铁路10kV配电室馈出线保护误动原因分析及处理

2012-11-27李彦吉蔺世吾

铁道机车车辆 2012年4期

李彦吉，蔺世吾，王凡

（北京铁路局石家庄供电段，河北邯郸056002）

铁路10kV配电室担负着铁路行车信号（自闭线路）和铁路沿线站区日常照明等负荷以及作为牵引变电所第三路电源（贯通线路）的供电任务，其重要性关乎铁路运输的安全，要求供电的可靠性高、T接负荷小、运行方式与地方供电系统有很大的差别。

1 现状调查

以京广线高邑配电室自闭供电系统为例，如图1，所内进线电源经调压器隔离后送至自闭母线、设母线电压互感器，然后经213DL送石—高（石家庄—高邑）自闭，正常情况下，西站主供、高邑所213DL分位、备供；经214DL送高—邢（高邑—邢台）自闭、高邑所214DL合位、主供，二者在线路首段均设有线路电压互感器。馈线系统设电流速断、过电流、失压保护和备自投功能。

2011-03-19T11：55高邑配电室石高自闭备用、213DL分位，高邢自闭主送、214DL合位。西站配电室石高自闭速断跳闸，高邑配电室石高自闭柜脚下线路YH失压、母线侧电压正常，启动备投回路，213DL合闸、而后电流速断保护动作跳闸；同时因自闭母段电压突降导致高邢自闭214DL失压跳闸。

据统计，2011-01-01，2011-02-18出现同样问题的不正常跳闸。

图1 高邑配电室自闭系统供电示意图

2 原因分析

（1）失压保护误动原因分析

针对2011-03-19的不正常跳闸，调取了当日误动的214DL跳闸记录，如表1。

表1 214DL跳闸记录

图2为跳闸当日的故障波形图。通过214DL跳闸时的记录和波形分析可以看出，在213DL备投于故障线路时，发生了三相对称短路，导致高邑配电室自闭母线段电压迅速下降至正常电压一半左右。

高邑配电室采用WXH-883型馈线保护测控装置，失压保护整定值为65V（自闭母互线电压），动作逻辑如图3。

图2 214DL保护跳闸波形图

图3 馈线测控装置失压保护动作逻辑图

在装置检测到三相线电压均小于整定值时，只要断路器在合位，就会引起测控装置动作、断路器跳闸。也就是说，根据现有保护的设置情况，在馈出线出现三相对称短路时，会引起同一母线段的另一馈出线失压保护误动作跳闸。

（2）备供所备自投失败原因分析

在线路出现对称三相短路的情况下，实际上备供所的线路电压互感器也检测到失压。比如，西站配电室作为石—高自闭的主送所、高邑配电室213DL备供，在线路出现三相对称短路时，高邑配电室213DL在西站配电室断路器速断保护动作跳闸前也检测到线路失压、本所母线有压，瞬时动作合闸。也就是说西站配电室跳闸的同时高邑所213DL合闸，显然二者仅存在一个西站配电室断路器固有分闸时间与高邑配电室断路器固有合闸时间差值10ms左右，在两所采用不同类型的保护如微机保护和继电器保护、不同型号的断路器时，此时间会更短或者根本就没有。如此短的时间会导致故障点电弧重燃、事故范围进一步扩大。

多数情况下发生三相对称短路时会自投失败，与我们在主供所断路器跳闸断开后、备供所检测到失压瞬时动作合闸的想法相去甚远。

3 解决方案

在石家庄供电段10kV配电系统线路故障中，据不完全统计，单相接地故障占67%，两相短路占0.9%，两相接地短路占15.9%，三相短路1.8%，其他故障14.4%。

我们随机调取了高邑配电室的1次电流速断跳闸记录，如表2，为2011-05-16T20：13贯通线路223DL的跳闸情况。

表2 223DL跳闸记录

从表2可看出，除三相短路外，线路间的线电压不可能同时出现不正常，而失压保护的电压值就取自母线的三相值进行"与"判断，仅会在出现三相短路时发生失压保护的误动。随着高速客运专线的开通，自闭、贯通线路越来越多地使用了电缆供电，在同一地点出现三相短路的几率将会越来越大。

3.1 现有软硬件基础上的解决方案及存在问题

3.1.1 修改失压保护整定值

（1）修改失压保护电压整定值

理论上，只要将失压保护电压整定值减小，使其取值大于三相短路时的最低母线电压水平，就能防止失压保护误动。但是在出现近端（如配电室出线）三相金属性短路时，母线电压可能降低到接近于零，我们总不能把电压定值设定为0V，否则会发生更多的失压保护拒动问题。

（2）增加失压保护整定延时

将其值按躲过同段母线断路器速断保护动作时间整定，在速断保护动作时间内，失压保护不会误动。考虑到断路器的分闸时间，其延时不能少于30ms，但是对方变电所，比如邢台变电所的高邢自闭会在检测到线路失压的第一时间（瞬时）备自投动作，若高邑所214DL失压保护不动作，会将邢台所自闭母线电压送至高邑所母线上、造成二者并相，且高邑所因为母线有压而使失压保护返回不再启动跳闸。

因此不能靠增加失压保护动作时间和降低失压保护电压整定值的方式来防止失压保护误动。

3.1.2 投入失压保护有流闭锁

如图3，通过在失压保护动作前判断有无负荷电流的方式，防止其误动。但铁路自闭、贯通线路具有长距离输送小负荷的特点［1］，其正常负荷电流值很小。比如高邑配电室高邢自闭线路一次侧负荷电流3.84A、且三相基本平衡，在采用30／5电流互感器的情况下，二次电流只有0.64A，在母线电压降低到正常值的一半时电流值也迅速降低为正常电流的1／3～2／3范围内，二次值最低在0.2A左右。输电距离较短的线路或者同母段其他线路近端金属性短路时二次电流值甚至降低到0～0.1A，这样使得失压保护有流闭锁功能失效，且电流整定值很难选择，现场应用中多数配电室退出了本项设置。

自闭、贯通线路多数情况下与牵引供电系统同方向近距离架设，在配电室真正出现失压时，静电感应出现的感应电流值就有0.2A，甚至更大，此时若投入有流闭锁（比如0.2A），造成失压保护拒动，相邻所电压会送至本所母线，对于不存在并相条件的配电室可能出现严重的后果。

3.2 创新性解决方案

3.2.1 各种故障特点分析

在10kV配电线路中，单相接地、两相短路、两相接地短路、三相短路等横向故障发生的几率较多，危害最为严重，线路断线等纵向故障一般不会造成保护的误动，在此不再讨论。

（1）单相接地

在小电流接地系统中，线路发生单相接地时并不破坏系统线电压的对称性，并可持续运行1～2h，因失压保护检测的是线电压、不会造成保护误动。

（2）两相短路［2］

在故障点处，用对称分量表示，两相短路有3个边界条件：If（0）=0；If（1）=-If（2）；Uf（1）=Uf（2），即正序网络和负序网络在故障点并联，零序网络断开。

发生故障时出现负序分量，没有零序分量。

（3）两相短路接地［2］

在故障点处，用对称分量表示、两相短路接地的边界条件：If（1）+If（2）+If（0）=0；Uf（1）=Uf（2）=Uf（0）。显然满足此边界条件的复合序网在故障点并联。

发生故障时出现负序分量、零序分量。

（4）三相短路

序网构成中同样只有正序分量，也可以说在正序的基础上串入了阻抗零；短路计算中只有正序分量，没有负、零序分量。

大量的现场运行实践表明［3］，当发生三相对称短路瞬时也会出现短时的负序电压，其值一般不小于0.06UN（额定相间电压）。

3.2.2 优化方案

（1）电流增量闭锁失压保护

为了解决由于1条馈出线三相短路时母线电压降低引起另外1路失压保护误动的问题，可增加电流增量闭锁条件，只有在电流有突变量的条件下、同时母线电压降低才启动断路器跳闸。上例中214DL没有增加的突变量，就不会引起失压保护误动作，动作逻辑如图4。

同时，为了防止空载投运线路时，变压器励磁涌流致使电流增量误触发，可增加二次谐波闭锁功能。

在配电室出现进线失压时，由于二次谐波闭锁的电流增量不会启动，致使失压保护拒动，此时可增加负序电压的"或"条件。上述讨论的各类短路故障在配电室馈出线侧均会检测到负序电压，而真正的进线失压时是不会产生负序电压的，利用这一特征，增加在负序电压U2小于整定值的情况下，只要三相线电压降低时，就会启动失压保护动作，可有效防止进线失压的情况下，发生的保护拒动问题。