高速铁路接触网过负荷跳闸的分析与判断

2014-05-04蒋汉成上海铁路局调度所

上海铁道增刊 2014年2期

蒋汉成施麒上海铁路局调度所

在我局高速铁路接触网跳闸的原因中，除了故障、雷击和机车，因过负荷引起的跳闸占据了很大比重。以杭深线为例，在“7.1”调图后馈线负荷明显增大，过负荷跳闸频繁发生。统计数据显示，7月份杭深线共发生跳闸27件，其中过负荷造成跳闸18件，外部原因造成跳闸5件，不明原因造成跳闸4件，如图1所示。

图1 跳闸原因分析统计

根据高速铁路客运专线有关文件指示：不明原因跳闸且重合闸成功后，对于故障测距装置显示的故标指示地点前后3 km区段，本线与邻线首趟动车组列车需按规定限速运行，供电处理人员应登乘动车组对供电设备进行巡视检查。在过负荷造成的跳闸中又不乏有重合闸失败和重合闸未启动而造成接触网停电的情况，对高速铁路的正常运输秩序造成严重的干扰与影响。

但是，过负荷引起的跳闸和其他故障原因引起的跳闸存在着本质区别，如果能对因过负荷原因引起的跳闸做出快速判断，供电调度在应急处置时就可区别对待，能很大程度地减少对运输秩序的影响。

1 过负荷跳闸的断路器动作特征分析

“接触网过负荷跳闸”并不是狭义认为的牵引变压器过负荷保护。除了主变过负荷告警之外，因为多台电力机车同时取流，接触网上流过大电流，从而出现供电臂过负荷，造成牵引所馈线断路器保护动作的现象，我们称之为过负荷跳闸。

1.1 仅一行供电臂跳闸

上下行并联运行的AT供电方式下，牵引所上下行馈线只有一行跳闸（如表1所示），重合闸成功后再次跳闸，重合闸因没有达到充电时间未启动。实际运行中也有重合闸成功或者失败的情况。此类跳闸由于供电臂通过AT所和分区所环供，跳闸供电臂仍然带有邻线供电臂的电，实际上未造成接触网停电。所以，单纯地从断路器动作现象能够判断，此类跳闸并非由故障引起，加上报文信息佐证，可以快速判断为过负荷跳闸。

表1 过负荷一行供电臂跳闸分析

1.2 上下行供电臂同时跳闸

牵引所上下行馈线同时跳闸，重合闸均成功，短时内一行供电臂再次跳闸，重合闸因没有达到充电时间未启动，AT所和分区所并联断路器检有压自动合闸功能也因有压时间不足未启动，造成一行供电臂停电（如表2所示）。

表2 过负荷上下行供电臂跳闸分析

实际运行中也有一行供电臂断路器重合闸成功或者失败的情况。此类跳闸情况较为复杂，断路器动作较瞬时故障和断续接地故障无明显区别，需要查看报文后再作判断。

2 过负荷跳闸的保护信息特征分析

2.1 保护动作类型

接触网馈线保护动作类型有过流保护、阻抗保护（距离保护）以及电流增量保护。

过流保护作为距离保护的后备保护，一般按躲过供电臂的最大负荷电流的最小短路电流来整定。当供电臂内多台电力机车或动车组同时取流，电流超过整定值，过流保护就会启动，是较为常见的过负荷跳闸保护类型。

阻抗保护（距离保护）作为接触网馈线主保护，是通过测量阻抗实现对故障点距离测量的一种保护，也能通过计算阻抗值来直接反映短路故障性质。牵引变电所内根据实际情况选择阻抗四边形特性或平行四边形特性（详见图2）。在供电臂内电力机车超过牵引变压器正常负荷能力时，不仅电流较大，母线电压随之下降，使测量阻抗值减小，一旦落入保护动作区，断路器动作跳闸。

图2 保护特性分析

电流增量保护根据故障电流和正常负荷电流在电流上升率上的差异实现保护，一般按照躲过最大机车启动电流整定。实际运行中，电流增量保护较多情况下动作在重合闸成功后在断路器跳闸且重合闸成功之后。本线断路器跳闸后，通过AT所和分区所流向邻线断路器的大电流又重新流向本线断路器，使其电流上升率陡然加大，造成电流增量保护动作。

2.2 电气参数特征

2.2.1 电流与电压

接触网过负荷跳闸其实是正常运行的极端情况，其电流动作值或测量阻抗值较正常运行时更接近动作区，一旦落入动作区则引起保护动作。

所以不论哪种保护动作，动作值都接近整定值（略大于最大负荷电流和阻抗值），电流动作值一般在1 000 A左右，电压值一般在21 kV左右（客专线路合成电压在42 kV以上），电流电压均不会发生类似于故障性质的突变，远小于金属性短路故障的动作值。（详见故障报文1、2电流、电压值对比所示。）

2.2.2 阻抗角

过负荷情况并非故障短路或接地，阻抗角为供电臂正常运行机车取流的角度。一般正常负荷下，机车在牵引状态为25°至40°，启动时瞬时可至55°至60°。由于和供电臂内的机车数量及其工作状态有关，这个角度是不断变化的，一般在40°以内。以杭深线三门变电所过负荷跳闸为例：

故障报文1：8月27日11时38分42秒472毫秒，三门变电所213DL跳闸，过流I段动作，重合成功。故障电压43.10 kV，故障电流 1337.5 A，电阻 142.04 Ω，电抗 30.75 Ω，角度 12.2°。

当接触网发生短路故障时，由于接触网线材参数的因素，短路阻抗角一般为65°左右，金属性接地短路时甚至可达到70°以上。以沪杭高铁松江南牵引所供电线故障跳闸为例：

故障报文2：8月29日17时03分56秒，沪杭高铁松江南牵引变电所211、212DL距离一段动作，211DL重合闸成功，212DL重合闸失败。212DL馈线电流7929.69 A，T线电压4.53 kV，T线电流429.69 A，F线电压2.03 kV，F线电流7 500 A；线路阻抗角为65.60°。

通过对比可以看出，在天气良好、没有机车故障或雷电环境等其他因素干扰的情况下，阻抗角应当作为故障性质判断的重要依据。

3 过负荷跳闸的判断

3.1 接触网未停电的跳闸

在实际运行中，有相当一部分过负荷引起的跳闸并未造成接触网停电，如表2所示跳闸报告。由于接触网始终带电，在排除保护装置或断路器误动作的情况下，可以认为跳闸并非故障引起，而是过负荷跳闸。此时跳闸断路器所在供电臂成为邻线供电臂末端，为了避免造成邻线断路器因负荷过大再次跳闸，应尽快闭合跳闸断路器恢复正常运行。

3.2 造成一行接触网停电的跳闸

由于过负荷跳闸后，电力机车取流情况仍然存在，往往会造成上下行接触网馈线断路器几乎同时跳闸，以及出现一行供电臂断路器重合闸失败或重合闸成功后再次跳闸的情况。此时，仅从断路器动作特征难以辨明过负荷与高阻接地或断续接地，需要认真查看分析故障报文。

当电压较高（20 000 V以上）电流较小（1 000 A左右）阻抗角在40°以下，测距装置显示为T-R故障，可以判断为过负荷，此时可以尽快对停电供电臂试送电。由于停电后电力机车取流中断，试送电瞬间牵引负荷不会达到最大负荷电流，如果试送电失败则为故障引起。

3.3 根据其他因素综合判断

铁路接触网线路距离长，地理和天气环境复杂，为了使判断准确可靠，还需要对其他因素进行综合了解，避免误判。

（1）掌握所辖线路列车运行密度，能够了解行车高峰时间，跳闸后与列车调度联系询问上下行供电臂内电力机车数量。

（2）了解天气动态，特别是雷雨天气，雷击跳闸一般电流较大，但是具有很大的不确定性，且容易造成接触网设备损伤，与过负荷跳闸不同，需要对接触网进行实地巡视。其次，大风天气下容易出现断续接地跳闸情况，断路器动作特征与过负荷相似，需对故障报文进行仔细解读。

（3）熟悉其他各种故障时断路器动作特点及故障报文内容特征。如动车组带电过分相或分相开关闭合时，两相邻所同行（上行或下行）同时跳闸，电压较高（20 000 V以上）电流较大（2 000 A左右），阻抗角不定；故标指示沿某动车组运行方向变化，可判定为动车组故障；电压低（17 000 V以下）电流较大（1 500 A以上）阻抗角在70°左右，可以判断为金属性接地故障。

（4）了解不同型号动车组列车的负荷特点，作为过负荷判断的参考依据。通过现已掌握的运行经验，目前不同型号的动车组启动时产生的启动电流差异巨大，例如CRH380BL型动车组，在无限制条件下启动加速时，单次列车就能造成供电臂过负荷跳闸。