继电保护整定时间与接触线断线的关系

李 冰，刘杰民

0 引言

2007年1月—2010年3月，济南铁路局发生7次因电力机车绝缘不良造成的接触网短路事故，强大的短路电流使接触线温度瞬间升高，接触线迅速软化、机械强度大幅度下降，最终接触线在张力作用下被拉断。

接触线断线故障的发生，不单构成C类事故，带来一定的经济损失，同时，为安全运行埋下严重隐患。一旦有内燃机车通过断线地段，可能会造成更为严重的后果。本文通过研究熔断电流与继电保护整定时间的对应关系，分析接触线断线的机理，针对性地调整继电保护整定值，从而达到防止接触网断线事故的发生。

1 断线电流和时间的对应关系分析

接触线与受电弓接触点存在接触电阻，是整个导电回路中单位电阻最大的环节，当出现机车内部的变压器、电压互感器瞬间击穿或冰雪、大雾天气使车顶绝缘子放电等造成接触网短路时，因通过该接触点的电流瞬间变大，接触线温度迅速上升而发生软化，超出耐受张力时即被拉断。另一种情况，在机车绝缘故障没有排除的情况下，升弓时受电弓与接触线接触前会产生强电弧放电，加剧接触线温升和软化程度，最终在张力作用下被拉断。

根据国际上通用的 ANSYS系统仿真分析软件，银铜合金接触线（CTHA-120）在弓网接触压力为70 N、短路电流为5000 A条件下，接触线中心温度和表面温度与短路电流持续时间的对应关系如图1所示。

图1 接触线温升随时间变化曲线图

由图1可见，短路电流为5000 A、持续0.12 s时，CTHA-120铜银合金接触线在弓网接触部位的温度即可达到“屈服”温度300℃，接触线机械强度会迅速降低，在张力作用下被拉断。事实上，随着短路电流的增加，接触线达到“屈服”温度的时间会进一步缩短。

在该情况下，若要防止接触线被拉断，可采取2种办法：一是减小接触线张力，显然不可取。二是降低接触线温升，保持接触线足够的机械强度。

降低接触线温升取决于2个方面：

（1）弓网接触要可靠，避免产生拉弧放电；弓网接触电阻要尽量小，受电弓滑板尽可能保持平滑、清洁、不得有覆冰，受电弓压力保持正常状态；接触线也要保持清洁，不得有覆冰。

（2）尽量缩短短路电流持续时间，这就必须从继电保护入手，尽量缩短接触网短路保护时间的整定值。

经查阅有关资料，截面100 mm2铜导线熔断电流与持续时间的关系为

式中，Imax为导线熔断电流；tsc为短路电流持续时间。

短路电流的持续时间取决于速断保护整定时间t1、继电保护装置的反应时间t2和断路器本体的跳闸时间t3之和，在采用真空断路器的单相交流系统中，真空断路器本体跳闸时间t3约在20～45 ms（来自产品说明书）。而根据设计院提供的牵引变电所保护定值，济南铁路局各牵引变电所馈线速断保护的整定时间均为0.100 s，保护装置的固有反应时间为0.015 s（来自产品说明书），真空断路器本体分闸时间暂且取上限为0.045 s，因此，短路电流持续时间为tsc= 0.160 s。

由式（1）可得，电流速断时间整定值为0.10 s情况下的熔断电流为7600 A。反言之，若弓网接触良好，接触网可承受7600 A的短路电流，超出该临界值就有可能造成断线。依次类推，可得出电流速断时间整定值分别为0.00，0.02，0.04，0.06，0.08 s秒情况下的熔断电流值（见表1）。

表1 速断保护整定时间与导线允许承受的短路电流表

由表1可以看出，熔断电流的大小与电流持续时间成反比，也就是说，短路电流作用时间越长越容易造成短路点的接触线熔断，

通过对济南铁路局2007年1月—2010年3月间发生的7件接触线断线情况的分析，接触网短路时短路电流已超出导线不熔断条件的耐受时间，从而导致接触网断线事故频繁发生。

2 调整继电保护整定时间的防断线措施

从以上分析可以看出，将各牵引变电所馈线速断保护的整定时间调整到0.05 s以下，可以缩短接触线对短路电流的持续时间，有助于减少接触线断线事故的发生。

自2010年3月—12月，济南铁路局将局管内各牵引变电所将馈线速断保护整定时间由0.10 s修改为0.02 s，有效地防止了29次8000 A以上的接触线断线事故。

但由于速断保护整定时间的缩短，改变了牵引变电所与电力机车断路器的跳闸配合关系，增加了接触网跳闸的频次。《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）4.7.16规定：“变电所、开闭所、分区所的保护应与电力机车内部保护相配合，其速断保护应有适当的延时，此延时宜为0.1 s”。那么，为什么要将延时整定为0.10 s呢？经查阅电力机车技术资料，机车主断路器分闸时间一般为20～60 ms，暂且按最大分闸时间60 ms考虑。变电所继电保护装置整定时间要大于0.06 s，才能躲过机车内主断路器的分闸时间，满足选择性跳闸的要求。当电力机车内部发生短路故障时，电力机车和牵引变电所的断路器将同时启动速断保护装置动作，0.06 s后电力机车断路器首先跳闸，而牵引变电所继电保护装置的速断保护装置启动后要持续0.10 s进行确认，在速断保护装置出口动作前，由于短路电流随着电力机车断路器的跳闸而消失，牵引变电所速断保护装置动作自动返回，这样，接触网能够正常供电，避免了对供电臂上其它电力机车的影响。

速断保护整定值修改为0.02 s后，电力机车内部发生短路故障时，牵引变电所断路器和电力机车断路器会同时跳闸，这样，对供电臂上其他运行的电力机车会造成一定影响。

然而，牵引变电所的速断保护装置一般与自动重合闸保护装置配合使用，当速断保护装置跳闸后，经过2 s重合闸装置会自动合闸一次，这时，如果电力机车内部发生短路故障，牵引变电所和电力机车的断路器将同时跳闸，而牵引变电所断路器自动重合闸会成功，电力机车断路器不设重合闸，仍然能够有效切除电力机车内部故障，但增加了牵引变电所断路器的跳闸次数。

继电保护装置对故障测距信息是通过故障时电压、电流的矢量值自动计算得出的。一般采用故障录波中保护指令出口前1个周波（即20 ms）的电压、电流矢量值计算得出短路时的总阻抗，然后，通过录波测得的阻抗角计算出电抗值，除以接触网的单位电抗，从而计算出故障点距变电所的距离。经调阅继电保护装置的录波图像，发现速断保护装置从启动到出口约 20 ms的时间内含有大量的谐波，且阻抗角不稳定；20ms后谐波基本消失，阻抗角也达到稳定状态。

对于区间正线供电臂，若要保证故障测距信息的准确性，速断保护整定时间应躲过速断保护装置启动后谐波含量较多的第一个周波（即 20 ms），使故障测距采用没有谐波含量的第二个周波的电压、电流矢量参数，以避免谐波含量对故障测距信息的影响。目前，速断保护整定时间已由0.02 s再次修改为0.04 s，这样，即满足了故障测距准确性的要求，又达到防止短路电流持续时间过长烧断接触线的目的。虽然 0.04 s与导线熔断的极限时间0.05 s比较接近，但考虑到上述公式给定的条件是针对 100 mm2铜银导线而言，济南铁路局管内接触网正线采用的接触线是 120 mm2铜银导线，因此，承受短路电流的能力还有一定裕度。

3 实施效果

按照上述原则该局再次对电流速断保护整定值进行了修改，自2011年1—7月，济南铁路局管内发生8次短路电流在8000 A以上的短路故障，最高短路电流为12000 A，均没有发生断线事故，而且故障测距准确性大大提高，最大误差为400 m，最小误差为25 m。可以看出，调整速断保护整定时间为0.04 s后，即达到了防止接触线断线的目的，又确保了故障测距信息的正确性。

4 结束语

综上所述，笔者建议牵引变电所继电保护装置的生产厂家对故障测距计算方法进行改进，将既有装置测距电量采用保护指令出口前 1个周波（即20 ms）的电压、电流矢量值，修改为采用保护指令出口后1个周波（即20 ms）的电压、电流矢量值，可进一步将速断保护整定时间缩短到0.02 s，使熔断短路电流提高到15100 A，同时，还能满足故障测距的准确性。

[1]TB/T2808-1997 电气化铁道电力牵引与牵引供电系统继电保护及自动装置配合的技术要求[S].

[2]TB10009-2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].