牽引變電所回流對鄰近配電室饋出線保護(hù)的影響及預(yù)防

李彥吉

（北京鐵路局 石家莊供電段，河北石家莊050000）

牽引變電所回流對鄰近配電室饋出線保護(hù)的影響及預(yù)防

李彥吉

（北京鐵路局 石家莊供電段，河北石家莊050000）

通過對京廣高速鐵路牽引變電所內(nèi)高壓設(shè)備發(fā)生接地故障或接觸網(wǎng)跳閘時、引起相鄰或線路上配電室饋出線（綜合貫通、一級貫通）零序過電流保護(hù)誤動跳閘問題的分析，提出了設(shè)計階段應(yīng)該統(tǒng)籌考慮保護(hù)的配合、運(yùn)營階段應(yīng)實測配電室可能出現(xiàn)最大零序電流對整定值進(jìn)行修訂以提高單相接地故障時零序過電流保護(hù)的靈敏度，簡述了現(xiàn)場應(yīng)用效果。

短路電流；配電室；零序過電流保護(hù)；誤動作

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)變電所采用了220 k V或者更高電壓等級的外電源系統(tǒng)、隨著系統(tǒng)短路容量的加大，巨大的牽引短路電流通過各專業(yè)共同使用的綜合接地系統(tǒng)，靜電和電磁感應(yīng)對周圍10 k V配電和信號系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

京廣高速鐵路試運(yùn)營、開通后的一年內(nèi)，因為牽引供電系統(tǒng)的跳閘，先后多次、多地影響了10 k V配電系統(tǒng)的供電。

1.1 牽引變電所進(jìn)線系統(tǒng)接地故障引起配電室零序過電流保護(hù)誤動

2012年10月9日邯鄲東變電所220 k V側(cè)電流互感器B相燒毀爆炸，主變壓器差動保護(hù)動作跳閘，同一時間邯鄲東配電室262開關(guān)零序過電流保護(hù)動作跳閘，造成邯安區(qū)間（邯鄲—安陽）一級貫通線路停電，故障報告如表1。

表1 邯鄲東配電室262跳閘故障報告

1.2 牽引變電所饋線系統(tǒng)接地故障引起配電室零序過電流保護(hù)誤動

2012年8月7日邯鄲東變電所由于T線高壓電纜故障造成214開關(guān)跳閘，T線故障電流12 361 A，同一時間邯鄲東配電室272開關(guān)零序過電流保護(hù)動作跳閘，造成邯安區(qū)間綜合貫通線路停電，故障報告如表2。

表2 邯鄲東配電室272跳閘故障報告

1.3 接觸網(wǎng)跳閘重合失敗引起配電室零序過電流保護(hù)誤動

2012年10月11日進(jìn)行京廣高速鐵路高邑西—邢臺東區(qū)間接觸網(wǎng)短路試驗，故障區(qū)段位于AT所至分區(qū)所段、永久性接地，高邑西變電所214斷路器跳閘時高邑西配電室運(yùn)行正常，在重合閘失敗的瞬間高邑西配電室262開關(guān)零序過電流保護(hù)動作跳閘，造成高邢區(qū)間（高邑—邢臺）一級貫通線路停電，故障報告如表3。

表3 高邑西配電室262跳閘故障報告

1.4 直供方式下接觸網(wǎng)跳閘引起配電室零序過電流保護(hù)誤動

2012年10月11日進(jìn)行京廣高速鐵路高邑西—邢臺東區(qū)間接觸網(wǎng)短路試驗，故障區(qū)段位于AT所至分區(qū)所段（接近供電臂末端），將線路上的AT全部退出運(yùn)行，也就是直供方式下的永久性接地，高邑西變電所213斷路器跳閘瞬間高邑西配電室262開關(guān)零序過電流保護(hù)動作跳閘，造成高邢區(qū)間一級貫通線路停電，故障報告如表4。

表4 高邑西配電室262跳閘故障報告

2 原因分析

從以上2個配電室4次跳閘情況來看，一級（綜合）貫通零序過電流保護(hù)的誤動與牽引供電系統(tǒng)的接地跳閘有著直接的關(guān)系，上述條款1.1，1.2，1.4為變電所跳閘的同時，1.3為接觸網(wǎng)重合閘失敗的同時。

2.1 近端短路引起地網(wǎng)電位升高

邯鄲東變電所與邯鄲東配電室為合建所，二者共用同一棟樓房、1樓為牽引變電所控制室、高壓室以及配電室貫通母段的小電阻接地裝置（600 A/10Ω），3樓為配電室的控制室與高壓室，室外為牽引變電所的220 k V進(jìn)線和主變壓器設(shè)備區(qū)，所有高壓設(shè)備共用同一接地網(wǎng)、實測接地電阻0.22Ω。

從表1中母線側(cè)、線路側(cè)電壓Uab、Uca和表2中Uca的變化可以看出：在有短路電流流經(jīng)地網(wǎng)時，接地網(wǎng)電位升高以致貫通調(diào)壓器中性點(diǎn)發(fā)生了漂移，三相電壓不平衡，產(chǎn)生零序電流，引起零序過電流保護(hù)動作，斷路器跳閘。

2.2 牽引回流增加引起地網(wǎng)電位升高

京廣高鐵變電所正常運(yùn)行時，采用AT供電方式，因為F線的存在、長回路內(nèi)由于T線、F線電流相等、方向相反且為負(fù)載電流的一半，對外界產(chǎn)生的影響互相抵消。在變電所出口端不設(shè)自耦變壓器的AT供電方式下，只要在AT所間或AT所與分區(qū)所之間不論發(fā)生T或F線接地故障，對于長回路來說，對外界的干擾值為零。但是在以下兩種情況下，牽引供電系統(tǒng)對外界的影響是不能忽略的。

（1）變電所近端負(fù)荷

由于變電所出口處省略了AT，在近端（變電所的第一個AT所間）出現(xiàn)負(fù)載時，有相當(dāng)一部分電流通過鋼軌、PW線和大地流回變電所，通過在邯鄲東變電所的實地測量，地中電流占到總回流的67%左右，比如觀測到總回流742 A、此時地中電流達(dá)到499 A，較大的地回流也有可能引起地網(wǎng)電位的升高。文獻(xiàn)［1］研究表明電力機(jī)車向變電所行進(jìn)時，地網(wǎng)電位會沖擊性地抬升，因其形成的地回流值相對較小、對鄰近10 k V系統(tǒng)影響有限，在地網(wǎng)接地電阻合格的情況下、尚未見到由此引起的非正常跳閘。

（2）線路上AT解列時

京廣高速鐵路采用了全并聯(lián)的AT供電方式，正常情況下接觸網(wǎng)上下行并聯(lián)供電，遇有故障時變電所饋線上下行開關(guān)同時動作跳閘、線路上AT所、分區(qū)所失壓保護(hù)動作跳閘、AT退出運(yùn)行，2s后變電所重合閘、若為瞬時性故障變電所重合成功，AT所、分區(qū)所檢有壓合閘投入AT、恢復(fù)全并聯(lián)的AT供電方式；若為永久性故障變電所饋線重合失敗，后加速動作瞬時跳閘，AT所、分區(qū)所將因線路無壓不動作合閘。也就是說，在變電所跳閘后重合閘時、實際上是直接供電方式，若變電所重合失敗時，接觸網(wǎng)的短路電流將全部通過鋼軌、PW線和大地流回變電所，較大的短路電流可能引起變電所地網(wǎng)電位的升高。

另外，在變更為直接供電方式時，因沒有回流線，正常的負(fù)荷電流全部通過鋼軌、PW線和大地流回變電所，據(jù)觀測一列動車的負(fù)荷電流能達(dá)到1 100 A，如此大的負(fù)荷電流也能夠引起地網(wǎng)電位的升高。

以上兩種方式下牽引回流對10 k V饋線的影響需要運(yùn)行中觀察、確認(rèn)。

2.3 感應(yīng)電流

表2、表3中，零序過電流保護(hù)動作時，母線、線路的電壓并沒有發(fā)生變化，說明不是由于中性點(diǎn)漂移產(chǎn)生的零序電流。

單相工頻牽引網(wǎng)對周圍其他線路的影響包括靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩個方面，文獻(xiàn)［2］對以上兩種影響有詳細(xì)的闡述。接觸網(wǎng)正常供電、短路接地、重合閘、AT解列等狀態(tài)以及幾種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中將產(chǎn)生不容忽視的感應(yīng)電流。由于貫通線路與接觸網(wǎng)并行距離長（能到達(dá)40～60 km），從實測數(shù)據(jù)來看、感應(yīng)電流的影響要遠(yuǎn)高于地網(wǎng)電位升高產(chǎn)生的零序電流的影響。

3 解決方案

針對上述存在的問題，筆者以為在設(shè)計、運(yùn)營階段應(yīng)該采取不同的應(yīng)對措施。

3.1 設(shè)計階段綜合考慮各專業(yè)的影響

（1）設(shè)置零序過電流保護(hù)的動作延時

京廣高速鐵路配電室一級（綜合）貫通零序電流是通過在套饋出線電纜上的零序電流互感器獲得，由其啟動的零序過電流保護(hù)動作延時為零，即保護(hù)不帶時限?？紤]到零序過電流保護(hù)誤動只是發(fā)生在牽引變電所故障重合閘失敗或所內(nèi)接地的情況下，如果重合閘動作不成功，變電所饋線保護(hù)后加速啟動，斷路器瞬間跳閘。因此，可設(shè)置零序過電流保護(hù)的動作延時以躲過重合閘的動作時間，理論上躲過斷路器的固有分閘動作時間即可。牽引變電所內(nèi)斷路器采用ABB公司生產(chǎn)的ZX1.5－R型高壓柜，現(xiàn)場測試斷路器的固有分閘時間為32 ms左右；在變電所饋線接地（如高壓電纜）饋線保護(hù)距離I段動作時間為100 ms、差動保護(hù)亦為瞬時動作。

為避免上述故障時引起的零序過電流誤動作、設(shè)計階段可考慮增加動作延時的方案，比如按最大動作時間100 ms、加上斷路器固有動作時間32 ms和測控裝置判斷時間，考慮到貫通線路單相接地時保護(hù)動作的快速性，該時間不能無限制延長，宜保持在200～500 ms。

10 k V配電室貫通母段經(jīng)調(diào)壓隔離變壓器引出，與電源母段是相對獨(dú)立的系統(tǒng)，且兩個母段的運(yùn)行方式不同，電源母段采用小電流接地系統(tǒng)，零序過電流保護(hù)只動作于報警，而貫通母段采用大電流接地系統(tǒng)，零序過電流保護(hù)動作于跳閘，因此增加保護(hù)的動作延時，也不會影響電源母段安全運(yùn)行。

（2）適當(dāng)提高零序過電流保護(hù)定值

配電室一級（綜合）貫通零序過電流保護(hù)的整定值為0.1 A，零序電流互感器變比為50/1，折算到一次側(cè)為0.1×50＝5 A，即零序過電流保護(hù)動作的一次整定值為5 A。

（3）零序過電流保護(hù)整定計算［3］

為了提高線路發(fā)生過渡電阻接地故障時保護(hù)動作的靈敏性，又保證保護(hù)在線路正常運(yùn)行時不發(fā)生誤動，應(yīng)根據(jù)實際情況計算出每條饋線的電容電流，零序過流保護(hù)的整定值只需躲過其他線路發(fā)生金屬性接地時，本線路所供出的電容電流就完全可以了。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查了解京廣高速貫通線路采用型號為YLV22－8.7/10 k V的單芯全電纜線路，電纜截面為70 mm2，供電臂長度l約為60 km，電纜電容（導(dǎo)體與外皮之間）為C1＝0.22μF/km，通過以上參數(shù)計算非故障線路的電容電流（不考慮相間電容）為：

Krel為可靠系數(shù)，取1.5，這樣零序過電流保護(hù)整定值應(yīng)為

折算到二次值為：36.75/50＝0.735 A

雖然考慮到線路電抗器補(bǔ)償?shù)那闆r下，零序保護(hù)的整定值可以適當(dāng)減小，增加零序保護(hù)的靈敏度，但相對于現(xiàn)定值0.1 A（二次值）仍有較大的提高余量。

3.2 運(yùn)營中實測零序電流

運(yùn)營階段在變電所出線端短路接地時能夠檢測到由于地網(wǎng)電位的升高、中性點(diǎn)漂移產(chǎn)生的零序電流；在接觸網(wǎng)跳閘重合失敗時，同樣能夠檢測到AT解列、供電方式轉(zhuǎn)化為直接供電方式時，在貫通線路上由于靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)產(chǎn)生的零序電流，運(yùn)行中可以通過上述兩種供電方式的實測值來校核零序過電流保護(hù)整定計算值，取較小者作為準(zhǔn)確的運(yùn)營定值、以進(jìn)一步提高零序過電流保護(hù)的靈敏性。

4 結(jié)束語

2013年1月試驗性地將邢臺東配電室零序過電流整定值修改為0.3 A（折算到一次側(cè)為15 A），在2月3日邢臺東變電所213跳閘重合失敗時，配電室零序過電流保護(hù)未啟動跳閘，說明通過提高電流整定值來預(yù)防零序過電流保護(hù)誤動的方案是可行的。

2013年3月經(jīng)與設(shè)計院溝通，石家莊供電段統(tǒng)一將高邑西、邢臺東、邯鄲東配電室一級（綜合）貫通整定值調(diào)整為0.3 A/5 s，5個月來先后經(jīng)歷了高邑西、邢臺東變電所220 k V電流互感器爆炸、多次惡劣天氣接觸網(wǎng)跳閘重合失敗等故障的考驗，配電室未再次出現(xiàn)零序過電流保護(hù)誤動問題，說明措施是可行而且正確的。期間模擬了電力線路單相接地故障、零序過電流保護(hù)均能準(zhǔn)確動作，對既有配電室的運(yùn)行是沒有影響的。

上述零序過電流整定方式是參考地方供電系統(tǒng)和對京廣高速鐵路實地測試而確定的方案、在沒有電抗器補(bǔ)償、非電纜線路、三芯電纜線路其值將有較大的變化，需要根據(jù)運(yùn)營需要進(jìn)行整定和完善。

參考文獻(xiàn)

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［2］ 譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)第二版［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

［3］ 劉學(xué)軍.繼電保護(hù)原理［M］.北京：中國電力出版社，2004.

Analysis and Prevention of Protective System False Action for Switch Room Feeder Because Traction Substation Return Current

LI Yanji
（Shijiazhuang Power Supply Depot，Beijing Railway Bureau，Shijiazhuang 050000 Hebei，China）

By analyzing the false operation of the feeder zero sequence current protection in switch room when traction substation or contact line bring earth fault in Beijing－Guangzhou high-speed railway，Introduces design phase should calculate protective match and operating phase should measure the zero sequence current，amends setting value for enhance sensitivity of zero sequence current protection in one-phase short-circuit，describes the applied circumstance.

short-circuit current；switch room；zero sequence current protection；false action

U224.2＋6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.29

1008－7842（2014）01－0129－04

4—）男，高級工程師（

2013－08－22）