京沪高铁某牵引变电所相间短路故障的分析

李 瑞, 张玉平, 肖世辉, 王海涛

(中铁电气化局京沪高铁维护管理公司， 天津 300380)

背景简介

京沪高铁某牵引变电所微机保护装置型号为TA21型综合自动化系统；正线接触网采用全补偿弹性链形悬挂架构，承力索与接触线之间采用整体不可调整吊弦进行连接，吊弦结构采用心形环形式，吊弦线长一般为1 600 mm左右。

1 故障情况及调查数据

1.1 故障情况

故障当天时间10：01：20.904,线路上某牵引变电所211断路器阻抗I段跳闸，后加速跳闸，重合闸失败，213断路器电流增量启动，未出口，天气情况为晴，微风。

1.2 保护装置跳闸和保护启动情况

断路器号:211

故障时间:当天时间10:01:20.907

报告类型:馈线保护

跳闸标志:跳闸

重合闸标志:重合闸失败

距离标志:相对距离

故障距离:0.83 km

故障动作:阻抗I段元件动作U=24.89 kVI=4 138 AZ=6.09 Ωφ=356.9°

事件1:1 ms 阻抗Ⅰ段启动Z=6.38Ωφ=355.1°

事件2:2 ms 低压闭锁

事件3:101 ms 阻抗Ⅰ段出口Z=6.91Ωφ=352.1°

事件4:153 ms 阻抗Ⅰ段返回Z=12.17Ωφ=9.6°

事件5:2 120 ms 重合闸出口

事件6:2 499 ms 后加速出口

断路器号:213

故障时间:当天时间10:01:20.909

报告类型:馈线保护

事件1: 1 ms 电流增量启动，I=3 603 A

事件2: 219 ms 电流二次谐波闭锁

事件3: 219 ms 电流增量返回，I=1 956 A

断路器号:213

故障时间:当天时间10:01:23.401

报告类型:馈线保护

事件1: 1 ms 电流增量启动，I=4 004 A

事件2: 219 ms 电流二次谐波闭锁

事件3: 219 ms 电流增量返回，I=2 509 A

2 故障调查

2.1 设计定值情况

上行方向211、212馈线为直供方式，定值分别为：电流互感器变比N=2 500；电压互感器变比N=275；阻抗I段为R=79.44 Ω,X=80.84 Ω,T=0.1 s，φ1=85°,φ2=75°,φL=15°；低电压启动过电流为U=60 V,I=0.91 A,T=0.6 s；自动重合闸为T=2 s,Ts=15 s；二次谐波闭锁系数0.2。

下行方向213、214馈线为全并联AT供电方式，定值分别为：电流互感器变比N=2 500；电压互感器变比N=275；阻抗I段为R=63 Ω，X=188.1 Ω，T=0.1 s，φ1=85°，φ2=75°，φL=15°；低电压启动过电流为U=60 V，I=1.1 A,T=0.6 s；电流速断为I=2.46 A,T=0.1 s；电流增量为I=0.288 A,T=2 s；自动重合闸为T=2 s,Ts=15 s；二次谐波闭锁系数0.2。

2.2 现场情况调查

(1)外部环境检查情况：现场巡视人员调查附近未发现危树、垃圾场、易漂浮物和其他污染源。

(2)变电所设备检查情况：设备检查： 211、213保护装置检查，装置运行工况正常，各功能模块状态明确、界面显示无异状；保护装置各插件安装牢固，各类指示灯显示正常，无放电痕迹及异味； GIS柜高压柜套管检查未发现裂纹、放电痕迹和变色等现象；电压互感器未发现异味、外观无放电痕迹、变色现象； GIS柜气室气压检查，压力在正常范围内； GIS柜电缆仓室检查，其中电缆、避雷器、接地线、护层保护器无异味、外观无放电痕迹且安装牢靠；GIS高压柜馈线无残压记录仪显示数值前后无变化； GIS高压柜各功能模块装置，如PLC和三工位开关等运行正常；保护装置、接触网隔离开关等设备时间一致；保护装置211馈线保护装置阻抗一段动作，后加速跳闸，重合闸失败， 213馈线保护装置电流增量启动2次，未出口。

(3)视频数据分析情况(见图1)：利用车载6C系统的3C模块，可以得到故障时的红外成像图和弓网视频图。故障动车组07#车视频情况(所列时间为6C视频2C模块记录时间)，10:01:17开始进入分相；10:01:18受电弓通过分相第1个断口时，在受电弓附近有闪光(电弧)。动车组15#车视频情况(所列时间为视频界面记录时间)，10:01:20受电弓通过分相第2个断口时，在受电弓运行方向后部第1个断口中心柱附近有闪光(电弧)；同时，受电弓与中性区接触线有打火(拉弧)。

图1 6C系统3C模块监视图

(4)线上检查情况(见图2)：对故障区段利用车梯上线进行排查，重点对分相处逐杆进行重点排查，排查发现：在分相处909#支柱北京方向7 m处中性线段第1根吊弦缺失，承力索、接触线上有遗留的吊弦线夹，未见吊弦线残留痕迹；909#支柱北京方向7 m处211T1正线馈线接触线侧上方有灼伤痕迹；距北京方向8 m处中性线段接触线底面有灼伤痕迹。909#支柱处中性线和正线水平间距529 mm，垂直距离22 mm，915#支柱处中性线和正线水平间距561 mm，垂直距离20 mm。在桥上没有发现断裂的吊弦线残留，在对应909#支柱处桥下上海方向约27 m处有脱落的吊弦，吊弦线带有刮蹭灼伤痕迹。

图2 6跨绝缘锚段关节结构示意图

3 保护装置动作分析(见图3)

由于微机继电保护装置参数有一次值和二次值之分，为了分析方便文中统一以二次值进行计算分析。

3.1 211DL阻抗保护动作分析

图3 距离保护原理示意图

保护正确性分析：采集到的电量数据为U=90.51 V，I=1.655 A，Z=55.36 Ω,阻抗角356.9°，经计算阻抗值在保护动作范围内，由此判断保护装置动作正确。

3.2 213DL保护未动作原因分析

(1)电流增量启动未出口分析(见图4)。

图4 电流增量保护原理框图

213保护装置电流增量共有2次启动，第1次电流1.441 A、返回时间219 ms，第2次电流1.602 A,返回时间219 ms，213馈线增量定值为0.288 A，时限2 s。由于此次故障时二次谐波含量大于0.2，从而使得二次谐波闭锁电流增量保护，因此电流增量启动后二次谐波闭锁导致保护未出口。

(2)阻抗保护未启动分析

阻抗保护具有方向性，当接触网线路发生一般接地短路故障时，故障电流经馈线断路器流出，经接触网，到达故障点然后通过地网和回流线回流所内，此方向为正方向，从图3可以看出阻抗值落入第一和第四象限，阻抗保护启动出口跳闸。

但此次故障为相间短路故障，故障电流经211馈线断路器，经接触网的相间短路故障点，回流到213馈线断路器侧，也就是说211馈线电流为正方向时，落入第一和第四象限，213馈线电流为反方向，落入第二和第三象限，从图3可以看出，213馈线的阻抗值决不会落入保护范围内，因此213馈线断路器阻抗保护不会启动出口。

(3)低电压启动过电流保护未启动分析(见图5)

图5 低电压启动过电流保护原理框图

过电流定值为1.1 A，时限0.6 s、低压启动元件投入，定值为60 V，查得故障时213馈线UT=97.02 V，213馈线UF=97.13 V，实际电压没有低于定值，低电压闭锁保护启动，因此低电压启动过电流保护未启动。

(4)电流速断未启动分析(见图6)

图6 电流速断保护原理框图

电流速断定值2.46 A,0.1 s，参考电流增量启动电流值1.602 A，实际电流值未达到定值条件，因此213馈线电流速断保护未启动。

3.3 故障测距分析

此变电所上行方向211、212是直供加回流的供电方式，测距方式采用阻抗测距法，本次故障为接触网分相处的相间短路故障，因此阻抗法的故障测距不适用，报文所给出的相对距离只具有参考性，不具有指导故障抢修的实际意义。

4 分析结果

通过列车车载3C视频、牵引变电所211、213保护装置动作记录和接触网上的两处灼伤痕迹综合判断，此次事件是由两起故障组成，且从211保护装置、213保护装置的动作记录和列车车载3C视频都分别可以得出从第1起故障开始到第2起故障结束共持续约2.499 s时间的结果。另外此处中性线段全长为192.2 m，列车单编长度约为200 m左右，即两弓之间的间距为200 m，车载3C视频显示列车时速289 km/h，因此可以得出列车两弓通过913#支柱的时间间隔约为2.491 s。

综上所述，去除合理的时间偏差，可以充分证明此两次故障都是由于列车受电弓在过分相是发生的，也就是说此两起故障肯定是两起相间短路故障。

跳闸经过如下：

第1次跳闸过程：动车组07#受电弓通过分相处907#至911#支柱时，中性线带211馈线的T1电源，由于909#支柱中性线上行方向第1根吊弦上部断裂，因此当07#受电弓通过此区段时，必然会使得此吊弦剧烈摆动以致触碰211T1正线接触网，当动车组07#受电弓通过分相处913#支柱时，中性线带213馈线的T2电源，而此时中性线断裂的吊弦还在剧烈摆动，当吊弦与211T1接触网线绝缘距离不足时，就会形成相间短路(把此时的时间轴定义为0 s)，短路电流为3 603 A，造成所内213电流增量启动(0 s)，3C视频拍摄到第1次电弧现象(0 s)，211馈线断路器阻抗I段启动(0 s)，211馈线断路器跳闸(0.1s)，211馈线断路器重合闸(2.1 s)

第2次(重合后加速)跳闸过程：动车组15#受电弓通过分相处907#至911#支柱时，中性线带211馈线的T1电源，当15#受电弓通过此区段时，补充了此断裂吊弦的动能，摆动程度再次加剧，当动车组15#受电弓通过分相处913#支柱时(2.49 s)，中性线带213馈线的T2电源，而此时剧烈摆动的中性线断裂吊弦，会与211T1正线接触网距离更加接近，从而再次形成相间短路，且使得短路电流升高到4 004 A，造成所内211馈线断路器后加速跳闸(2.49 s)，213电流增量启动(2.49 s)，3C视频拍摄到第2次电弧现象(2.49 s)。

5 结束语

牵引供电系统中的接触网分相处的六跨绝缘锚段关节故障率在全路系统中占比一直都较高，且无很好的办法来规避和整治，而在某高铁全线中出现的突出问题，吊弦的故障率也一直居高不下，因此当两个故障率较高的因素结合在一起时，所形成的故障率和影响是惊人的。但是随着新技术的不断发展，很多成熟的在线监测技术在铁路牵引供电领域也有了更多的运应，如6C系统，因此对于此方面还需要更长时间和大量的数据积累和研究。