高压线路故障判断装置在电气化铁道中的应用

兰红伟，黄东红

0 引言

电气化铁道牵引供电接触网线路经常发生永久性或临时性短路故障，当发生短路故障时，需要供电设备自动重合闸，如若重合闸不成功（据统计，2005年襄樊供电段管内接触网线路发生故障重合不成功率达23%），往往还需要继续多次强送电。这样，当高压接触网线路发生一次永久性短路故障时，高压供电设备就会经受多次大的短路电流和过电压的冲击，严重地损坏高压设备的机械及电气性能和绝缘水平，大大缩短高压设备的检修周期和使用寿命，甚至扩大事故范围，造成难以估量的损失。

为此可以通过加装高压线路故障判断装置对故障接触网线路进行高电压小电流的试送电，同时对接触网电压进行检测。通过故障电压的高低准确判断接触网故障线路的故障性质（瞬时性故障或永久性故障），进而对接触网线路继电保护自动重合闸实施选择性闭锁，避免盲目地向接触网线路重复强送电，减少短路大电流对电气设备的冲击。下文对高压线路故障判断装置的组成工作原理及应用作一介绍。

1 理论分析

加装高压线路故障判断装置的接触网线路等效电路如图1所示。

图1 等效电路图

根据等效电路图，通过高压线路故障判断装置对故障线路进行测试时，测试电压互感器PT检测出的线路残压数学模型为

式中，Ue为母线电压27.5 kV；RL为限流器限流电阻，一般为5 000～6 000 Ω，计算时取5 500 Ω；Zj为故障线路的接触网阻抗。

（1）在接触网故障线路永久短路接地时，

式中，Zu为接触网的单位阻抗，按供电方式直供加回流，取Zu= 0.226 2 + j0.447 4 Ω/km；L为接触网故障点距变电所的距离，一般取值为 0～25 km；Rg为短路接地电阻，按阻抗保护三段的电阻分量取值，一般取20 Ω。

所以当Lmin= 0 km时，Uc的最小值

当Lmax= 25 km，Zu= 0.226 2 + j0.447 4 Ω/km，RL= 5 500 Ω时，Uc的最大值

AT供电方式接触网单位阻抗较直供加回流小，故计算略。

（2）在接触网无故障时，其正常运行接触网馈线的空载电流一般小于3 A的容性电流，现按3 A计算：

则Ucmax= (Zjo/ (RL+Zjo))Ue= 86%Ue

在选取故障判断装置动作电压时，取可靠系数Kk为1.5，则

（3）短路点过渡电阻影响。以57%Ue校验：

故可不考虑短路时过渡电阻影响。

因此，在Uc＞57%Ue时，可以判定接触网无故障，不闭锁重合闸；在Uc＜57%Ue时，可以判定接触网有永久性故障，需要闭锁重合闸。

2 高压线路故障判断装置结构组成

典型单相牵引变电所单母线分段的27.5 kV主接线示意图如图2所示。

图2 故障判断装置接线图

高压线路故障判断装置由专用高压熔断器RD、高压限流器 XL、测量开关用的旁路断路器PLDL、隔离开关GK1、GK2、测量电压互感器PT、旁路测试母线PLCS、旁路隔离开关PG等设备组成。高压线路故障判断装置中2台隔离开关GK1、GK2是为改变装置工作状态和方便装置检修而设置的。限流器XL用来将测量电流限制在5 A以内，以避免短路故障对高压设备产生大电流冲击。高压熔断器RD是在旁路断路器发生故障拒分时，保护限流器和变电所27.5 kV母线的安全。

3 高压线路故障判断装置工作原理

高压线路故障判断装置处于正常运行状态时：旁路断路器PLDL处于分位，GK1打开、GK2闭合，PG1—PG4打开，由各主断路器1DL—4DL向接触网供电。

自动测量方式工作原理及动作过程如下：

当线路发生故障时，保护装置保护出口继电器BCJ迅速动作，主断路器跳闸，故障判断装置自动启动，旁路隔离开关PG（PG{PG∈1…PG4}）闭合，故障判断装置控制回路延时0.8～1 s（线路绝缘恢复）后，使旁路断路器PLDL合闸，把故障判断装置由母线串入故障线路，母线上的27.5 kV电压经过高压限流器送往故障线路，利用高电压小电流进行检测。旁路断路器PLDL闭合接通后，通过电压互感器测量馈线残压，根据馈线残压大小判断短路故障性质；当线路残压低于母线电压57%时，装置判定为永久故障，通过控制指令闭锁故障线路的自动重合闸，使主断路器不能重合闸。同时发出永久性故障光字牌及音响信号报警；当馈线残压大于母线电压57%时，装置判断为瞬时性故障，启动重合闸，使主断路器闭合送电。测量进行0.6 s后，旁路断路器PLDL自动分闸，旁路隔离开关PG（PG{PG∈1…PG4}）断开，使故障判断装置退出测量。故障判断装置在重合闸的3～5 s内完成整个测量和判断过程。

高压线路故障判断装置还可进行手动测量，即在每次向接触网线路送电前，或短路故障发生后、以及变压器、馈线断路器检修后，都可首先使用故障判断装置探测线路是否处于无故障的安全状态，再决定是否向接触网线路送电。

4 运用效果及结语

2006年，高压线路故障判断装置在襄渝线襄樊供电段石花变电所和小花果变电所试运行，1—8月2个变电所接触网线路重合闸不成功率为14%，比2005年统计降低了9%，明显低于未投入高压故障判断装置时的重合闸不成功率。

在故障判断装置试运行期间，每次接触网检修后或故障抢修结束时可先用故障判断装置进行故障判断，以排除地线未拆除、遗留短路接地、安全距离不够等故障。在2006年5月，某接触网工区进行接触网检修作业结束后，因检修用接地线未拆除致使接触网处于接地状态，送电前先用故障判断装置成功判断接触网有永久性故障，通知接触网工区及时处理后，送电成功，避免了一次接触网短路跳闸。

因电气化铁道供电方式特殊，运行条件复杂，接触网线路的短路故障较多。通过高压线路故障判断装置对故障线路进行高电压小电流下的无损检测，进而对线路继电保护自动重合闸实施选择性闭锁，避免盲目地向接触网线路重复强送电，将大大减少短路电流和过电压对变压器、断路器等重要电气设备的冲击，延长了电气设备检修周期和使用寿命，避免事故范围扩大和发生不应有的故障。同时还可在接触网上逐点进行小电流短路试验，准确测定接触网馈线的实际阻抗、电抗值及其与线路距离的实际关系曲线，为测定接触网线路的基础参数和准确的判定故障点距离，提供可反复使用的无损检测手段。

该项技术已在发达国家广泛采用，国内的应用范围也将日益广泛。

[1]TB10009-2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[2]贺威俊.电力牵引供变电技术[M].成都：西南交通大学出版社，1998.

[3]Kießling, Puschmann, Schmieder.电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团译.北京：中国电力出版社，2004.

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