗、过流保护延时一般取0.03s，整定0.03s主要是考虑馈线短路时，分区亭首先跳闸切断上下行短路电流，保证变电所故测仪不受上下行互感影响，提高故测仪指示精度。

（1）阻抗保护

设置上、下行相间短路专用阻抗保护，作为环形相间短路保护用，整定时X边取零或最小，R边按环形相间短路测量阻抗的1.3～1.5倍整定，偏移电抗或容性阻抗偏移角对测量阻抗的覆盖角不小于30°。

环形相间短路分区亭最大测量阻抗Zf计算及相间短路专用阻抗保护整定计算。

测量电压：

最大测量阻抗：

V／V接线变电所：

Yn，d11接线变电所：

斯科特接线变电所：环形相间短路分区亭专用阻抗保护整定计算参照变电所的进行。

（2）过电流（或过流速断）保护

过电流（或过流速断）保护按最大负荷电流整定。按环形相间最小短路电流校验灵敏度，灵敏度不小于1.3。

（3）电流增量ΔI（高阻Ⅰ段）保护

考虑分区亭并联断路器在越区供电及高阻接地故障时对变电所测量阻抗的放大作用，分区亭并联断路器具备完善的保护功能非常重要，尤其在分区亭分相两侧存在相位差时，阻抗、过流保护不能可靠动作。因此，设置电流增量保护作为相间短路的辅助保护十分必要，电流增量保护动作电流一般按供电范围最大功率单台机车启动电流整定，并与变电所电流增量保护有时限配合。

目前，动作电流一般整定为300A，延时0.5～1s。

4.3 开闭所相间短路馈线保护设置及整定计算

在铁路枢纽附近常建有开闭所，开闭所馈线与变电所馈线间也存在关节式电分相，分相两侧存在相位差，同样会遇到相间短路问题。开闭所相间短路与分区亭环形短路类似，因此选择阻抗、过流保护作为相间短路的主保护，电流增量保护作为辅助保护。

（1）阻抗保护

一般在有分相连接的馈线设置相间短路专用阻抗Ⅱ段保护，作为开闭所相间短路的主保护。当开闭所位于超前相一侧时，由于开闭所测量阻抗在第四象限，因此按图4变电所Ⅲ段阻抗特性设置阻抗保护；当开闭所位于滞后相一侧时，由于开闭所测量阻抗在第二象限，此时可设置反向相间短路专用阻抗Ⅱ段保护，或在馈线阻抗Ⅰ段保护第二象限设置相间短路动作区，用于保护相间短路。

开闭所设置馈线阻抗保护相间短路的响应特性见图5。