牵引变电所阻抗Ⅰ段继电保护的整定分析

李 冰

0 引言

2011年7月1日京沪高铁开通运行后，由于恶劣天气影响，接触网绝缘子受雷击发生击穿故障时，牵引变电所曾经发生供电臂馈出断路器没有跳闸，而主变压器越级跳闸现象。同时，导致综合自动化装置无法提供故标信息，给现场人员快速查找故障造成了严重影响。因此，对故障进行技术分析，提出有针对性的改进措施，迅速消除设备故障，确保京沪高铁运行安全，成为牵引供电系统一项刻不容缓的任务。

1 故障及存在的问题

2011年8月12日，京沪高铁周营变电所主变压器二次侧 202DL发生低电压过电流保护跳闸，兴仁AT所271 DL和272 DL、望河分区所273DL和 274DL失压跳闸，主变压器所带的望河上下行供电臂211DL、212DL均启动了阻抗Ⅰ段保护，但均未出口动作，反映出主变压器二次侧 202DL与馈线211DL、212DL继电保护存在越级跳闸问题。同时，由于望河上下行供电臂211DL、212DL均未跳闸，综合自动化故标装置和保护装置未能提供故标信息。故障发生后，供电段对故障区段连夜组织了巡视检查，发现滕州东—枣庄间下行K620处接触网1065#支柱AF线悬式绝缘子因雷击断裂、击穿接地。

2 对继电保护动作情况的分析

调阅跳闸数据显示：兴仁AT所、望河分区所、周营变电所吸上电流分别为2 033，1 997，130 A。

从吸上电流数据中看出，故障应该在AT所到分区所的区间。

跳闸时上行T线、F线电流分别为738，1 017 A；下行T线、F线电流分别为735，2 494 A。

从T线、F线电流数据来看，应该是下行的F线发生接地故障。

综合分析，跳闸原因应该是周营牵引变电所望河下行供电臂 AT所到分区所区间的 F线接地故障。按照继电保护的整定原则，馈线 211DL和212DL应该跳闸，主变压器不应该越级跳闸。下面对断路器跳闸数据和保护动作的逻辑关系进行分析，以便找出造成主变压器越级跳闸的原因

2.1 主变压器202DL跳闸分析

主变压器低压侧过电流保护整定值：

3 425 A / 1.0 s / 72 V。

主变压器低压侧过电流保护启动事件记录如下：

低压侧过流出口时间 1 000 ms；高压侧电压100.270 V；低压侧电压UT= 49.260 V；低压侧电压UF= 48.92 V；低压侧电压UTF= 49.090 V；高压侧电流IH2= 0.61 A；低压侧电流IL1= 2.06 A。

发生跳闸时，低压侧故障电流为5 150 A大于整定值3 425 A，母线电压为49.090 V大于整定值72 V，时限达到1.0 s。根据主变压器低电压过电流保护动作原理，主变压器二次侧 202DL保护为正确动作（图1）。

图1 主变压器低电压过电流保护动作原理图

2.2 馈线211DL和212DL未跳闸分析

211DL和212DL阻抗I段保护整定值：

R= 63 Ω，X= 188.1 Ω；二次谐波闭锁系数为0.2；PT断线检测电压定值60 V（一次值33 000 V）；PT断线闭锁电流定值1.1 A（一次值2 750 A）。

211DL和212DL装置保护启动事件记录如下：

（1）211DL装置。阻抗Ⅰ段，保护启动；UTF1= 26 253 V，ITF1= 2 650 A；阻抗Ⅰ段，保护返回；UTF1= 26 268 V，ITF1= 2 675 A。

（2）212DL装置。阻抗Ⅰ段，保护启动；UTF1= 25 113 V，ITF1= 2 650 A；阻抗Ⅰ段，保护返回；UTF1= 25 107 V，ITF1= 2 600 A。

馈线211DL和212DL阻抗Ⅰ段保护均投入了PT断线闭锁功能。从整定值和故障数据可以看出，211DL馈线电压UTF1= 26 268 V，212DL馈线电压UTF1= 25 107 V，均小于整定值33 000 V。同时，211DL馈线电流ITF1= 2 675 A，212DL馈线电流ITF1= 2 600 A，均小于整定值2 750 A，达到了PT断线闭锁条件，从而启动了PT断线闭锁功能，阻抗Ⅰ段保护自动返回，保护没有出口。

投入PT断线闭锁功能，主要是防止因电压互感器PT断保险引起阻抗Ⅰ段保护装置误动作。

接触网发生接地故障时，由于接触网线路产生电压降，在牵引变电所电压互感器检测到的电压会大大降低，远小于额定电压。从而，保护装置计算得出的电阻、电抗值会达到阻抗Ⅰ段保护阻抗四边形的启动条件。

电压互感器PT断保险（或PT回路断线）时，接触网电压正常，而电压互感器电压为0。由于感应电的作用，电压表会显示有一定的感应电压，一般不超过 40 V。由于电压互感器检测到的电压接近0，从而保护装置计算得出的电阻、电抗值也会达到阻抗Ⅰ段保护阻抗四边形的启动条件，引起误动作。因此，电压互感器PT断保险时，尽管接触网电压正常，并非发生接地故障，仍然会引起保护装置跳闸。

但是，在直供方式下，接触网发生接地故障和电压互感器PT断保险时，电流和电压值是有区别的。接触网发生接地故障时，电流会远远超过最大负荷电流（可认为是过电流保护整定值），同时，测量到的二次电压会大大降低，根据故障点远近不同会有所差异，但肯定低于最低工作电压72 V（一次为20 kV）。而电压互感器PT断保险时，电流为正常的负荷电流，不会超过过电流保护整定值，同时，电压接近0，一般会低于电压互感器的感应电压40 V。

因此，在直供方式下，为了防止电压互感器PT断保险引起保护装置误动作，引入了PT断线闭锁功能。在接触网线路电阻、电抗值满足阻抗Ⅰ段保护装置动作条件时，如果牵引变电所二次测量电压低于接触网最低工作电压，而电流不超过正常负荷电流（一般取过电流保护整定值）时，即判定为电压互感器断保险，闭锁阻抗Ⅰ段保护装置动作。否则，判定为接触网接地故障，启动阻抗Ⅰ段保护装置动作。在设置整定值时，一般将PT断线闭锁保护动作的条件设为电流不大于过电流保护整定值，同时，电压不大于接触网最低工作电压72 V，为可靠起见，一般取60 V。

但是，在 AT供电方式下，如果故障点在 AT所与分区所之间，由于其所内AT变压器的吸流作用和上下行并联分流作用，故障电流被强制分配到上下行供电臂中，从而在牵引变电所每个保护装置检测到的故障电流比实际故障电流小很多，甚至只有实际故障电流的一半。当馈线过电流整定值设置偏高时，牵引变电所保护装置检测到的故障电流就会比PT断线闭锁条件设置的最大负荷电流（过电流保护整定值）还小，这样，保护装置无法区分该电流是故障电流还是负荷电流，就会启动PT断线闭锁功能，造成保护装置阻抗Ⅰ段拒动。

同时，从该故障可以看出，在AT供电方式下，如果故障点在AT所与分区所之间，牵引变电所二次电压虽然低于整定值 60 V，但大于最大感应电压40 V。因此，以接触网最低工作电压作为PT断线闭锁条件是不可靠的，应当以PT断线时电压互感器二次最高感应电压作为闭锁条件最为合适。

综上所述，在AT供电方式下，由于PT断线闭锁条件设置不合理，PT断线闭锁电压整定值偏高（设置为60 V），PT断线闭锁电流整定值也偏高（设置为2 750 A），造成阻抗Ⅰ段保护被闭锁，导致主变压器低压侧202DL越级跳闸。

3 整改措施

通过调整阻抗Ⅰ段保护装置的PT断线闭锁条件，可保证该保护装置动作可靠。具体作法：一是根据京沪高铁实际负荷情况，将牵引变电所馈线阻抗Ⅰ段保护装置 PT断线闭锁电流整定值适当降低，不超过设计的最大负荷电流即可，调整为2 500 A；二是根据监测到的PT断线实际电压值，将PT断线闭锁电压整定值适当降低，调整为40 V。

按照上述思路，济南铁路局自2011年9月对京沪高铁牵引变电所阻抗Ⅰ段保护装置的PT断线闭锁条件进行调整后，未再发生越级跳闸的现象。