降低接地過電壓對鐵路10kV供電系統(tǒng)危害的思考

徐明玉　上海鐵路局調(diào)度所

xxx年x月x日，京滬高鐵固鎮(zhèn)配電所電源一柜避雷器因供電公司10kV系統(tǒng)單相接地故障燃燒起火，繼而引起電流互感器、電壓互感器、進(jìn)線電纜頭燒毀，GIS柜氣體泄漏故障，導(dǎo)致該所單電源運(yùn)行27天，嚴(yán)重影響了鐵路供電的可靠性。經(jīng)分析，10kV系統(tǒng)的單相接地時(shí)產(chǎn)生的持續(xù)弧光過電壓將避雷器擊穿爆炸是引起故障直接原因，但在現(xiàn)有鐵路配電所設(shè)備運(yùn)行方式與繼電保護(hù)設(shè)計(jì)條件下，如何避免類似事故，確保鐵路供電安全是值得我們認(rèn)真思考的問題。

1　鐵路10kV配電系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式分類

按照三相電力網(wǎng)與大地間電氣連接的方式不同，電力系統(tǒng)有中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。

普速鐵路配電所的負(fù)荷主要供給沿線鐵路信號、通信用電，兼顧車站照明、動力供電。10kV電源及饋出線路以架空線路為主，發(fā)生短時(shí)接地的概率很大，為了提高供電的可靠性，中性點(diǎn)采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)（小電流接地系統(tǒng)），單相接地時(shí)，允許帶故障運(yùn)行2h。

高速鐵路配電所主要負(fù)責(zé)供給沿線鐵路信號、通信基站、消防等用電，兼顧大站照明、生活及動車所等檢修、動力用電等，10kV電源線路及饋出線路以電纜為主。電源及站饋線路采用小電流接地系統(tǒng)，一級貫通和綜合貫通饋出線路采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，兩種接地系統(tǒng)經(jīng)調(diào)壓變壓器隔離，調(diào)壓器二次側(cè)中性點(diǎn)帶小電阻接地裝置。此外中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在部分高速鐵路配電所也有運(yùn)用。

2　各種中性點(diǎn)接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析。

2.1　小電流接地系統(tǒng)

2.1.1中性點(diǎn)不接地方式（如圖1）

圖1　中性點(diǎn)不接地方式

優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單，不需要任何附加設(shè)備，節(jié)省投資，發(fā)生單相接地時(shí)不形成短路回路，接地電流僅為線路的對地電容電流，電流值很小。②根據(jù)《鐵路電力管理規(guī)則》規(guī)定中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)可以繼續(xù)運(yùn)行2h，既保證了供電的可靠性，也為排查故障贏得時(shí)間。

缺點(diǎn)：發(fā)生單相接地時(shí)，非故障相對地電壓升高為線電壓，即為原來的 倍，間歇性弧光過電壓更是達(dá)到額定值的數(shù)倍，對絕緣薄弱部位如避雷器、電纜頭等產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

2.1.2中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地（如圖2）

圖2　中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地

優(yōu)點(diǎn)：①通過中性點(diǎn)接入的電感線圈補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流，在單相接地時(shí)接地電流較小，可以自動熄滅電弧，避免弧光過電壓的出現(xiàn)，保護(hù)設(shè)備絕緣免于被擊穿。②可以減少間隙性弧光接地過電壓的概率。③接地電流較小，減少了跨步電壓和接觸電壓。④單相接地時(shí)可根據(jù)規(guī)則維持運(yùn)行2h，既保證了供電的可靠性，也為排查故障贏得時(shí)間。

缺點(diǎn)：①條件出現(xiàn)時(shí)可能與系統(tǒng)電容形成諧振，產(chǎn)生諧振過電壓。②由于消弧線圈對電容電流的補(bǔ)償，使零序保護(hù)的整定值的確定變的困難。

2.2　大電流接地系統(tǒng)

2.2.1中性點(diǎn)直接接地方式（如圖3）

圖3　中性點(diǎn)直接接地方式

優(yōu)點(diǎn)：發(fā)生單相接地時(shí)即形成單相短路，瞬時(shí)切除故障線路，接地時(shí)對地電壓不會上升，設(shè)備按相電壓設(shè)計(jì)絕緣等級即可，降低工程造價(jià)。

缺點(diǎn)：單相接地時(shí)瞬時(shí)跳閘，供電可靠性變差，同時(shí)，在線路試送電查找故障時(shí)，會多次經(jīng)受單相短路大電流的沖擊。單相接地的大電流對通信和信號設(shè)備干擾較大，一般只在110kV及以上電壓等級中采用。

2.2.2中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式（如圖4）

圖4　中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式

優(yōu)點(diǎn)：①與系統(tǒng)對地電容并聯(lián)，釋放電容儲能，有助于消除諧振。②通過合理選擇接地電阻阻值（一般選擇10Ω～20Ω）從而很好控制單相接地時(shí)的電流（10A～500A之間），有利于確定保護(hù)整定值。③單相接地時(shí)的過電壓不高，對設(shè)備的絕緣威脅小。

缺點(diǎn)：只要發(fā)生單相接地就會零序動作，增加跳閘的次數(shù)，供電可靠性下降。

3　鐵路配電所中性點(diǎn)接地方式的選擇

上述分析可以看出，各種中性點(diǎn)接地方式的各有優(yōu)缺點(diǎn)，鐵路配電所現(xiàn)有中性點(diǎn)接地方式是根據(jù)各自身供電的特點(diǎn)相應(yīng)選擇的。

高速鐵路配電所的一貫和綜貫線路多為單芯全電纜線路，運(yùn)行時(shí)電容電流較大，為架空線路電容電流的幾十倍，且發(fā)生故障多為永久性故障，若采用小電流接地系統(tǒng)，會使非故障相對地電壓大幅上升，單相接地時(shí)的接地電弧多為封閉性電弧，很難自行熄滅，如不能及時(shí)切除故障線路極易造成電纜擊穿、避雷器爆炸等惡性事故。接地過電壓也嚴(yán)重威脅供電安全，應(yīng)采用大電流接地系統(tǒng)，及時(shí)跳閘，切除故障線路。但若采用中性點(diǎn)直接接地方式，則在發(fā)生單相接地時(shí)，接地電流很大，對通信線路的干擾大，同時(shí)感應(yīng)電壓還會造成電務(wù)信號裝置誤動作，產(chǎn)生的跨步電壓和接觸電壓危害也很大，故應(yīng)優(yōu)先選用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式。

普速鐵路的貫通電力線路多為架空線路，發(fā)生瞬時(shí)故障的幾率較大，為了維持供電，提高供電可靠性，并降低單相接地故障時(shí)的接觸電壓和跨步電壓，應(yīng)采用小電流接地系統(tǒng)。又由于經(jīng)消弧線圈接地給零序保護(hù)整定帶來的不便，故應(yīng)優(yōu)先采用中性點(diǎn)不接地方式。在供電可靠性較高和電纜線路占比較大的地區(qū)也可改造為中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式。

4　目前高速鐵路配電所運(yùn)行方式存在的不足及建議改進(jìn)措施

高速鐵路配電所電源進(jìn)線及站饋線路采用與普速鐵路配電所相同的方式，即中性點(diǎn)不接地方式。但與普速鐵路不同，高速鐵路的電源線路及站饋線路多為三芯全電纜線路、負(fù)荷點(diǎn)多為室內(nèi)設(shè)置的配電房或戶外設(shè)置的箱式變電站，發(fā)生瞬時(shí)故障的幾率很小。同時(shí)，由于電纜線路單相接地時(shí)弧光過電壓很高，電弧難以自行熄滅，加之現(xiàn)行的運(yùn)行方式允許單相接地故障時(shí)運(yùn)行2h，往往造成事故擴(kuò)大，出現(xiàn)本文前文所述的固鎮(zhèn)配電所電源柜燒損事故。

為降低接地過電壓對鐵路10kV供電系統(tǒng)危害，目前主要有兩種解決思路。①配電所母線電壓互感器設(shè)置零序過電壓告警，當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地時(shí)發(fā)出“零序過壓”告警信號。②配電所電源進(jìn)線斷路器設(shè)置零序過電壓保護(hù)，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)立即動作跳開電源進(jìn)線斷路器，保護(hù)母線設(shè)備和站饋設(shè)備免受接地過電壓的沖擊。

隨著我國鐵路的飛速發(fā)展，高速鐵路配電所目前普遍采用無人值班，供電調(diào)度員遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的方式。由于供電調(diào)度員需要監(jiān)控牽引變電所、配電所、箱式變電所等很多站點(diǎn)，采用第一種方式在系統(tǒng)單相接地時(shí)僅發(fā)出零序過壓告警，存在供電調(diào)度員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障信息，接地告警信號被其他告警信號“覆蓋”的風(fēng)險(xiǎn)，延誤故障處置。此外與被控端的通信出現(xiàn)問題也會導(dǎo)致調(diào)度端無法及時(shí)接到報(bào)警信號。

單相接地故障是系統(tǒng)性故障，系統(tǒng)中某一點(diǎn)接地，電氣上直接聯(lián)接的、未經(jīng)變壓器隔離的整個(gè)系統(tǒng)都能檢測到零序過壓。若采用第二種方式在系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地后零序過壓保護(hù)立即出口，跳開電源進(jìn)線斷路器，由于不能確定故障點(diǎn)是在供電公司的電線路上還是鐵路方電線路上，此時(shí)會給故障的處置帶來困難。如果盲目啟用配電所母聯(lián)供電，一旦故障發(fā)生鐵路配電所所內(nèi)或饋出線路故障，有可能導(dǎo)致另一路電源零序過壓跳閘，形成配電所全所停電的局面，擴(kuò)大事故。

為解決以上矛盾，筆者建議：在目前高速鐵路配電所電源進(jìn)線及站饋線路采用小電流接地系統(tǒng)的情況下，配電所電源進(jìn)線斷路器應(yīng)設(shè)置零序電壓保護(hù)，延時(shí)（以 5min～10min為宜）出口跳閘，以彌補(bǔ)上述缺陷，減少接地過電壓對設(shè)備的危害。

故障發(fā)生后，如供電調(diào)度員及時(shí)接受到故障信號，則立即判斷故障范圍：依次拉開各饋出線路，若故障仍未消失，手動拉開電源進(jìn)線斷路器并聯(lián)系供電公司調(diào)度，若供電公司調(diào)度反映系統(tǒng)單相接地故障仍存在，則可判斷故障不在所內(nèi)，此時(shí)啟用母聯(lián)供電。如供電調(diào)度員未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處置故障，延時(shí)5min～10 min后，電源進(jìn)線斷路器故障跳閘。此時(shí)供電調(diào)度員接受到故障報(bào)警或發(fā)現(xiàn)線路停電后，應(yīng)立即聯(lián)系供電公司調(diào)度確認(rèn)系統(tǒng)接地情況，若故障仍存在，則故障點(diǎn)不在所內(nèi)，可啟用母聯(lián)供電。若5min～10min后故障消失，則故障發(fā)生在所內(nèi)，此時(shí)不得啟用母聯(lián)供電。該所饋出的一貫、綜貫線路應(yīng)改由鄰所供電。通知檢修人員巡視設(shè)備及線路。

5　結(jié)束語

隨著鐵路供電技術(shù)和設(shè)備的升級，供電線路電纜化也成為一種趨勢，如何通過技術(shù)手段在不間斷供電、減少故障過電壓危害、降低建設(shè)投資三者之間找到新的平衡點(diǎn)始終是我們技術(shù)人員思考的問題。

[1]鐵運(yùn)【1999】103號《鐵路電力管理規(guī)程》.

[2]DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》.

[3]京滬高鐵、合福高鐵、合武客專等電力設(shè)計(jì)文件.