郭旭刚
（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081；
2 中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路与城轨交通系统技术国家工程研究中心，北京 100081）
在某条高铁客运专线发生了F-R 金属性接触网短路故障，故障报告显示变压器后备保护装置β相过流动作，β相过流跳闸。因短路故障发生在馈线侧，虽然馈线侧断路器相应跳闸，但变压器后备保护低压侧低压启动过电流保护动作并出口，造成越级跳闸。为了避免重合闸送电故障范围进一步扩大并查找原因，发生故障变电所整体退出临时调整为越区供电方式。
根据中国铁路总公司企业标准Q/CR 687—2018《牵引供电系统继电保护配置及整定计算技术导则》（以下简称导则）可知，牵引变压器保护配置里低压侧低压启动过电流保护动作时限为馈线最长动作时限加上ΔT，上下级保护配合的时限级差ΔT宜取0.2 s。针对此变电所、设计院按照《导则》要求设计低压侧低压启动过电流保护动作时限为0.3 s。
为了尽快查找原因并恢复该变电所供电，组织现场相关设备厂家对设备及状态进行安全评估试验，试验并未发现异常。高速铁路牵引供电系统直接影响行车安全，发生越级跳闸属于供电系统的安全隐患，必须查找原因并及时处理。文中针对此次越级跳闸故障，通过对实测数据的分析，还原越级跳闸事件逻辑，为馈线整定值和变压器后备保护定值相互配合提供相关技术支撑。
1.1 短路故障逻辑时序
根据《导则》可知，正常全并联2×25 kV AT 供电系统各所亭保护配置见表1。
表1 全并联2×25 kV AT 供电保护配置
1.2 牵引变压器后备保护
目前电气化铁路牵引变压器后备保护装置不同接线形式的变压器后备保护接线如图1 所示。不同的电气量值进入后备保护装置，装置开始进行计算、比较、逻辑判断等操作。
图1 牵引变压器后备保护电量接线图
低压侧过流保护是跳开出现过流相的断路器。为提高可靠性选择低压启动功能，此低压启动和高压侧过流保护的低压启动共用一个定值，只是时间定值有所区别，如图2 所示。
图2 变压器后备保护低压启动过流保护逻辑
从图1、图2 可以看出，不论是牵引变压器后备保护装置还是馈线保护装置，继电保护逻辑闭环的完成总体有3 个步骤：测量比较、逻辑判断、执行输出。
为了进一步分析发生越级跳闸故障原因，对该变电所高低压侧母线电压、馈线电流，AT 所电压、吸上及横连线电流，分区所电压、吸上及横连线电流进行了实时同步测试，测试数据如图3～图6 所示。
图3～图6 是变电所短路故障发生的整个过程的动作逻辑及波形图（AT 及分区所同理，不再绘出），故障发生后馈线保护装置、故障测距装置、变压器后备保护装置均给出相应的报文。
故障测距装置：下行/FR 故障/电流比原理。变压器后备保护装置：β相过流跳闸。馈线保护装置：下行过电流跳闸、阻抗Ⅰ段跳闸；
上行过电流跳闸、阻抗Ⅰ段跳闸、高阻接地Ⅰ段跳闸。
从图6 可以看出，整个短路故障整体可以划分为4 个阶段。第1 阶段（T1～T2）：共计151 ms；
第2阶段（T2～T3）：共计149 ms；
第3 阶段（T3～T4）：共计49 ms。第4 阶段（T4～T5）：共计86 ms。
第1 阶段故障发生在下行，根据文中1.2 节可知，上、下行馈线保护装置启动到出口需要经过3个步骤的处理，此过程用时再加上馈线保护时限共同形成约150 ms 的故障波形。此阶段下行满足定值过电流跳闸、阻抗Ⅰ段跳闸，下行故障跳开故下行馈线波形如图3（a）、图3（b）所示。此时从图5（c）、图5（d）可以看出，低压启动过电流已经满足启动条件。
图3 变电所短路故障第1 阶段下行故障侧馈线电流波形
第2 阶段要结合第1 阶段，故障仍在下行，此时整个网络由非故障侧上行供电至下行，上行馈线保护装置满足定值要求过电流跳闸、阻抗Ⅰ段跳闸、高阻接地Ⅰ段跳闸，馈线故障消失。由于第1 阶段下行馈线断路器跳开，短路电流配于上行2条馈线，故上行馈线电流有所增加如图4（a）、图4（b）所示。高压侧母线相电流如图5（a）、图5（b）所示，低压侧母线电流如图5（c）、图5（d）所示。
图4 变电所短路故障第1&2 阶段上行非故障侧馈线电流波形
图5 变电所短路故障第1&2 阶段高、低压母线电流波形
第3 阶段要结合第1、2 阶段，在第1 阶段故障发生时刻，牵引变压器后备保护装置低压启动过流保护满足图2 逻辑并启动，如果时限达到要求就出口，由图2 可知低压启动过电流分析处理时限约50 ms 加上保护时间定值300 ms，时限总过程约为350 ms 完成跳闸过程，但是在T3时刻低压侧母线电压恢复且低压侧母线电流消失，根据图2 低压启动过电流逻辑在T3时刻故障电流消失后不到出口时限要求，低压启动过电流应该返回。但是和图2逻辑类似，保护返回也需要经过3 个步骤的处理方可返回，处理保护返回时间也大约为50 ms，就因处理此保护返回时间差和T1～T3时间总时长正好达到了出口时间，故在T4时刻低压侧断路器出口跳闸，更确切地说应该在T4时刻前（图6 中红色箭头时刻），断路器已经跳闸动作但是由于重燃断路器弹跳，直到T4时刻网压降低较为明显，所以此次短路故障低压侧过电流跳闸有一定的“巧合性”，但也是必然。因为这是上下级保护定值设置不匹配导致的。
第4 阶段T4～T5时刻为断路器分闸灭弧过程，此过程更确切的应该是在T4时刻前（图6 中红色箭头时刻），此过程涉及断路器弹跳重燃，直到T5时刻彻底熄弧。
图6 变电所短路故障第1&2&3&4 阶段低压侧母线电压波形
从测试数据分析可以看出，此次跳闸可以认为是保护定值不匹配造成的，如何合理配置各级保护定值十分重要，下面针对此次越级跳闸相关数据进行探讨，正常全并联AT 供电时做如下假设：
假设1：如果上行馈线保护定值设置合理在第1 阶段跳闸就不会发生此次越级跳闸，跳闸逻辑会按照定值及时限要求逐步进行。
假设2：如果 定值0 区、定值1 区、定值2 区 能智能识别，也会避免此次越级跳闸。
假设3：如果设置低压侧低压启动过电流保护动作时限大于0.3 s 的定值，避开因系统处理引起的时间差，也会避免此次越级跳闸。
假设4：如果AT 所和分区所失压保护动作时限设置为0.1 s 或者0.2 s，及时跳开下行故障，也会避免此次越级跳闸。
各设计院及保护装置厂家都是根据《导则》来设计整所定值，图3～图5 中红色横线为电流保护定值线，可见此次越级跳闸所有断路器都是按照定值要求进行动作，没有出现错误跳闸。设计院定值也是按照《导则》要求进行设计。
按照《导则》要求对馈线I 段距离保护电抗定值是按照式（1）保护正常供电线路全长进行整定：
式中：Kk为可靠系数，取1.2；
L0为供电线长度，km；
x0，F为F 供电线单位电抗，Ω/km；
L1为接触网长度，km；
x1，F为F 线单位电抗，Ω/km；
nCT为电流互感器变比；
nPT为电压互感器变比。
正常全并联AT 供电时不论馈线侧任何位置短路故障，阻抗四边形足够包含所有故障位置，所以故障发生后应该按照假设1 进行，上下行不全部跳开，故此时出现了设计院设计定值、《导则》、工程实践之间的一个矛盾，存在设计定值保护不到的“盲区”。
根据式（1）电抗定值整定是按照单位电抗进行整定，实际新建线路F 线的单位电抗、F 供电线单位电抗和设计值出入较大，如果单位电抗设计值较小而实际值偏大，按照《导则》计算的阻抗I 段四边形在距离靠近变电所某个位置就出现了“盲区”的边界条件，有一小段距离是保护不到的。
根据文献［1-3］实测数据可知，实际故障互感的影响不可忽略，并且在不同位置互感对真实测试单位电抗计算值影响不同，电流方向相同时互感影响加强，反之不同方向时削弱。故出现了图7所示的同一位置故障时，阻抗发生了动态变化，同时也解释了“盲区”出现原因。
图7 馈线保护阻抗四边形特性盲区解释
图7 阻抗四边形中，θ为线路阻抗角，φ1 为躲涌流偏移角，φ2 为容性偏移角（取15°），θ、R、X通过定值设定。
按照《导则》设计并没有考虑互感之影响，根据式（1）可知，同一位置故障时，第1 阶段和第2 阶段上行迂回至短路故障点的电抗值并不会发生变化，如果下行故障点距离变电所位置为Lkm，其上行迂回至短路故障点最大电抗计算值为式（2），其下行至短路故障点最大电抗计算值为式（3）：
而实际工程中同一位置距离变电所L处近端短路故障时，阻抗发生了动态变化如图7 所示，故障第1 阶段上行迂回至短路故障点的阻抗距离保护没有出口，阻抗值落在了阻抗四边形的外面，如图7 中 红色 部 分Z上第1阶段；
故障 第2 阶 段上 行 迂回至短路故障点的阻抗距离保护出口，阻抗值落在了阻抗四边形的里面，如图7 中蓝色部分Z上第2阶段。正常AT 全并联供电时定值设置已知，四边形基本固定，《导则》中没有考虑互感之影响，其迂回至短路故障点的阻抗计算如图7 中黑色部分Z上。此情况形成的盲区现象，会不同程度存在，得多加防范。
由此可见，此次短路越级故障是对此类馈线保护“盲区”及文中4 个假设的一个综合体现，同时是对牵引供电系统定值匹配提出了更高的要求。
综上所述，为了避免此类情况的再现，提出以下建议及方案：
（1）新建线路动态联调联试工程验收中AT 全并联供电方式下加入靠近末端位置和近端位置的F 线的带重合闸的短路试验，通过试验来修正设计给出的定值。
（2）为了避开馈线距离保护“盲区”，此时可靠系数Kk的选取尤为重要。如果此系数选取不确定时，可参考假设4 中方案减小AT 所和分区所失压保护动作时限设置为0.1 s 或者0.2 s；
或者可参考假设3 中方案，适当增加低压侧低压启动过电流保护动作时限定值。
（3）增加故障智能识别功能，可有效降低此类故障的发生。
通过对高速铁路牵引供电系统某变电所短路故障引起的越级跳闸进行深度挖掘及详细分析，重现了此次故障发生的全过程，找出了越级跳闸的真正原因，提出了解决此种情况下防止越级跳闸的方案，文中的研究内容为日后定值设计及运营管理提供一种分析思路，为牵引供电系统故障原因分析提供重要的技术依据，具有重要的工程应用价值。
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