一起地鐵供電系統(tǒng)停電事故的分析及對(duì)策

魏 巍，嚴(yán) 偉，沈全榮，牛洪海

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

2011年某地鐵線路發(fā)生了供電系統(tǒng)大面積停電事故，導(dǎo)致相關(guān)地鐵線路停運(yùn)近2 h。該次事故的特點(diǎn)是供電系統(tǒng)中多個(gè)斷路器同時(shí)跳閘，導(dǎo)致互為備用的兩路地鐵電源同時(shí)切除。這與以往地鐵供電系統(tǒng)的停電事故截然不同[1]。

1保護(hù)動(dòng)作情況

該次事故共發(fā)送2次保護(hù)動(dòng)作，一次為110 kV電源的線路保護(hù)動(dòng)作，另一次為35 kV系統(tǒng)部分?jǐn)嗦菲髁阈蜻^(guò)流保護(hù)的同時(shí)跳閘。發(fā)生事故的地鐵供電系統(tǒng)如圖1所示。地鐵主變壓器采用Yyn0接線方式，高壓側(cè)經(jīng)間隙接地，低壓側(cè)經(jīng)20 Ω電阻接地。

圖1地鐵供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 110 kV線路保護(hù)動(dòng)作情況

110 kV電源1的保護(hù)裝置首先跳閘。該線路保護(hù)裝置的動(dòng)作報(bào)告如圖2所示。

故障后經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，以上故障信息與實(shí)際故障情況吻合。110 kV線路1發(fā)生了A相永久性接地故障，110 kV線路保護(hù)動(dòng)作正確[2]。

圖2 110 kV線路保護(hù)故障信息

1.2 35 kV系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作情況

110 kV線路發(fā)生接地故障并被切除后，圖1中的301、302、314、324以及 1號(hào)車(chē)站變電所 101和 102進(jìn)線斷路器同時(shí)跳閘。301和302斷路器作為主變低壓側(cè)斷路器，跳閘后直接導(dǎo)致主變電所失電。301、302等保護(hù)裝置的動(dòng)作報(bào)告相同，如圖3所示。

圖3 301等斷路器保護(hù)故障信息

1.3保護(hù)定值配合分析

相關(guān)裝置零序過(guò)流保護(hù)定值如表1所示?，F(xiàn)場(chǎng)定值整定中雖然實(shí)現(xiàn)了零序保護(hù)電流定值的級(jí)差配合，但時(shí)間定值卻完全相同。這樣整定定值的原因是由于地鐵供電系統(tǒng)采用串行供電方式，且供電級(jí)數(shù)較多。而供電局強(qiáng)制要求301、302斷路器的最大延時(shí)定值不超過(guò)1.5 s，為了保證供電環(huán)串末端零序過(guò)流保護(hù)的逐級(jí)配合，被迫將上述6個(gè)斷路器的延時(shí)定值整定為相同的1.5 s。

該次故障中，零序電流達(dá)到了0.591 A，大于表1中所有保護(hù)裝置的電流定值，因此出現(xiàn)了6個(gè)斷路器同時(shí)跳閘的情況。

表1零序過(guò)流保護(hù)整定值

2故障零序電流產(chǎn)生原因分析

301和302斷路器的零序電流波形如圖4所示。301和302斷路器的零序電流大小相同，相位相差180，表現(xiàn)出環(huán)流的特點(diǎn)。314與324斷路器、1號(hào)車(chē)站變電所101與102斷路器的故障零序電流也是大小相同，相位相差180，同樣具有環(huán)流的特點(diǎn)[3]。可以初步推測(cè)：故障時(shí)零序電流從301一端流入，從302一端流出，零序電流回路貫穿了301、302、314、324以及1號(hào)車(chē)站變電所101和102斷路器。

圖4斷路器301與302的零序電流波形

110 kV電源線距離保護(hù)跳閘前后的故障波形如圖5所示。Ua，Ub，Uc分別為主變電所35 kV側(cè)Ⅰ母的三相電壓，I0為主變電所301斷路器的零序電流。T1時(shí)刻110 kV線路發(fā)生了A相接地故障，電壓發(fā)生了一次畸變；T2時(shí)刻110 kV電源1斷路器三相跳開(kāi)，切除了A相的接地故障，電壓波形再次發(fā)生了畸變。T2時(shí)刻后，零序電流開(kāi)始產(chǎn)生，直至T3時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。因此，T2時(shí)刻110 kV電源1的跳閘才是故障零序電流的直接觸發(fā)因素[4]。

由于地鐵35 kV系統(tǒng)為單端電源系統(tǒng)，當(dāng)110 kV電源1斷路器完全跳開(kāi)后，Ⅰ母A、B、C三相電壓應(yīng)全部為0。但實(shí)際的錄波數(shù)據(jù)如圖6所示。T2時(shí)刻110 kV電源1跳開(kāi)后，C相電壓先降低后增加，特別是進(jìn)入穩(wěn)定期的T3時(shí)刻后C相電壓有效值穩(wěn)定在38 V左右，A相、B相電壓也沒(méi)有降到0，而是穩(wěn)定在10 V左右。38 V左右的電壓二次值對(duì)應(yīng)的一次值將高達(dá)23 kV，因此可以斷定T2時(shí)刻后Ⅰ母C相有高壓電源串入[5]。

圖5 110 kV電源1跳閘時(shí)的故障波形

圖6 110 kV電源1跳閘時(shí)的故障波形有效值

T2時(shí)刻110 kV電源1跳開(kāi)后，地鐵供電系統(tǒng)由電源2供電，結(jié)合之前對(duì)零序電流回路的分析，可以得出：1號(hào)車(chē)站變電所的母聯(lián)斷路器發(fā)生了C相閃絡(luò)故障，電源2的C相電壓通過(guò)閃絡(luò)點(diǎn)串入了Ⅰ母。故障過(guò)程為：1號(hào)車(chē)站變電的母聯(lián)斷路器首先出現(xiàn)了絕緣問(wèn)題，T2時(shí)刻110 kV電源1跳開(kāi)后，1號(hào)車(chē)站變電所的Ⅰ母C相電壓迅速降低（與圖6中C相電壓有效值曲線相吻合），導(dǎo)致母聯(lián)斷路器C相兩側(cè)的電勢(shì)差ΔE明顯增加，當(dāng)ΔE大于斷路器殘存的絕緣電壓時(shí)斷路器發(fā)生閃絡(luò)。零序電流產(chǎn)生機(jī)制如圖7所示。

由于地鐵主變采用Yyn0接線方式，且低壓側(cè)采用20 Ω電阻接地方式，母聯(lián)閃絡(luò)故障時(shí)，經(jīng)過(guò)閃絡(luò)故障點(diǎn)、2臺(tái)主變的20 Ω接地電阻以及大地就形成了閃絡(luò)故障的零序電流回路。故障發(fā)生后，作者與地鐵公司電氣檢修人員對(duì)1號(hào)車(chē)站變電所的母聯(lián)斷路器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢查，檢查結(jié)果為：母聯(lián)真空斷路器的C相真空包漏氣，絕緣能力降低，且斷路器C相有明顯燒損痕跡。進(jìn)一步驗(yàn)證了以上分析。

圖7零序電流產(chǎn)生機(jī)制

3改進(jìn)措施

地鐵供電系統(tǒng)母聯(lián)閃絡(luò)故障的危害性較大，為進(jìn)一步提高地鐵供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行能力，提出以下改進(jìn)措施：（1）實(shí)現(xiàn)零序過(guò)流保護(hù)的時(shí)間級(jí)差配合。通過(guò)以上分析，零序保護(hù)延時(shí)定值相同大面積同時(shí)跳閘主要原因。如果能夠?qū)崿F(xiàn)上下級(jí)斷路器間保護(hù)定值的時(shí)間級(jí)差配合，該次事故是完全可以避免的。但是考慮到地鐵環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)定值整定方面的實(shí)際困難，該方法的適用性會(huì)受到一定的影響。（2）配置專(zhuān)用地鐵母聯(lián)閃絡(luò)保護(hù)裝置。閃絡(luò)保護(hù)裝置利用零序電流和斷路器位置信號(hào)為閃絡(luò)判據(jù)[6]。當(dāng)閃絡(luò)故障發(fā)生后快速隔離切除故障點(diǎn)，從而完全避免主變電所停運(yùn)事故的發(fā)生。

4結(jié)束語(yǔ)

地鐵供電系統(tǒng)的母聯(lián)斷路器絕緣降低在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)具有一定的隱蔽性，一旦發(fā)生單路110 kV電源切除事件，母聯(lián)閃絡(luò)故障就有可能發(fā)生，并導(dǎo)致大面積的停電停運(yùn)事故。結(jié)合對(duì)一起地鐵供電系統(tǒng)停電事故，分析了母聯(lián)閃絡(luò)故障的產(chǎn)生原因和危害。最后提出了有針對(duì)性的改進(jìn)升級(jí)措施，供同行技術(shù)人員參考。

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