京沪高铁馈线重合闸成功后的异常情况分析

李 瑞 肖世辉 刘建华

（中铁电气化局 天津 300380）

1 背景介绍

京沪高速铁路北京局管内共有正线312公里，牵引供电系统是由797.579条公里的接触网系统、8座牵引变电所、7个分区所和12个变电所的牵引所亭系统和其相配套的电力配电系统组成。供电模式为北京南牵引变电所和魏善庄牵引变电所的北京方向为直接供电模式，其余全为全并联AT供电方式。

图1 全并联AT供电方式示意图

1.1 全并联AT供电方式

全并联AT供电方式，见图1全并联AT供电方式示意图，是通过在牵引网络中增设正馈线AF线和自耦变压器（AT变压器），且在上、下行牵引网的每个AT所和分区所共用母线分段来实现横向的电气联接，从整体上减小了系统牵引网的阻抗，而且将牵引电压的供电能力提高了一倍，扩展了牵引变电所的间距使其更具有经济性，同时较其他供电方式来说，AF线的存在较单纯的回流线形式，能显著的减少牵引供电系统对外部环境的电磁污染。

1.2 微机保护装置

北京局管内的京沪高铁牵引供电系统中的微机保护装置为牵引变电所安全监控与综合自动化系统，此系统具有高适用性、高可靠性、易操作性、易扩展性和易维护性的特点。此系统由各种保护测控单元、当地监控单元、远程通信单元、安全视频监控单元等组成，采用分层分布式网络结构，可实现完善的保护、测量和控制功能。

牵引变电所、分区所和AT所的馈线保护测控装置，采用一套保护装置负责一台断路器的运行模式，它的保护功能和作用分别为自适应距离保护（以提高躲避正常负荷的能力）、电流速断保护、过电流保护、自适应电流增量保护（以保障高阻接地故障和异相短路故障时保护可靠动作）、反时限过负荷保护和接触网发热保护（以监视牵引网负荷状况）、一次自动重合闸（缩短故障延时，并采用瞬时性与永久性故障识别功能，减少重合永久性故障对设备的冲击）、PT断线检测和分区所（AT所）检有压元件（分别起到失压保护功能和检有压重合闸）等功能。

京沪高铁牵引变电所设置一次重合闸功能，定值延时为2s，而分区所、AT所设置检有压重合闸功能，定值延时分别为3s和4s，失压动作定值延时为1s。牵引网系统在同一个供电臂上的牵引变电所亭的动作逻辑为：假设某一牵引变电所因与之相关联的接触网发生故障而馈线跳闸，此跳闸出口时间定义为0s，分区所、AT所于1s时馈线失压跳闸，牵引变电所2s时馈线重合闸，若故障未切除，则后加速跳闸，整个逻辑流程结束，若故障切除，则重合闸成功，分区所4s时馈线检有压重合闸，AT所5s时馈线检有压重合闸，逻辑流程结束。详见图2牵引网同供电臂跳闸逻辑示意图。

图2 牵引网同供电臂跳闸逻辑示意图

分区所 AT馈线电流互感器变比为 CT=1000，电压互感器变比为 PT=275。保护设有失压保护（34.4V/1s，以下数值都为二次值），检有压自动重合闸（57.3V/3s），距离保护（躲涌流偏移角85度，线路阻抗角 75度，容性阻抗偏移角 15度，其中距离Ⅰ段保护方向为线路方向，距离Ⅱ段保护方向为母线方向），过流保护（1.62A/0.35s），电流增量保护（0.72A/0.42A/1.7s），PT断线检测（45.8V/1.62A）。

AT所馈线流互变为CT=1000，压互变比为PT=275。保护设有失压保护功能（36V/1s），检有压自动重合闸（60V/4s），PT断线检测（48V/0.96A）。

2 故障情况

案例一：2014.06.06故障分区所一

故障时间：2014-06-06，14：02：24.987；报告类型：馈线保护；断路器号：274；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：3.00 km；故障动作：失压元件动作U=24.68kV，I=548A，Z=44.83Ω，φ：=268.2°；事件 1：1ms失压启动，U=7.86kV；事件 2：1001ms失压出口U=0.07kV；事件3：1113ms失压返回U=0.00kV；事件4：4020ms 重合闸出口；事件5：4266ms后加速出口。

故障时间：2014-06-06 14：02：24.989；报告类型：馈线保护；断路器号：273；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：3.00 km；故障动作：失压元件动作U=24.44 kV，I=417A，Z=58.35Ω，φ=265.2°；事件1：1 ms 失压启动 U=8.20 kV；事件2：1001 ms失压出口U=0.06 kV；事件3：1113 ms失压返回U=0.06 kV；事件4：4020 ms重合闸出口；事件5：4198 ms后加速出口。

案例二：2013.01.30故障分区所二

故障时间：2013-03-30，07：21：11.167；报告类型：馈线保护；断路器号：274；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：3.00 km；故障动作：失压元件动作U=24.82 kV，I=464A，Z=54.40Ω，φ=266.8°；事件1：1 ms失压启动U=7.60 kV；事件9：1001ms失压出口 U=0.12 kV；事件10：1113ms失压返回U=0.20 kV；事件11：4020 ms重合闸出口；事件12：4210 ms后加速出口。

故障时间：2013-03-30，07：21：11.167；报告类型：馈线保护；断路器号：273；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：3.00 km；故障动作：失压元件动作U=24.99 kV，I=666A，Z=37.83Ω，φ=267.6°；事件4：5 ms失压启动U=4.69 kV；事件9：1005 ms失压出口U=0.12 kV；事件10：1117 ms失压返回U=0.12 kV；事件11：4024 ms重合闸出口；事件12：4266 ms后加速出口。

3 异常情况

以上案例故障都发生在接触网有故障造成相应牵引变电所馈线跳闸，重合闸成功，根据图2牵引网同供电臂跳闸逻辑示意图可以看出，正常情况下分区所应该检有压重合闸成功，但由于分区所馈线保护装置通过采集到的电量信息，判断线路上有异常状况，因此在重合闸成功的瞬时又后加速跳闸，重合闸失败。

京沪高铁北京局管内从2012年到现在为止多次在不同的分区所发生过类似事件，如除以上案例外还有故障分区所三在2015.11.05和2014.06.06，故障分区所四2016.05.24等等，但是从统计数据来看发生的频率却不是很高，平均约为一年一次。

综上所述事件故障可归纳出以下几个共性特点：事件都发生在分区所；事件发生频率不高；事件发生的范围较大且呈随机分布；事件故障负荷角都在躲涌流偏移角265度左右；事件时采集到的电压值为24 kV以上，电流值为600A左右。

4 故障分析

保护装置所给的故障报文所列数据是最后一次跳闸出口时采集的数据，因此可以确定当有后加速跳闸时的故障报文数据为后加速跳闸采集到的数据。根据相关故障报文数据可以判断出全部的后加速跳闸原因都是距离Ⅱ段保护动作，其它保护从电量数据和逻辑程序来判断并未启动。距离Ⅱ段保护方向由于是指向母线侧，且保护装置的距离保护采用的是阻抗四边形的原理，利用所给定值可得出相关保护边界图形，详见图3分区所距离Ⅱ段保护原理示意图。

从所有后加速跳闸报文数据来计算，事件阻抗角都处在躲涌流偏移角265度附近，而根据定值可得躲涌流偏移角 265度的边界阻抗为，当负荷角在265度左右且阻抗值小于201.56Ω时，阻抗值都在图 3分区所距离Ⅱ段保护原理示意图的跳闸边界条件范围以内，因此后加速跳闸从数据和逻辑来分析是正常的。

图3 分区所距离Ⅱ段保护原理示意图

分区所采集到的电压的压降到 24 kV～25 kV的原因是分区所暂时的供电臂末端压降和变电所重合闸成功引发的瞬时电压波动，采集到的电流有可能为机车的正常取流（单编组机车的正常电流大小为500～600A左右）、自耦变压器和机车变压器励磁涌流的原因，且电流方向指向分区所母线侧，保护装置的二次谐波闭锁未闭锁成功和未躲开涌流偏移所致，所以引发距离Ⅱ段保护装置动作。

综上所述，当接触网发生故障时，且有多组机车正好同时处在故障区段的上行和下行取流时，牵引供电系统的保护装置按照正常设定程序执行，即牵引变电所相应馈线跳闸，分区所、AT失压跳闸，牵引变电所重合闸，AT所检有压重合闸，当程序执行到分区所检有压重合闸时，由于机车的取流（最主要的电流来源）、故障恢复时的励磁涌流造成电流指向分区所的母线侧和瞬时电压波动的压降，使得电压、电流满足分区所距离Ⅱ段保护跳闸的条件，从而引发分区所馈线断路器后加速跳闸。由于故障时必须有机车处在于此区段，且分区所采集到的电压、电流的阻抗配合正好处在距离Ⅱ段的保护范围内，相关二次谐波闭锁未成功抑制误动作，才会使得分区所馈线断路器后加速跳闸，因此此类故障的发生具有极大的偶然性和普遍性。

而由于AT所的保护配置的原因，所以AT所不会发生分区所发生的类似事件。

5 相关建议

针对故障分析中的结论，得出分区所定值修改的如下建议：（1）针对牵引变电所重合闸成功后的励磁涌流的影响，分区所馈线二次谐波闭锁系数现为0.2，建议减小到0.15，以提高二次谐波闭锁保护误动作的概率；（2）针对事件中分区所馈线保护动作阻抗角在265度附近的情况，把现有的躲涌流偏移角85度调整为80度，以减小距离Ⅱ段保护的保护范围，以躲过此偶发事件前提引发的距离Ⅱ段保护误动作；（3）针对事件中的末端电压波动，建议把现有的检有压重合闸延时3s更改为4s，以躲过牵引变电所重合闸成功后牵引网的电压波动；（4）针对其它铁路线路的定值设计整定原则，在牵引供电系统正常运行时，取消除失压保护和检有压重合闸保护以外的所有保护。

6 结语

京沪高速铁路现在每日开行的列车数量是400对左右，运输压力十分巨大，政治影响重大，跳闸故障时间的分秒浪费都有可能影响到正常运输秩序，因此相关技术人员针对牵引供电系统中的定值研究、修改、复核是非常重要和有必要的。

另外京沪高速铁路作为中国第一条具有完全知识产权的品牌，不仅仅对外具有很高的象征意义，最重要的一条就是可以以自身的极限运营所收集到的全部数据进行分析、总结和归纳，可以为国内的其它高铁或铁路从设计之初就避免和完善细节上的不足，以提高整个牵引供电系统的合理性和稳定性。