我國電氣化鐵路接觸保護(hù)問題

1、我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本問題2009-2-11     文章來源:張寶奇 高艷平 我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本問題張寶奇 高艷平 1 前言 接觸線與受電弓之間的電流傳輸屬于滑動式電接觸方式。相對于電氣化鐵路強(qiáng)大的工況傳輸電流，接觸線與受電弓滑板間的線形接觸方式，無疑成為整個(gè)牽引網(wǎng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。運(yùn)行中的電力機(jī)車高壓設(shè)備發(fā)生接地短路故障，短路電流常常達(dá)到數(shù)千安培乃至以上，將使接觸線和受電弓滑板承受巨大的考驗(yàn)，在大張力作用下的接觸線極易發(fā)生斷線故障。多年來我國電氣化鐵路在凍雨、大霧等惡劣天氣時(shí)電力機(jī)車車頂絕緣子閃絡(luò)或機(jī)車在接

2、地故障情況下升弓取流多次發(fā)生接觸線斷線事故可以說明這一點(diǎn)。按常理，上述情況下，變電所饋線電流速段主保護(hù)動作，斷路器跳閘后可切斷故障點(diǎn)，但為什么還是造成斷線事故發(fā)生了呢？本文從我國目前接觸網(wǎng)電流速斷主保護(hù)（不涉及后備保護(hù)，下同）時(shí)限整定原則著手，對上述斷線事故原因進(jìn)行分析，提出改進(jìn)建議。2我國目前接觸網(wǎng)電流速段主保護(hù)采用的方式及存在的問題筆者認(rèn)為，正是由于我國因考慮與機(jī)車的配合，造成牽引網(wǎng)電流速斷保護(hù)跳閘延時(shí)整定時(shí)限過長，短路電流持續(xù)時(shí)間長，大大提高了接觸線斷線概率。換句話說，我國目前采用的接觸網(wǎng)電流速斷保護(hù)與電力機(jī)車保護(hù)配合方式，雖然做到了1臺電力機(jī)車內(nèi)部故障不影響其他電力機(jī)車取流，但實(shí)際上該

3、方式承擔(dān)著車頂絕緣故障或接觸網(wǎng)接地故障時(shí)造成接觸線斷線的極大風(fēng)險(xiǎn)。也就是說，要想降低電氣化鐵路接觸線熔斷概率，必須盡可能減少短路持續(xù)時(shí)間，即短路跳閘時(shí)間。3德國電氣化鐵路接觸網(wǎng)電流速段保護(hù)采用方式sc。在德國測量出熔斷CuAc-100型接觸線所必需的電流取決于接觸線與一塊碳化板組合的電流持續(xù)時(shí)間。從測試來看，作為持續(xù)時(shí)間函數(shù)的允許接觸電流建議由下式給出： Icon.perm=1200/tsc+100 (A) （1）其中tsc是電流作用的持續(xù)時(shí)間。根據(jù)公式（1），很明顯，熔斷電流的大小與電流持續(xù)時(shí)間成反比。這一點(diǎn)不難理解，電力機(jī)車短路電流作用時(shí)間越長越容易造成接觸線在滑板處熔斷。德國鐵路股份公司

4、標(biāo)準(zhǔn) DS997.9113規(guī)定：在短路情況下，供電臂首端（即牽引變電所向接觸網(wǎng)饋電的上網(wǎng)點(diǎn)處）的交流短路電流應(yīng)按照40kA和短路器跳閘整定時(shí)間不大于60ms進(jìn)行計(jì)算。若取保護(hù)繼電器的反應(yīng)時(shí)間和斷路器的跳開時(shí)間之和為0.06s(實(shí)際情況視斷路器類型和保護(hù)裝置的不同，有差異)，則我國目前采用的電流速段保護(hù)時(shí)限（0.1s）下tsc為0.1s+0.06s=0.16s，而德國采用的tsc為0.06s。分別代入公式（1），可得到的我國電氣化鐵路熔斷電流Icon.perm約在8kA左右，德國則可達(dá)到20kA。也就是說，同樣的弓網(wǎng)接觸狀況，造成接觸線斷線的熔斷電流德國是我國的2.5倍。這就不難理解我國電氣化鐵

5、路在機(jī)車短路時(shí)接觸線發(fā)生斷線故障概率大的原因了。另外，根據(jù)德國電氣化鐵路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前允許流經(jīng)接觸線受電弓滑板結(jié)合處的經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的最大可控制電流大約是2000A（文獻(xiàn)1第468頁）。關(guān)于接觸網(wǎng)電流速段保護(hù)與電力機(jī)車保護(hù)的配合問題，筆者翻遍了目前所能掌握的國外有關(guān)資料，沒有找到相應(yīng)的論述。但在文獻(xiàn)1第479頁有這樣的一段話：“大電流（電流速段）保護(hù)的目標(biāo)是當(dāng)預(yù)設(shè)的電流極限值被超出時(shí)馬上發(fā)送一斷開信號至相應(yīng)的斷路器。在大電流保護(hù)回路中選擇性原則是不能經(jīng)常保持的，因?yàn)闃O大的短路電流必須阻止以免會將接觸線熔化。短路電流在牽引供電網(wǎng)中的持續(xù)時(shí)間取決于保護(hù)繼電器的反應(yīng)時(shí)間和斷路器的跳開時(shí)間，在采用真空

6、斷路器的單相交流系統(tǒng)中，此值約在2045ms”。綜合上述內(nèi)容可以推測，德國電氣化鐵路并不考慮接觸網(wǎng)電流速段保護(hù)動作時(shí)限與電力機(jī)車保護(hù)的配合。4關(guān)于接觸網(wǎng)電流速段主保護(hù)與電力機(jī)車保護(hù)配合問題的討論德國采用的接觸網(wǎng)電流速段保護(hù)動作時(shí)限不與電力機(jī)車保護(hù)配合方式有什么后果呢？很顯然，應(yīng)分四種情況：一是若1臺電力機(jī)車主電路保護(hù)外側(cè)（主要是車頂高壓部分）發(fā)生接地短路故障，會造成接觸網(wǎng)保護(hù)動作跳閘，整個(gè)供電臂停電。二是若1臺電力機(jī)車車頂氧化物避雷器因過電壓動作，因動作時(shí)間短，不會造成接觸網(wǎng)保護(hù)動作跳閘整個(gè)供電臂停電。三是若1臺電力機(jī)車車頂保護(hù)間隙因過電壓動作，因保護(hù)間隙動作時(shí)間有一定的離散性，可能會造成接觸

7、網(wǎng)保護(hù)動作跳閘整個(gè)供電臂停電。四是機(jī)車主電路保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生接地短路故障，可能會造成接觸網(wǎng)電流速段保護(hù)與機(jī)車保護(hù)同時(shí)動作，整個(gè)供電臂接觸網(wǎng)跳閘停電。根據(jù)以上分析，若接觸網(wǎng)電流速段主保護(hù)不與電力機(jī)車保護(hù)配合，在三、四兩種情形會造成整個(gè)供電臂接觸網(wǎng)停電，影響其他電力機(jī)車正常受流。而一、二兩種情形則后果一致。但由于接觸網(wǎng)饋線斷路器設(shè)有自動重合閘，一般在23s內(nèi)會重合恢復(fù)供電（其中第三情形也會因保護(hù)間隙恢復(fù)而正常供電）。也就是說，接觸網(wǎng)只有短暫實(shí)限無電。那么，接觸網(wǎng)短暫時(shí)間停電是否會對電力機(jī)車運(yùn)行造成較大的影響呢？ 生產(chǎn)實(shí)踐證明，接觸網(wǎng)瞬間斷電2-3s，是不會對電力機(jī)車造成大的影響的。工程實(shí)踐中也作為正

8、常方式。如哈大電氣化鐵路采用上下行并聯(lián)供電方式，當(dāng)一個(gè)行別發(fā)生短路故障，在電力機(jī)車運(yùn)行情況下，上下行接觸網(wǎng)同時(shí)跳閘停電，再根據(jù)判斷裝置自動恢復(fù)無故障行別接觸網(wǎng)供電。再比如日本新干線使用及我國西安鐵路科研所研制的地面轉(zhuǎn)換自動過分相裝置，也是在電力機(jī)車正在取流時(shí)，接觸網(wǎng)先停電再恢復(fù)電力機(jī)車供電。文獻(xiàn)4也有相同的結(jié)論。5對我國接觸網(wǎng)保護(hù)方式的改進(jìn)建議綜上所述，為大大降低電力機(jī)車故障引發(fā)接觸線斷線的概率，建議接觸網(wǎng)電流速斷主保護(hù)不設(shè)動作時(shí)限，實(shí)現(xiàn)真正的“速斷”。 接觸網(wǎng)阻抗1段保護(hù)整定時(shí)限可比照處理。這樣，當(dāng)電力機(jī)車高壓部分發(fā)生故障時(shí)，短路電流在牽引供電網(wǎng)中的持續(xù)時(shí)間只是保護(hù)繼電器的反應(yīng)時(shí)間和斷路器的跳開時(shí)間。雖然這樣會影響其他機(jī)車短時(shí)供電，但卻極大地降低了接觸線斷線概率，不會因斷線事故對運(yùn)輸造成更大的影響。至于電力機(jī)車車頂過電壓保護(hù)，采用氧化物避雷器，不用空氣保護(hù)間隙，這已是發(fā)展趨勢。電力機(jī)車車頂氧化物避雷器動作時(shí)，不會造成接觸網(wǎng)跳閘停電。6結(jié)束語隨著我國電氣化鐵路和電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，牽引