一起故障引发的高速铁路保护和测距行为分析

王 丹

0 引言

高速铁路的牵引供电系统采用全并联AT 供电方式，其适用的保护和测距原理与以往电气化铁道的直供和BT 供电方式有所不同。鉴于高速铁路的重要性，对保护装置动作的可靠性和故障测距的准确度要求更高。当接触网发生故障导致保护装置动作后，故障点的准确定位，对及时排除故障恢复行车至关重要。

本文通过一起因上网点电缆接头故障引起的高速铁路停电事件来分析馈线保护装置和故障测距装置的特性，并提出一些改进措施。

将上下行断路器和隔离开关212、2121、211、2111 全部遥控分开后，对上行和下行线路逐一送电，发现上行线路无法送电，而下行线路能正常送电。上行线路通过AT 所兼分区所的并联线路由下行断路器送电，同时令AT 所的自耦变压器从线路上解列，从而暂时恢复行车。抢修人员在排查故障时发现，是变电所上行线路上网点电缆接头处发生故障，导致上行线路无法正常供电。

该起故障涉及的牵引变电所和AT 所及线路上的主接线如图1所示。

图1 线路一次接线示意图

1 故障概况

2012年1月17日01：56：24.435 某高速铁路牵引变电所上行线路断路器212 对应的馈线保护装置跳闸，阻抗I 段保护出口，接着01：56：24.609下行线路断路器211 对应的馈线保护装置的阻抗I段保护出口。上下行线路均跳闸，分别于2 s 后自动重合闸，上行线路重合闸后，线路再次跳闸，而下行线路重合闸后送电成功。

在01：59：21 时，调度远程操作断路器212，对其控合后，与之对应的馈线保护装置再次跳闸。

2 保护动作和测距结果分析

2.1 馈线保护配置

变电所断路器212 和211 对应的上下行馈线保护的配置：阻抗I 段为主保护，动作时限为100 ms；低电压启动的过流保护，动作时限为100 ms；配备一次重合闸，时间定值为2 000 ms。

AT 所兼分区所的断路器272 和271 对应的馈线保护的配置：失压保护，动作时限为1 s；检有压重合闸，时间定值为3 s。

2.2 保护动作分析

01：56：24 .335 时，断路器212 对应的上行馈线保护装置检测到上行线路的故障电流，此时线路阻抗在阻抗I 段的动作区内，从而在延时100 ms后，保护出口导致断路器212 跳闸。因为AT 所将上下行线路并联，所以在断路器212 跳闸后，由于下行断路器211 未跳闸，所以线路并未失压，此时故障仍然存在线路上，导致与断路器211 对应的馈线保护装置达到阻抗I 段的动作值，所以在01：56：24.609 时，下行馈线保护装置出口，断路器211 跳闸，致使上下行线路均失压，经过1 s 后AT 所的断路器271 和272 对应的馈线保护装置失压跳闸，上下行线路取消并联，AT 所的自耦变压器从线路上解列，线路转换为直接供电方式。

断路器212 对应的上行馈线保护装置跳闸出口2 s 后，自动重合闸，由于故障在上行线路上，所以重合闸后，阻抗I 段再次出口，导致上行线路失电。断路器211 对应的下行保护装置跳闸出口 2 s 后自动重合闸，由于下行线路无故障，且上下行线路已经取消并联，所以线路重合后未再跳闸。

跳闸报告如表1所示。

表1 保护和测距报告表

从上述分析可以看出，馈线保护装置的动作行为正确无误。从故障报告来看，馈线保护的动作报告中包含了故障点位置。由式（1）中的电抗值X，根据线性电抗法查表计算可以得到故障点位置。

从式（1）可看出，该式显然对AT 供电方式下的测距不适用，因此馈线保护装置故障报告中的故障点距离不应做为此时线路检修的依据。

只有当线路上的AT 自耦变压器解列，线路供电变成直供方式时，才适用线性电抗测距原理。且在T 线故障和F 线故障时应采用不同的线路电抗计算公式，如式（2）和式（3）。

式中，XT和XF分别表示T 线故障和F 线故障时的线路电抗值。

2.3 故障测距分析

在线路故障期间，变电所断路器212 对应的上行馈线保护一共出口3 次，其中第1 次为故障出口跳闸，第2 次为重合闸后的加速出口跳闸，第3 次为手合在故障线路后的再次出口跳闸。第1 次跳闸时，故障测距装置启动，并指示故障位置在3.98 km处；第2 次跳闸时变电所故障测距装置启动了，但是未计算出故障点距离；第3 次跳闸时，故障测距装置启动，并指示故障位置在3.91 km 处。

具体原因分析如下：AT 供电方式下的故障测距装置采用的是吸上电流比测距原理，配置示意图如图2所示。变电所处测距装置为A 型，AT 所配置B 型测距装置。A 型测距装置根据阻抗和电流来启动测距功能（其定值与馈线保护对应的定值一致）。B 型测距装置可采用电压突变量来启动测距功能；也可采用GPS 对时方式，即在收到A 型装置的启动报文后，根据报文中的时标来上送对应交流量数据，2 种方式均可选择[1]。

图2 测距装置配置示意图

图3为AT 所兼分区所的主接线示意图。该所采用B 型测距装置，装置的交流电压接入的是下行线路的T 线和F 线电压（对应1YHT 和1YHF 2个电压互感器），并未接入上行线路的T 线和F 线电压（对应2YHT 和2YHF 2 个电压互感器）。

图3 AT 所兼分区所主接线示意图

从图3可以看出，因为该次故障时，AT 所的故障测距装置采用“电压突变量”启动方式，只有在电压突降达到定值时才会上送AT 所电压和电流数据[1]，在断路器212 第2 次跳闸时，断路器211跳闸导致下行线路已经失电，所以B 型测距装置未能启动并上送交流量值，因此变电所A 型测距装置未收到B 型装置的数据，从而未计算出故障点距离。

3 建议

从该次接触网故障事件来看，在线路故障后的检修过程中，由下行非故障线路通过AT 所实现上下行线路的同时供电。因此下行馈线保护装置的保护定值应该按照2 台断路器合并运行时的线路状况来整定。

另外在此期间若接触网再发生故障，故障测距装置应该能正常启动并给出故障点距离。此时线路是直供方式，应采用线性电抗测距原理来计算故障点距离，线路的长度应该由上行和下线线路长度相加得到。

变电所和接触网上网点之间供电线电缆也有可能发生故障，因此故障测距装置应将其长度考虑在测距中，而不是只考虑接触线的长度。

AT 所的测距装置应该将线路的上行和下行电压全部接入，以免电压突变量无法启动测距功能。

4 结论

鉴于高速铁路运行的特殊性，故障发生后线路快速恢复行车至关重要，因此检修人员对保护装置能否正确动作、故障测距装置能否正确启动并指示故障距离很重视。文中提出了几点对保护装置和故障测距装置的改进措施和注意事项，总结如下：

（1）在AT 全并联供电方式下，线路故障点的位置应该以故障测距装置给出的为准，馈线保护装置动作报告中的故障点距离无参考意义。

（2）在变电所馈线断路器2 台合并为1 台运行时，馈线保护装置的定值应按照合并运行时的线路状况来整定。

（3）AT 所测距装置应采取突变量启动和GPS对时方式相结合的方式来实现测距功能。

（4）应将上行线路和下行线路电压全部接入故障测距装置。

（5）故障测距装置采用线性电抗比测距原理计算故障点距离时，线路全长应为上行和下行线路长度相加。

（6）故障测距装置在计算时应考虑供电线路电缆的长度。

[1]国电南京自动化股份有限公司.WGB-65U 微机故障测距装置技术说明书[Z].南京：国电南京自动化股份有限公司，2011.