我国电气化铁路接触保护问题

1、我国电气化铁路接触网保护设计的一个基本问题2009-2-11     文章来源:张宝奇 高艳平 我国电气化铁路接触网保护设计的一个基本问题张宝奇 高艳平 1 前言 接触线与受电弓之间的电流传输属于滑动式电接触方式。相对于电气化铁路强大的工况传输电流，接触线与受电弓滑板间的线形接触方式，无疑成为整个牵引网中最薄弱的环节。运行中的电力机车高压设备发生接地短路故障，短路电流常常达到数千安培乃至以上，将使接触线和受电弓滑板承受巨大的考验，在大张力作用下的接触线极易发生断线故障。多年来我国电气化铁路在冻雨、大雾等恶劣天气时电力机车车顶绝缘子闪络或机车在接

2、地故障情况下升弓取流多次发生接触线断线事故可以说明这一点。按常理，上述情况下，变电所馈线电流速段主保护动作，断路器跳闸后可切断故障点，但为什么还是造成断线事故发生了呢？本文从我国目前接触网电流速断主保护（不涉及后备保护，下同）时限整定原则着手，对上述断线事故原因进行分析，提出改进建议。2我国目前接触网电流速段主保护采用的方式及存在的问题笔者认为，正是由于我国因考虑与机车的配合，造成牵引网电流速断保护跳闸延时整定时限过长，短路电流持续时间长，大大提高了接触线断线概率。换句话说，我国目前采用的接触网电流速断保护与电力机车保护配合方式，虽然做到了1台电力机车内部故障不影响其他电力机车取流，但实际上该

3、方式承担着车顶绝缘故障或接触网接地故障时造成接触线断线的极大风险。也就是说，要想降低电气化铁路接触线熔断概率，必须尽可能减少短路持续时间，即短路跳闸时间。3德国电气化铁路接触网电流速段保护采用方式sc。在德国测量出熔断CuAc-100型接触线所必需的电流取决于接触线与一块碳化板组合的电流持续时间。从测试来看，作为持续时间函数的允许接触电流建议由下式给出： Icon.perm=1200/tsc+100 (A) （1）其中tsc是电流作用的持续时间。根据公式（1），很明显，熔断电流的大小与电流持续时间成反比。这一点不难理解，电力机车短路电流作用时间越长越容易造成接触线在滑板处熔断。德国铁路股份公司

4、标准 DS997.9113规定：在短路情况下，供电臂首端（即牵引变电所向接触网馈电的上网点处）的交流短路电流应按照40kA和短路器跳闸整定时间不大于60ms进行计算。若取保护继电器的反应时间和断路器的跳开时间之和为0.06s(实际情况视断路器类型和保护装置的不同，有差异)，则我国目前采用的电流速段保护时限（0.1s）下tsc为0.1s+0.06s=0.16s，而德国采用的tsc为0.06s。分别代入公式（1），可得到的我国电气化铁路熔断电流Icon.perm约在8kA左右，德国则可达到20kA。也就是说，同样的弓网接触状况，造成接触线断线的熔断电流德国是我国的2.5倍。这就不难理解我国电气化铁

5、路在机车短路时接触线发生断线故障概率大的原因了。另外，根据德国电气化铁路运行经验，目前允许流经接触线受电弓滑板结合处的经济上和技术上的最大可控制电流大约是2000A（文献1第468页）。关于接触网电流速段保护与电力机车保护的配合问题，笔者翻遍了目前所能掌握的国外有关资料，没有找到相应的论述。但在文献1第479页有这样的一段话：“大电流（电流速段）保护的目标是当预设的电流极限值被超出时马上发送一断开信号至相应的断路器。在大电流保护回路中选择性原则是不能经常保持的，因为极大的短路电流必须阻止以免会将接触线熔化。短路电流在牵引供电网中的持续时间取决于保护继电器的反应时间和断路器的跳开时间，在采用真空

6、断路器的单相交流系统中，此值约在2045ms”。综合上述内容可以推测，德国电气化铁路并不考虑接触网电流速段保护动作时限与电力机车保护的配合。4关于接触网电流速段主保护与电力机车保护配合问题的讨论德国采用的接触网电流速段保护动作时限不与电力机车保护配合方式有什么后果呢？很显然，应分四种情况：一是若1台电力机车主电路保护外侧（主要是车顶高压部分）发生接地短路故障，会造成接触网保护动作跳闸，整个供电臂停电。二是若1台电力机车车顶氧化物避雷器因过电压动作，因动作时间短，不会造成接触网保护动作跳闸整个供电臂停电。三是若1台电力机车车顶保护间隙因过电压动作，因保护间隙动作时间有一定的离散性，可能会造成接触

7、网保护动作跳闸整个供电臂停电。四是机车主电路保护范围内发生接地短路故障，可能会造成接触网电流速段保护与机车保护同时动作，整个供电臂接触网跳闸停电。根据以上分析，若接触网电流速段主保护不与电力机车保护配合，在三、四两种情形会造成整个供电臂接触网停电，影响其他电力机车正常受流。而一、二两种情形则后果一致。但由于接触网馈线断路器设有自动重合闸，一般在23s内会重合恢复供电（其中第三情形也会因保护间隙恢复而正常供电）。也就是说，接触网只有短暂实限无电。那么，接触网短暂时间停电是否会对电力机车运行造成较大的影响呢？ 生产实践证明，接触网瞬间断电2-3s，是不会对电力机车造成大的影响的。工程实践中也作为正

8、常方式。如哈大电气化铁路采用上下行并联供电方式，当一个行别发生短路故障，在电力机车运行情况下，上下行接触网同时跳闸停电，再根据判断装置自动恢复无故障行别接触网供电。再比如日本新干线使用及我国西安铁路科研所研制的地面转换自动过分相装置，也是在电力机车正在取流时，接触网先停电再恢复电力机车供电。文献4也有相同的结论。5对我国接触网保护方式的改进建议综上所述，为大大降低电力机车故障引发接触线断线的概率，建议接触网电流速断主保护不设动作时限，实现真正的“速断”。 接触网阻抗1段保护整定时限可比照处理。这样，当电力机车高压部分发生故障时，短路电流在牵引供电网中的持续时间只是保护继电器的反应时间和断路器的跳开时间。虽然这样会影响其他机车短时供电，但却极大地降低了接触线断线概率，不会因断线事故对运输造成更大的影响。至于电力机车车顶过电压保护，采用氧化物避雷器，不用空气保护间隙，这已是发展趋势。电力机车车顶氧化物避雷器动作时，不会造成接触网跳闸停电。6结束语随着我国电气化铁路和电力系统的快速发展，牵引