黄大铁路馈线故障测距定值计算分析

赵麒

（国能黄大铁路有限责任公司，山东 东营 257000）

0 引言

黄大铁路全长216.8km，是列入国家《中长期铁路网规划》和《推进运输结构调整三年行动计划（2018—2020年）》的重点项目，为国家Ⅰ级、单线电气化重载铁路，设计年运量近期3 197万t、远期4 752万t。管内运行的电力机车主要为SS4型交直流机车、HXD1型“神华号”8轴大功率电力机车。电气化铁路具有运输能力强、运输成本低、资源综合利用率高、节能环保等独特优势；但因接触网设备露天布置，又无备用，设备运行质量受外部环境影响大，每年都会发生多起跳闸事件，中断供电影响铁路行车[1]。运行经验表明，绝大多数接触网跳闸都是接地短路性质的跳闸，因此模拟接触网对地短路故障进行短路试验，准确掌握接触网单位电抗值等主要参数，可以更加准确地进行保护定值的设定和故标参数设置，对接触网故障点的准确分析、判断具有较强的指导意义。

1 故障测距原理

1.1 常用的故障测距原理

目前国内电气化铁路常用的故障测距原理有三种，分别为：阻抗法、故障分析法、行波法。阻抗法是利用故障时测量到的工频电压和电流量来计算回路的阻抗值，同时基于线路长度与阻抗值成正比的原理求出测量点到故障点的距离。故障分析法是利用故障时记录到的电压和电流值对故障进行分析计算，实时求出测量点到故障点的距离。行波法是根据行波传输理论实现对输电线路故障测距的方法[2]。

1.2 单线铁路直供加回流线供电方式故障测距原理

一般情况下，单线铁路直供加回流线供电方式下故障测距采用阻抗法，装置原理接线如图1所示。

在接触网线路发生短路故障时，短路阻抗Zk=Rk+jXk。其中，电阻值Rk随着线路长度的变化和故障点过渡电阻的存在，影响故障测距的准确性。而电抗值Xk与接触网设备结构、材质、钢轨、大地等因素有关，基本上不受运行方式、故障电流大小及其他随机因素的影响[3]。因此，为提高故障测距的精度，现在的铁路馈线保护均采用短路电抗值Xk换算故障点距离Lk。

当线路发生短路故障时，故障测距装置经电压互感器TV测量线路电压Uk，经电流互感器TA测量短路电流Ik，经故障测距装置计算得出故障点的电抗值和接触网的单位电抗值相比进行测距[4]。电抗值计算公式为：

式（1）中：Xk为根据故障时测量到的电压、电流计算出的电抗值（Ω）；imag为所取比值的虚部。

用故障时测量得到的电抗值Xk与接触网的单位电抗值X可计算故障距离Lk。计算公式为：

2 黄大铁路接触网短路试验

2.1 试验目的

为验证黄大铁路变电所馈线保护装置各类型保护整定值的准确性，确保发生故障时保护装置能快速切除故障，精确定位故障区域，有利于快速地减少对运输的影响。

2.2 试验内容

测试接触网对地短路故障时测量点至故障点的电流、电压、距离、电抗值、电阻值、阻抗角等参数，验证馈线保护测控装置中各保护时限逻辑是否符合相关规定和要求，并记录波形[5]。

2.3 试验方法

（1）在线路上将接触网腕臂与钢轨短接形成短路点，从变电所闭合馈线断路器，形成接地短路跳闸。

（2）接线方法：在接触网斜腕臂上连接配套的定位环，将1根铜低压电缆（1kV，240mm2）一端通过设备线夹连接在定位环上，另一端与接线板连接，接线板出线端通过8根铜低压电缆（1kV，70mm2）分别与钢轨连接（钢轨接地点采用接地靴连接），左右轨各接4处。

（3）连接顺序为：接触网斜腕臂（定位环）+1根铜低压电缆（1kV，240mm2）+1块接线板+8根铜低压电缆（1kV，70mm2）+钢轨（接地靴）。

2.4 试验地点

黄大铁路李贝孙牵引变电所211馈线，区间短路点设置3处，具体位置见表1。

表1 区间短路点位置

3 数据分析

李贝孙变电接触网短路试验数据见表2。

表2 接触网短路试验数据统计表

通过式（2）可以分别计算出供电线上网点至3处短路点的接触线单位电抗。海兴南至碣石山338#：

漳卫新河大桥71#：

贾象至海兴南282#：

4 黄大铁路馈线故障测距计算

4.1 电抗定值计算

按照《牵引供电系统继电保护配置及整定计算技术导则》相关要求，单线直接供电方式馈线电抗定值一般采用公式（3）进行计算：

式（3）中：Kk为可靠系数，一般取1.5；L0为供电线长度（km）；x0为供电线单位电抗（Ω/km）；L1为接触网长度（km）；x1为接触网单位电抗（Ω/km）；nCT为电流互感器变比；nPT为电压互感器变比。为保证近变电所线路故障断路器可靠跳闸，电抗定值的一次值一般不应小于2Ω。

4.2 黄大铁路馈线故障测距定值计算

黄大铁路全线共设置5座牵引变电所，分别为黄骅南、李贝孙、程井、油郭、羊口牵引变电所。其中，黄骅南变电所为1条供电臂，其余4座变电所为2条供电臂。

黄大铁路馈线保护采用国电南自WXB-65A微机馈线保护测控装置，没有独立的故障测距装置，为提高故障测距精度，采用分段线性化电抗逼近法原理测距[6]。整定时要求输入线路分区段点数、各点对应的线路一次电抗值及该点对应的公里数。例如线路分六个线性区段，则线路分区段点数应整定为7，接下来为起始点数据，其次为第二点数据，之后为第三点数据，所有点的数据都是指该点到断路器出口处的总电抗值和总公里数。装置可适用于最多分为20段的馈线，装置原理简图见图2。

以程井牵引变电所馈线故障测距定值计算为例进行分析。程井牵引变电所两条馈线分别为211馈线向大家洼方向送电，213馈线向黄骅南方向送电。

首先，计算时根据供电线、站场、路基、桥梁等特点将供电臂划分为不同阻抗的线性区段。

211馈线可划为起点（0km）、供电线（0.105km）、上网点～滨城区间路基段（8.07km）、滨城站（2.961km）、滨城～利津区间桥梁段（5.7km）、滨城～利津区间路基段（6.142km），总计22.978km。

213馈线可划为起点（0km）、供电线（0.175km）、上网点～沾化西区间路基段（10.636km）、沾化西站（2.064km）、沾化西～无棣北区间路基第1段（4.507km）、沾化西～无棣北区间桥梁段（1.989km）、沾化西～无棣北区间路基第2段（7.87km），总计27.241km。

黄大铁路供电线型号为LBGLJ-240，正线接触线型号为CTAH120，侧线接触线型号为CTAH85。设计院原始定值中接触网单位电抗为0.397Ω/km，黄大铁路公司、设计院、施工单位、监理单位技术人员根据短路试验得到的参数进行综合分析，一致认为站场、桥梁及路基对接触网单位电抗的影响是不同的。结合运营经验确定不同线路条件下的接触网单位电抗值：供 电 线0.47Ω/km；路 基 段0.377Ω/km；桥 梁 段0.333Ω/km；3股道站场0.180Ω/km；6股道及以上站场0.100Ω/km；阻抗角一般选择为65°～71°左右，与机车功率因数角相差较大，能有效避免保护装置误动作[7]。

将计算后的213馈线距离、单位电抗、区段电抗、整定距离、整定电抗等数据列入定值整定表中（表3），同理将211馈线进行计算，形成程井变电所供电范围内接触网故障测距定值表。用同样的计算方法分别对4座变电所8条供电臂逐个进行计算，完成黄大铁路接触网故障测距定值的计算。

表3 程井变电所213馈线故标整定表

5 黄大铁路馈线故障案例分析

5.1 案例一

2021年02月28日18时14分49秒，程井变电所213断路器阻抗Ⅰ段保护动作跳闸，重合闸保护启动，18时14分51秒，213断路器过电流后加速保护动作跳闸，重合闸失败。巡视变电所213馈线相关设备正常后，18时28分试送213断路器，18时28分36秒阻抗Ⅰ段、高阻接地Ⅰ段保护动作跳闸。

第一次故障跳闸报告数据：故障距离=24.81km，线路阻抗角=67.305°，一次电阻=3.712Ω，一次电抗=8.876Ω，馈线电流=1631.357A，馈线电压=15694.594V。

重合闸失败跳闸报告数据：故障距离=21.632km，线路阻抗角=68.661°，一次电阻=2.999Ω，一次电抗=7.677Ω，馈线电流=1728.031A，馈线电压=14243.299V。

供电调度试送失败跳闸报告数据：故障距离=24.945km，线路阻抗角=67.321°，一次电阻=3.730Ω，一次电抗=8.926Ω，馈线电流=1627.219A，馈线电压=15742.528V。

实际故障地点为无棣北至沾化西区间168号支柱（K77+169）上鸟窝，通过斜腕臂绝缘子与支柱搭接，造成接地跳闸，实际故障地点距离上网点25.392km，与3次故障跳闸测距分别相差0.582km、3.760km、0.447km。

5.2 案例二

2022年1月28日9时51分00秒羊口变电所213断路器阻抗Ⅰ段保护动作跳闸，重合闸保护成功。

故障跳闸报告数据：故障距离=13.879km，线路阻抗角=69.446°，一次电阻=1.965Ω，一次电抗=5.242Ω，馈线电流=2144.024A，馈线电压=12002.108V。

相关接触网班组步行巡视未发现设备异常，通过天窗平台巡检发现丁庄至羊口区间173号支柱（K183+200）斜腕臂有放电痕迹，同时在附近农田找到一块约3m长、1m宽的塑料布，塑料布上也有放电痕迹，当日天气为大风，据此分析跳闸原因为塑料布刮在接触网上并与支柱搭接，造成接地跳闸，实际故障地点距离上网点12.015km，与故障跳闸测距相差1.864km。

通过两次案例可以看出，黄大铁路馈线故障测距指示还存在一定的误差，如果按设计院选取的接触网单位电抗值进行整定，误差会更大，说明此次短路试验是必要的。运营经验表明，影响故障测距准确性的主要因素为接触网线路的单位电抗值，黄大铁路路基段的土壤电导率存在较大差异，从而导致接触网单位电抗值存在差异，只有不断通过运行中跳闸的故障数据进行修正，才能更加精确定位故障点。

6 结语

综上所述，掌握黄大铁路牵引变电所馈线保护故障测距的原理、计算方法、整定和校验方法，对运行中接触网跳闸参数进行分析，找出产生误差的原因，采取可行的计算方法缩小误差，准确定位故障点，对指导供电专业作业人员迅速查找故障、缩短故障延时、提高黄大铁路牵引供电可靠性和运输安全畅通具有重要意义。