牵引供电馈线继电保护问题分析及应对措施

张翼翔，武 骥

(国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062300）

牵引供电综合自动化系统对于保障铁路行车安全具有重要意义。馈线继电保护的灵敏性、可靠性、快速性、正确性如不能满足设备故障判断的要求，极有可能引起接触网设备误动、拒动，甚至对铁路现场工作人员的人身安全构成极大威胁。本文主要针对一起接触网故障发生后，牵引供电馈线保护装置拒动的案例进行原因分析，并针对暴露出的问题，提出有关措施和建议。

1 故障概况

1.1 故障经过

2018 年3 月21 日，某分区所某区间上、下行接触网并联断路器阻抗I 段保护动作出口，断路器跳闸将区间上、下行接触网解除并列运行，但对应变电所接触网馈线断路器保护未动作跳闸。54 s后，某次机车运行到下行K126+500 处，B 节受电弓撞击悬吊于承力索上的压管和斜腕臂钢管，导致受电弓弓头、上框架断裂飞出，列车紧急制动后惰行395 m 停车。供电调度通知司机临时处理B 节受电弓，司机将B 节受电弓下臂杆用铁丝固定于B 节车顶上。供电专业人员经现场确认接触网可以送电后，机车升A 节受电弓，机车头处接触网接地，并伴有严重拉弧和巨大声响。此时该馈线电流1 000 余A，馈线保护装置未动作，供电调度员通过远动系统紧急将变电所馈线断路器远动分闸。

1.2 设备基本参数

某牵引变电所主变压器为V/V 接线，容量16 000+25 000 kVA，一次侧额定电流145.45/325.37/227.27 A，二次侧额定电流581.82/1 301.48/909.09 A。主变压器低压侧和214 馈线CT 变比均为1 250/5；27.5 kV 母线PT 变比为27 500/100。

某区间供电方式为复线直供，上/下行通过分区所并联运行，上、下行馈线不包含供电线全长均为26.1 km，正线承力索型号为LBGLJ-185，接触线型号为GLCN-250。

2 故障原因分析

2.1 受电弓撞击接触悬挂原因分析

通过视频分析发现，故障发生前一只黄鼬攀爬至某区间下行K126+500 处328#接触网下锚支柱斜腕臂的棒式绝缘子上，形成接触网→腕臂钢管→黄鼬→斜腕臂棒式绝缘子接地跳线→接触网回流线的接地短路回路。短路电流致使斜腕臂棒式绝缘子炸裂、接地跳线烧断。在接触网张力和弧光短路电流的共同作用下，压管棒式绝缘子随即断裂，压管和斜腕臂钢管脱离接地悬吊于承力索上。因变电所馈线断路器未跳闸，某区间下行接触网仍然有电，导致机车运行到此处时，B 节受电弓撞击悬吊于承力索上的压管和斜腕臂钢管。

2.2 接触网二次接地原因分析

司机处理B 节受电弓后未将B 节切除，当机车升起A 节受电弓后，致使接触网通过机车接地。接地回路为：接触线→A 节受电弓→车顶导电杆→B节受电弓下臂杆→B 节车外壳→钢轨。

2.3 第一次接地馈线断路器拒动原因分析

1）距离保护未动作原因分析

某区间馈线设两段距离保护，其中Ⅰ段距离保护中的电抗定值按照不超过分区所断路器范围整定，如公式（1）所示。

公式中：KK为可靠系数，取1.2；L0为供电线长度；X0为供电线单位电抗；L1为接触网长度；X1为接触网单位电抗；nCT为电流互感器变比；nPT为电压互感器变比。

电阻定值按照躲过最小负荷阻抗整定，如公式（2）所示。

式中：Umin为母线最低工作电压；KK为可靠系数，取1.2；Ifhmax为最大负荷电流；θf为负荷阻抗角；θL为线路阻抗角；nCT为电流互感器变比；nPT为电压互感器变比。

Ⅱ段距离保护中的电抗定值按照保护上、下行全长整定，如公式（3）所示。

电阻定值与Ⅰ段相同。实际Ⅰ段距离保护定值为电阻7.08 Ω、电抗6.13 Ω，Ⅱ段距离保护定值为电阻7.08 Ω、电抗17.09 Ω。

根据巡视反馈接触网第一次接地位置故标为25.99 km，为下行馈线末端，按照保护原理，Ⅱ段距离保护应启动并按时限要求切除故障点。但由于短路电流通过黄鼬造成弧光接地，接地电阻较大，保护装置测量的电阻值为15.24 Ω、电抗值为7.39 Ω，短路阻抗角为25.8°。虽然电抗值小于Ⅱ段距离保护动作电抗整定值，但电阻值大于Ⅱ段距离保护动作电阻整定值，短路阻抗值落在了保护装置动作区外，故Ⅱ段距离保护不能启动。

2）低电压启动过电流保护未动作原因分析

馈线设低电压启动过电流保护，保护范围为馈线全长。过电流二次动作整定值为7.2 A（折算至一次侧电流为1 800 A），低电压二次动作整定值为65 V(折算至一次侧电压为17.9 kV)。

接触网第一次接地位置故标为25.99 km，为馈线末端，按照保护原理，低电压启动过电流保护应启动并按时限要求切除故障点。但根据保护装置后台数据显示二次侧短路电流为5.25 A（折算至一次侧电流为1 312 A）、二次侧母线残压为89 V（折算到一次侧残压为24.475 kV），保护装置的电流值小于保护动作整定值，电压值大于保护动作整定值，两个条件都不满足，故低电压启动过电流保护不能动作。

3）电流增量未动作原因分析

电流增量保护通过比较正常状态下的负荷电流（电感电流）和高电阻故障电流随时间变化的分量ΔI的不同来检出故障，可有效弥补因接触网高阻接地时距离保护可靠性降低的问题。但该变电所馈线未投入电流增量保护，而未投入的原因为和谐号等交—直—交机车的功率因数接近于1 且启动电流较大，保护装置无法进行正常负载电流与故障电流的有效识别而造成电流增量保护误动，故将增量保护退出。

2.4 第二次接地馈线断路器拒动原因分析

接触网第二次接地点至某牵引变电所的距离，比接触网第一次接地点至某牵引变电所的距离要缩短395 m 且为金属性接地。按照原理，短路点距离电源越近，短路电流越大，且保护装置测量到的母线残压和电抗、电阻值越小，低电压启动过电流保护和Ⅱ段距离保护更应启动并按时限要求出口切除故障点。但不同于接触网第一次接地后保护装置后台还有相关数据，接触网第二次接地后除无保护启动信息外，也未能查询到故障电流、电压、电抗和电阻等有关参数。

1）馈线及主变压器低压侧过电流启动低电压拒动原因分析

该馈线过电流保护二次定值IDZ=7.94 A，低电压定值65 V；主变压器低压侧过电流整定值IDZ=5.09 A，低电压整定值65 V。根据馈线过电流保护整定计算如公式（4）所示。

公式中：KK为可靠系数，取1.2；Ifhmax为馈线最大负荷；nCT为CT变比。

则可得出：计算过电流定值时，所取的馈线最大负荷电流值Ifhmax达到1 654 A（折算到一次侧），而设计院所给出的馈线最大负荷电流为1 489 A，按照此电流计算出的馈线过电流定值应为：IDZ＝1.2×1 489/250 ＝7.15 A。

灵敏度方面：按照《铁路牵引供电设计规范》（TB 10009-2005）（旧版，保护装置投入时的有效版本）、《铁路牵引供电设计规范》（TB 10009-2016）（现行有效版本）中，对近后备保护中电流元件的灵敏系数Km均为1.3 ～1.5 的规定，按照前述二次定值IDZ＝7.94 A，根据过电流保护灵敏系数校核计算如公式（5）所示。

公式中：IDmin为最小短路电流；Idz为保护装置一次动作电流。

反向推算得知，如果要满足保护装置灵敏性的要求（即被保护线路范围内故障时，保护装置应具有必要的灵敏系数），接触网全长26.1 km 的某间下行馈线，在末端金属性短路时，保护装置安装处测得的一次最小短路电流可达到2 581 ～2 978 A。根据变电所主变压器容量、供电臂长度计算，在继电保护整定中，所取的馈线最大负荷电流Ifhmax，以及末端金属性最小短路电流IDmin值，虽然使过电流保护定值满足了行车要求，但未满足过电流保护动作电流按躲过馈线最大负荷电流、尤其是未满足末端故障时有足够灵敏度进行整定的要求，背离了继电保护灵敏度优先的原则。

2）距离保护拒动原因分析

按照Ⅰ、II 段距离保护中的电阻整定计算公式（6）所示。

公式中:Umin为牵引变电所母线最低工作电压；KK为可靠系数取1.2；θfh为负荷阻抗角，一般取40°～80°；θxL为线路阻抗角，一般取70°～85°。需要对牵引变电所母线最低工作电压Umin、负荷阻抗角θfh、线路阻抗角θxL，在继电保护整定中取值的合理性，做进一步论证。

3）后台数据丢失原因分析

该变电所馈线保护装置的运行期限已达9 年零10 个月，接近原铁道部规定的电子产品10 年的运行年限。装置后台数据存储不稳定，可能是导致第二次接地参数数据丢失的重要原因。

3 应对措施及建议

3.1 建议对保护定值进行优化和调整

1）建议对低电压启动过电流保护、距离保护定值重新进行核算和调整

a.根据牵引供电设备和机车设备实际参数的理论计算，以及运行数据的统计分析，必要时进行列车运行取流以及短路试验等实际测试，合理确定馈线最大负荷电流Ifhmax、牵引变电所母线最低工作电压Umin、馈线末端金属性最小短路电流IDmin、馈线末端金属性短路时牵引变电所母线最大残压UDmax、负荷阻抗角θf和线路阻抗角θL，并实测PT 断线后保护装置测量电压等数值。

b.根据上述确定数值，对距离保护、低电压过电流保护的有关整定值进行重新计算，并校核灵敏系数；同时，做好牵引变电所继电保护装置之间，以及接触网馈线保护与电力机车保护之间的保护范围和保护时限的配合，并满足对继电保护装置的灵敏性、可靠性、选择性要求。

2）建议对PT 断线闭锁保护的电压整定值进行调整

为防止接触网短路后，牵引变电所母线二次侧电压降至60 V 以下时，导致PT 断线闭锁保护误动闭锁距离保护，进而引发距离保护拒动致使保护装置可靠性下降的问题，根据相关试验数据，建议将PT 断线闭锁保护的二次电压整定值从现在的60 V调整为40 V，从而在保持对PT 断线发生后的灵敏反应的同时，防止装置在接触网故障发生后保护无法出口。

3）综合考虑机车对于定值设置的影响

a.对SS4G 电力机车无欠压保护的问题加以综合考虑，如果因此造成供电系统自动保护装置可靠性下降的影响，无法通过其他方法予以弥补，就要考虑对SS4G 机车加装欠压保护，以避免在正常运行状态下，牵引变电所主变二次侧母线电压在低电压启动过电流保护误动之前，无限制下降。

b.SS4B、SS4G 等交-直型机车运行对投入电流增量保护较为有利，但需要对和谐号交-直-交型机车运行对电流增量保护可靠性影响的程度，以及单跑、混跑模式分别对保护整定值的影响，做进一步的论证。

4）优化保护定值的灵敏性、正确性

a.牵引供电的继电保护的配置以及整定计算，应同时满足可靠性、速动性、选择性和灵敏性的要求。当因实际条件限制确实难以兼顾时，必须优先保证灵敏性，尤其不能为满足实际运输需求而将定值进行简单调整，以防止保护拒动对设备或人员造成永久性损害。

b.牵引供电的继电保护的整定计算，应针对牵引供电以及机车的具体参数和系统运行方式，加以综合考虑确定。当不能满足可靠性、速动性、选择性和灵敏性的要求时，应考虑进行牵引供电系统的改造，从根本上化解实际运输需求和牵引供电保护之间的矛盾，从而在安全的基础上保障铁路运输生产效率的可持续维系与提高。

3.2 建议加快临期、超期服役计算机保护的更换进度

1）为防止计算机保护装置因老化带来的可靠性下降的影响，充分利用大、中修从根本上解决设备运行质量下降的问题，加快推进变配电所中临期、超期继电保护装置的更换进度。

2）针对短期无法进行更换的计算机保护，需加强日常巡视和定期维护，同时针对板件、内部排线、通讯线等薄弱环节需加强备品、备件管理，做到有备无患。

3.3 建议增加牵引变电所，缩短供电臂长度

鉴于某区间为直供加回流的供电方式，供电臂长达26.1 km，建议考虑增加牵引变电所，化解实际运输过程中供电臂列车容纳和牵引供电继电保护之间的矛盾。

3.4 建议明确应急处置流程，提升应急能力

要进一步明确在各种异常和紧急状态下的处置流程、细化应急处置措施，提高应急处置方案的针对性和有效性，并做好有针对性的培训教育工作，提高重点和关键岗位的应急处置水平。

按照关于应急演练的有关规定，对现场处置方案逐一进行实景模拟演练。演练时要全面考虑防止次生灾害的安全措施，提高关键和重点岗位的应急处置实操能力与安全意识。

4 结束语

针对一起机车和接触网故障而导致计算机保护拒动的特殊情况进行分析，从车辆、受电弓、变电所内一次设备、各种保护的设置等进行逐一分析，并指出其中不合理的处所，及时提出整改建议和未来的提升方向。为后期出现类似故障提供参考，也为发生故障时能快速启动应急响应机制，并能够科学合理地分析产生故障的真实原因，减少故障处理时间，提升处理效率，保障铁路的正常供电。