數(shù)據(jù)分析法推斷牽引供電系統(tǒng)故障跳閘原因

趙朝蓬

數(shù)據(jù)分析法推斷牽引供電系統(tǒng)故障跳閘原因

趙朝蓬

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)為牽引供電系統(tǒng)故障跳閘提供詳細(xì)報(bào)文，通過數(shù)據(jù)分析可以快速判斷故障性質(zhì)、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)故障查找、及時(shí)組織應(yīng)急處置，將故障影響降到最小程度。本文以一起一系列牽引變電所故障跳閘為例，展示運(yùn)用數(shù)據(jù)分析法推斷供電設(shè)備故障跳閘的方法與要點(diǎn)。

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)；供電設(shè)備；數(shù)據(jù)分析法；故障處理

0 引言

目前，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、光纖通訊等技術(shù)在國內(nèi)牽引供電系統(tǒng)普遍應(yīng)用，使得牽引變電所的跳閘數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài)、電流電壓波形等在變電所、SCADA系統(tǒng)調(diào)度端（鐵路局供電調(diào)度）、SCADA系統(tǒng)復(fù)示端幾乎可以同步查閱。鐵路局供電調(diào)度位于供電系統(tǒng)調(diào)度指揮的信息中心，充分利用SCADA系統(tǒng)，可以在故障跳閘時(shí)快速準(zhǔn)確判斷故障性質(zhì)、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)故障查找、及時(shí)指揮應(yīng)急處置，將故障影響降到最小程度。

本文以寧安高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試中發(fā)生的一系列故障跳閘分析為例，展示鐵路局供電調(diào)度運(yùn)用數(shù)據(jù)分析法推斷故障原因、排查安全隱患的方法與要點(diǎn)。

1 故障概況

（1）2015年8月28日6時(shí)11分12秒，弋江牽引變電所1#主變壓器差動(dòng)保護(hù)跳閘，主變互投裝置未啟動(dòng)，鐵路局供電調(diào)度初判后投入2#備用系統(tǒng)運(yùn)行。鐵路局供電調(diào)度詢問列車調(diào)度得知，跳閘時(shí)有聯(lián)調(diào)聯(lián)試的首列確認(rèn)列車DJ7001經(jīng)過繁昌西分區(qū)所分相，通知列車試驗(yàn)人員檢查確認(rèn)列車受電弓完好后，接觸網(wǎng)送電繼續(xù)開車。

（2）7時(shí)31分53秒，弋江變電所213DL（繁昌西方向供電臂）和相鄰的銅陵東變電所211DL（繁昌西方向供電臂）同時(shí)阻抗Ⅰ段跳閘。鐵路局供電調(diào)度得知跳閘時(shí)有D55001次動(dòng)車組經(jīng)過繁昌西分區(qū)所分相，通知列車試驗(yàn)人員檢查受電弓完好后，接觸網(wǎng)送電繼續(xù)開車。調(diào)度通知人員到該分相處的圍欄外觀察接觸網(wǎng)是否異常，現(xiàn)場(chǎng)人員匯報(bào)無明顯異常。

（3）8時(shí)48分47秒，弋江變電所213DL和銅陵東變電所211DL再次同時(shí)阻抗Ⅰ段跳閘。繁昌西分區(qū)所分相現(xiàn)場(chǎng)駐守人員匯報(bào)D56001次動(dòng)車組經(jīng)過時(shí)，該六跨關(guān)節(jié)式分相處有火球，外觀無明確缺陷。鐵路局供電調(diào)度通知列車試驗(yàn)人員檢查列車受電弓無異常后，接觸網(wǎng)送電繼續(xù)開車，隨即組織現(xiàn)場(chǎng)人員上道檢查、處理故障。搶修人員檢查接觸網(wǎng)后，更換了一支外表有電弧灼傷的硅橡膠絕緣子，對(duì)分相中性區(qū)關(guān)節(jié)處兩支接觸導(dǎo)線空氣絕緣間隙為280 mm的缺陷進(jìn)行調(diào)整，調(diào)到設(shè)計(jì)要求的安全距離500 mm。

分相檢查處理后，當(dāng)天聯(lián)調(diào)聯(lián)試動(dòng)車組繼續(xù)正常試驗(yàn)，同時(shí)安排人員在弋江牽引變電所排查跳閘原因。

2 采用數(shù)據(jù)分析法排查故障原因

通過對(duì)上述每件跳閘事件單獨(dú)分析和關(guān)聯(lián)分析，可知3次跳閘時(shí)，動(dòng)車組均通過繁昌西分區(qū)所分相，且分相中性區(qū)接觸網(wǎng)參數(shù)不達(dá)標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了整改，后續(xù)試驗(yàn)正常，說明3次跳閘均與分相區(qū)缺陷有關(guān)。下文運(yùn)用數(shù)據(jù)分析法排查故障情況。

2.1 分相區(qū)兩側(cè)接觸網(wǎng)短路分析

7時(shí)31分53秒、8時(shí)48分47秒，弋江和銅陵東牽引變電所饋線先后2次同時(shí)跳閘，調(diào)度人員看到：2次跳閘時(shí)，兩變電所饋線電流大小基本相等，分別為1 850、1 840，1 900、1 887 A，根據(jù)電流數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，可判斷為六跨兩斷口關(guān)節(jié)式接觸網(wǎng)分相發(fā)生相間短路故障。

動(dòng)車組運(yùn)行到分相區(qū)時(shí)，受電弓滑板短接兩斷口分相的一個(gè)斷口，因另一個(gè)斷口處空氣間隙僅為280 mm，受電弓通過時(shí)發(fā)生震動(dòng)，導(dǎo)致該斷口動(dòng)態(tài)間距更小而擊穿，造成分相兩側(cè)接觸網(wǎng)發(fā)生短路，引發(fā)饋線斷路器跳閘。

2.2 分區(qū)所T、F換相錯(cuò)誤問題追查

按照牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，一般通過相鄰牽引變電所牽引變壓器原邊換接相序可實(shí)現(xiàn)分區(qū)所處兩側(cè)供電臂同相序。查閱設(shè)計(jì)院寧安鐵路供電系統(tǒng)圖，該分區(qū)所通過相鄰變電所V/X接線的換接相序配合，在分區(qū)所兩側(cè)可做到壓差為0。若壓差為0，動(dòng)車經(jīng)過該分相時(shí)就不會(huì)引起相間短路跳閘，出現(xiàn)饋線處1 900 A的短路電流。經(jīng)安排人員在繁昌西分區(qū)所對(duì)電壓互感器二次側(cè)測(cè)量分相兩邊壓差發(fā)現(xiàn)：該分相兩邊的T線、F線二次側(cè)壓差均為200 V，電壓互感器變比為275，一次側(cè)即為55 kV。這說明弋江或銅陵東變電所中有一個(gè)所往繁昌西分相的供電臂T線、F線接反了，導(dǎo)致本來分相兩側(cè)T線、F線壓差原該為0 V的卻變?yōu)?00 V。通過檢查，發(fā)現(xiàn)確實(shí)是弋江變電所供繁昌西方向供電臂的T線、F線接反了，這也是引起相間短路跳閘的又一根本原因。

2.3 主變壓器差動(dòng)保護(hù)跳閘原因分析

弋江變電所1#主變壓器差動(dòng)跳閘時(shí)，恰有動(dòng)檢車經(jīng)過繁昌西分區(qū)所分相，但1#主變壓器對(duì)應(yīng)的饋線不是繁昌西方向，而是蕪湖東方向，主接線如圖1所示。

圖1 弋江牽引變電所1#系統(tǒng)主接線圖

1#主變壓器差動(dòng)保護(hù)報(bào)文如下：

a.故障時(shí)間：2015-08-28 06:11:12.378。

b.被控站：弋江牽引變電所。

c.故障設(shè)備：1#變測(cè)控保護(hù)裝置。

d.故障內(nèi)容：

保護(hù)出口：差動(dòng)、出口時(shí)間 = 0.00 ms；

高壓側(cè)電壓UH= 101.69 V，低壓側(cè)電壓UT= 103.96 V、UF= 104.14 V，高壓側(cè)電流IH1= 0.24 A，高壓側(cè)公共相電流IH2= 0.22 A；

本主變壓器低壓側(cè)電流IL1= 0.01 A，另一主變壓器低壓側(cè)電流IL2= 0.74 A，低壓側(cè)電壓UTF= 104.08 V；

差動(dòng)電流二次諧波ICD2= 0.01 A，公共相差動(dòng)電流二次諧波ICDG2= 0.00 A，差動(dòng)電流ICD= 0.24 A/制動(dòng)電流IZD= 0.12 A，公共相差動(dòng)電流ICDG= 0.23 A/公共相制動(dòng)電流IZDG= 0.34 A；

高壓側(cè)電壓UH相位 = 0.00°，低壓側(cè)電壓UT相位 =119.60°、UF相位 = 299.60°，高壓側(cè)電流IH1相位 = 285.70°、IH2相位 = 113.30°，低壓側(cè)電流IL1相位 = 341.00°、IL2相位 = 284.40°。

從上述報(bào)文可以看出，另1臺(tái)主變壓器（3#主變）二次側(cè)電流IL2= 0.74 A（電流互感器變比2 500），折合一次側(cè)電流為1 850 A，與后續(xù)的2次饋線跳閘故障電流（1 860 A，1 900 A）接近。由于差動(dòng)保護(hù)時(shí)限為0 s，饋線保護(hù)時(shí)限為0.1 s，因此推斷極有可能是差動(dòng)保護(hù)二次接線問題導(dǎo)致3#主變對(duì)應(yīng)饋線213DL、214DL在短路時(shí)饋線保護(hù)尚未動(dòng)作就被1#主變差動(dòng)保護(hù)搶先跳閘了。

經(jīng)檢查試驗(yàn)，1#主變壓器及其他一次設(shè)備均正常，油化驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)也合格，排除主變壓器及相關(guān)設(shè)備故障引起差動(dòng)保護(hù)的可能。檢查1#主變差動(dòng)保護(hù)二次接線時(shí)，發(fā)現(xiàn)保護(hù)屏2D11端子虛接開路，見圖2，檢查人員當(dāng)即緊固好接線端子。隨后對(duì)照二次接線圖，通過深入分析數(shù)據(jù)，得出跳閘原因。

圖2 弋江變電所1#主變差動(dòng)保護(hù)高壓側(cè)電流互感器二次接線圖

對(duì)照?qǐng)D2所示，當(dāng)2D11端子斷開時(shí)，二次回路變成A、B兩個(gè)電流互感器二次側(cè)線圈串聯(lián)，回路阻抗增加1倍。如果B相電流互感器感應(yīng)到電流，電流路徑為：2LHB的4S1→2D10→保護(hù)裝置的2n1:9→2n1:10→2n1:8→2n1:7→2D9→1LH的4S1→4S2→2LHB的4S2，即形成電流經(jīng)B相正相流進(jìn)，A相反相流出。

深入分析報(bào)文可以看出：對(duì)V/X接線變壓器而言，當(dāng)3#主變低壓側(cè)采集到0.74 A的短路電流時(shí)，通過換算相對(duì)應(yīng)的高壓B相、C相差動(dòng)電流互感器也應(yīng)該分別有0.46 A、方向相反的電流，高低壓電流平衡，3#主變差動(dòng)保護(hù)不啟動(dòng)。由于弋江變電所B相為公共相，因此1#主變壓器B相差動(dòng)電流互感器也應(yīng)采集到0.46 A的電流。從上述電流回路分析可以看出：2D11端子斷開后回路阻抗增加1倍，導(dǎo)致電流為正常情況下的一半，報(bào)文中B相電流只有0.22 A，與計(jì)算分析基本吻合。電流從B相流出，反向流過A相，從報(bào)文可以看到，B相電流相角113.30°，A相電流0.24 A、相角285.70°，即A相、B相電流大小基本相等、相位相反，符合電路分析。因此可判定：1#主變差動(dòng)保護(hù)的原因就是1#主變保護(hù)屏2D-11端子虛接開路引起。

在后續(xù)的弋江變電所至繁昌西分區(qū)所上下行供電臂短路試驗(yàn)中，4次短路試驗(yàn)均未引發(fā)1#主變差動(dòng)保護(hù)跳閘，也間接證明了這個(gè)分析的正確性。

3 數(shù)據(jù)分析法要點(diǎn)

通過數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)故障排查，發(fā)現(xiàn)了二次接線松動(dòng)引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作、接觸網(wǎng)分相中性區(qū)空氣間隙不達(dá)標(biāo)、變電所饋線T、F相接反等問題。結(jié)合日常工作中，調(diào)度或技術(shù)人員通過跳閘報(bào)文的數(shù)據(jù)分析，大大提高了故障查找的針對(duì)性。數(shù)據(jù)分析法的要點(diǎn)如下：

（1）異常數(shù)據(jù)的甄別。異常數(shù)據(jù)即是懷疑、分析的重點(diǎn)或突破口，對(duì)異常數(shù)據(jù)的敏感性，是基于常規(guī)數(shù)據(jù)分析而形成的職業(yè)素養(yǎng)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)日常跳閘數(shù)據(jù)的分析，提高分析能力。

（2）從系統(tǒng)上分析問題。故障發(fā)生后，從供電系統(tǒng)一次圖上推測(cè)大方向的原因，從二次工作原理圖和報(bào)文數(shù)據(jù)上推測(cè)具體原因。差動(dòng)保護(hù)跳閘，在排除一次設(shè)備故障后，大都是二次接線問題、保護(hù)定值問題，往往需要根據(jù)主變壓器接線形式、保護(hù)回路圖進(jìn)行計(jì)算分析。

（3）先易后難原則。牽引供電設(shè)備故障一般伴隨聲、光、電現(xiàn)象，從現(xiàn)場(chǎng)反映的爆炸聲、放電聲、弧光、電弧痕跡、短路電流路徑上的燒痕、氣味等現(xiàn)象，一般可以判斷故障點(diǎn)或故障原因。在此基礎(chǔ)上開展數(shù)據(jù)核對(duì)性分析，往往能發(fā)現(xiàn)隱蔽在正常運(yùn)行狀態(tài)下難以發(fā)現(xiàn)的隱患。

（4）全面數(shù)據(jù)分析。保護(hù)跳閘報(bào)文中，通常有電壓、電流、時(shí)間（精確到微秒）、阻抗角、相位、諧波分量、電阻值、電抗值、故障距離等數(shù)據(jù)，按照時(shí)間順序、開關(guān)動(dòng)作順序所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以全面地分析一個(gè)故障跳閘過程及其應(yīng)該發(fā)出的信息、數(shù)據(jù)，也可發(fā)現(xiàn)存在的問題。

4 結(jié)語

技術(shù)人員應(yīng)重視通過數(shù)據(jù)分析法深度挖掘故障報(bào)文信息，在工作中不斷摸索總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高供電設(shè)備安全運(yùn)行可靠性和管理水平。

[1] 曹建猷. 鐵道供電系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社.

[2] 陳小川. 鐵道供電繼電保護(hù)與自動(dòng)化[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

The integrated automation system and SCADA system are able to provide detailed messages for traction power supply system fault tripping, It is possible to assess the characteristics of faults, instruct the trouble shooting at site, organize timely the emergency rescue so as to minimize the influence of faults by means of data analysis. With a series of fault tripping at traction substation as one example, the paper presents methods and key points for analyzing the fault tripping of power supply equipment by application of data analysis method.

Integrated automation system; power supply equipment; data analysis method; fault handling

U223.8+3

：B

：1007-936X(2016)03-0001-03

2016-02-29

趙朝蓬.上海鐵路局供電處，高級(jí)工程師，電話：13816138106。