我國電氣化鐵路接觸保護問題

1、我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)保護設(shè)計的一個基本問題2009-2-11     文章來源:張寶奇 高艷平 我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)保護設(shè)計的一個基本問題張寶奇 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，無疑成為整個牽引網(wǎng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。運行中的電力機車高壓設(shè)備發(fā)生接地短路故障，短路電流常常達到數(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，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、大霧等惡劣天氣時電力機車車頂絕緣子閃絡(luò)或機車在接

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。按常理，上述情況下，變電所饋線電流速段主保護動作，斷路器跳閘后可切斷故障點，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（不涉及后備保護，下同）時限整定原則著手，對上述斷線事故原因進行分析，提出改進建議。2我國目前接觸網(wǎng)電流速段主保護采用的方式及存在的問題筆者認為，正是由于我國因考慮與機車的配合，造成牽引網(wǎng)電流速斷保護跳閘延時整定時限過長，短路電流持續(xù)時間長，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)電流速斷保護與電力機車保護配合方式，雖然做到了1臺電力機車內(nèi)部故障不影響其他電力機車取流，但實際上該

3、方式承擔著車頂絕緣故障或接觸網(wǎng)接地故障時造成接觸線斷線的極大風(fēng)險。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)時間，即短路跳閘時間。3德國電氣化鐵路接觸網(wǎng)電流速段保護采用方式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)時間。從測試來看，作為持續(xù)時間函數(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)時間。根據(jù)公式（1），很明顯，熔斷電流的大小與電流持續(xù)時間成反比。這一點不難理解，電力機車短路電流作用時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、標準 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)點處）的交流短路電流應(yīng)按照40kA和短路器跳閘整定時間不大于60ms進行計算。若取保護繼電器的反應(yīng)時間和斷路器的跳開時間之和為0.06s(實際情況視斷路器類型和保護裝置的不同，有差異)，則我國目前采用的電流速段保護時限（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、路在機車短路時接觸線發(fā)生斷線故障概率大的原因了。另外，根據(jù)德國電氣化鐵路運行經(jīng)驗，目前允許流經(jīng)接觸線受電弓滑板結(jié)合處的經(jīng)濟上和技術(shù)上的最大可控制電流大約是2000A（文獻1第468頁）。關(guān)于接觸網(wǎng)電流速段保護與電力機車保護的配合問題，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1第479頁有這樣的一段話：“大電流（電流速段）保護的目標是當預(yù)設(shè)的電流極限值被超出時馬上發(fā)送一斷開信號至相應(yīng)的斷路器。在大電流保護回路中選擇性原則是不能經(jīng)常保持的，因為極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)時間取決于保護繼電器的反應(yīng)時間和斷路器的跳開時間，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)電流速段保護動作時限與電力機車保護的配合。4關(guān)于接觸網(wǎng)電流速段主保護與電力機車保護配合問題的討論德國采用的接觸網(wǎng)電流速段保護動作時限不與電力機車保護配合方式有什么后果呢？很顯然，應(yīng)分四種情況：一是若1臺電力機車主電路保護外側(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)保護動作跳閘，整個供電臂停電。二是若1臺電力機車車頂氧化物避雷器因過電壓動作，因動作時間短，不會造成接觸網(wǎng)保護動作跳閘整個供電臂停電。三是若1臺電力機車車頂保護間隙因過電壓動作，因保護間隙動作時間有一定的離散性，可能會造成接觸

7、網(wǎng)保護動作跳閘整個供電臂停電。四是機車主電路保護范圍內(nèi)發(fā)生接地短路故障，可能會造成接觸網(wǎng)電流速段保護與機車保護同時動作，整個供電臂接觸網(wǎng)跳閘停電。根據(jù)以上分析，若接觸網(wǎng)電流速段主保護不與電力機車保護配合，在三、四兩種情形會造成整個供電臂接觸網(wǎng)停電，影響其他電力機車正常受流。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間隙恢復(fù)而正常供電）。也就是說，接觸網(wǎng)只有短暫實限無電。那么，接觸網(wǎng)短暫時間停電是否會對電力機車運行造成較大的影響呢？ 生產(chǎn)實踐證明，接觸網(wǎng)瞬間斷電2-3s，是不會對電力機車造成大的影響的。工程實踐中也作為正

8、常方式。如哈大電氣化鐵路采用上下行并聯(lián)供電方式，當一個行別發(fā)生短路故障，在電力機車運行情況下，上下行接觸網(wǎng)同時跳閘停電，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，也是在電力機車正在取流時，接觸網(wǎng)先停電再恢復(fù)電力機車供電。文獻4也有相同的結(jié)論。5對我國接觸網(wǎng)保護方式的改進建議綜上所述，為大大降低電力機車故障引發(fā)接觸線斷線的概率，建議接觸網(wǎng)電流速斷主保護不設(shè)動作時限，實現(xiàn)真正的“速斷”。 接觸網(wǎng)阻抗1段保護整定時限可比照處理。這樣，當電力機車高壓部分發(fā)生故障時，短路電流在牽引供電網(wǎng)中的持續(xù)時間只是保護繼電器的反應(yīng)時間和斷路器的跳開時間。雖然這樣會影響其他機車短時供電，但卻極大地降低了接觸線斷線概率，不會因斷線事故對運輸造成更大的影響。至于電力機車車頂過電壓保護，采用氧化物避雷器，不用空氣保護間隙，這已是發(fā)展趨勢。電力機車車頂氧化物避雷器動作時，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