京滬高鐵10 kV配電所避雷器燒毀分析及改進(jìn)措施

張玉平

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京滬高鐵10 kV配電所避雷器燒毀分析及改進(jìn)措施

張玉平

依據(jù)京滬高鐵固鎮(zhèn)10 kV配電所避雷器故障的故障報(bào)文、事件記錄、運(yùn)行曲線信息，進(jìn)行故障分析并提出改進(jìn)措施，可供鐵路供電維護(hù)單位參考。

避雷器；故障；原因；措施

0 引言

京滬高鐵固鎮(zhèn)10 kV配電所樓固線地方電源引自地方樓東110/10 kV變電站，線路全長 12.05 km，其中架空線路6.142 km，直埋電纜 5.9 km。架空線路較長，跨越城區(qū)、鄉(xiāng)村、田野等復(fù)雜區(qū)段，大風(fēng)雷雨天氣下經(jīng)常發(fā)生線間和對(duì)地短路故障。

2017年5月5日，固鎮(zhèn)配電所樓固線電源進(jìn)線及計(jì)量柜（西門子NXPLUS C型）故障，開關(guān)柜氣室燒穿，開關(guān)柜高低壓和控制電纜、電纜終端頭、避雷器、計(jì)量表燒毀，并造成配電所樓固線側(cè)高低壓設(shè)備SCADA通信全部中斷。

本文綜合分析配電所故障信息，還原故障情景，進(jìn)行故障影響因素分析并提出改進(jìn)措施。

1 故障概況

1.1 故障經(jīng)過

2017年5月5日17：34，蚌埠維管段調(diào)度接到鐵路局供電調(diào)度通知，固鎮(zhèn)10 kV配電所樓固線側(cè)設(shè)備故障，進(jìn)線及計(jì)量柜氣體壓力異常告警，電調(diào)臺(tái)與配電所樓固線側(cè)高低壓設(shè)備遠(yuǎn)動(dòng)通信中斷，無法監(jiān)視、控制電力設(shè)備。供電調(diào)度通過遠(yuǎn)動(dòng)倒閘由電源二帶全所負(fù)荷運(yùn)行。

18：10，工區(qū)人員前往現(xiàn)場確認(rèn)，固鎮(zhèn)配電所進(jìn)線及計(jì)量柜電纜倉蓋板燒損，SF6氣壓表指示紅色區(qū)域，樓固線側(cè)所用變壓器交流饋線開關(guān)斷開，電纜倉內(nèi)電纜頭及避雷器燒損，通信交換機(jī)電源電纜燒損失電。

5月6日，搶修人員重新敷設(shè)交流盤至樓固線側(cè)開關(guān)柜間電力電纜，交換機(jī)恢復(fù)用電，通信正常。

1.2 故障分析

固鎮(zhèn)10 kV配電所樓固線側(cè)一次主接線圖（局部）見圖1。

圖1 固鎮(zhèn)配電所樓固線側(cè)主接線（局部）

正常運(yùn)行時(shí)，10 kV外部電源經(jīng)固鎮(zhèn)配電所進(jìn)線及計(jì)費(fèi)N01柜引入I段母線，經(jīng)電源N05柜向III段母線負(fù)荷供電，1011、1031、1051GK常閉。外部電源停電時(shí)，N05柜105DL失壓跳閘，所用變壓器一低壓側(cè)饋出停電。

固鎮(zhèn)10 kV配電所開關(guān)柜故障通信管理機(jī)電源線燒損后，SCADA通信中斷，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)后臺(tái)無開關(guān)動(dòng)作及監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，但通過交流屏進(jìn)線電源投切情況可輔助判斷外部電源停送電情況，加以其他信息可大致還原事故情景。

1.3 報(bào)文和記錄

繼電保護(hù)裝置故障報(bào)文和交流屏電源自動(dòng)投切信息如下：

14：00：07：782，固鎮(zhèn)配電所母線低壓保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作信息：A相電流0.001 A，B相電流 0.002 A，C相電流0.002 A；A相電壓1.270 V，B相電壓3.385 V，C相電壓2.245 V；零序電流 0.000 A。

14：00：08：898，固鎮(zhèn)配電所進(jìn)線低壓保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作信息：A、B、C相電流均為0.000 A，A相電壓0.166 V，B相電壓0.104 V，C相電壓0.103 V；零序電流0.000 A。

14：00：11：875，交流盤進(jìn)線電源一開關(guān)FQ1分閘，交流屏進(jìn)線母聯(lián)開關(guān)FQ3合閘。

14：02：56：426，交流盤進(jìn)線電源一開關(guān)FQ1合閘，交流屏進(jìn)線母聯(lián)開關(guān)FQ3分閘。

15：07：22：863，交流盤進(jìn)線電源一開關(guān)FQ1分閘，交流屏進(jìn)線母聯(lián)開關(guān)FQ3合閘。

15：07：26，故障電源側(cè)進(jìn)線、饋線、調(diào)壓器、無功補(bǔ)償?shù)?個(gè)保護(hù)裝置通信中斷。

15：56：54：673，交流盤進(jìn)線電源一開關(guān)FQ1合閘，交流屏進(jìn)線母聯(lián)開關(guān)FQ3分閘。

16：03：02：618，N01進(jìn)線及計(jì)量柜SF6欠壓報(bào)警。

17：30：33：212，交流盤進(jìn)線電源一開關(guān)FQ1分閘，交流屏進(jìn)線母聯(lián)開關(guān)QF3合閘。

1.4 故障還原

查閱電源進(jìn)線負(fù)荷曲線和開關(guān)動(dòng)作記錄，確認(rèn)14：00樓固線外部電源停電；查閱故障側(cè)交流屏電源開關(guān)動(dòng)作情況，確認(rèn)14：02故障側(cè)外部電源恢復(fù)，15：07故障側(cè)電源停電，固鎮(zhèn)所樓固側(cè)通信中斷，15：56故障側(cè)電源恢復(fù)，17：30故障側(cè)電源停電。

查閱繼電保護(hù)裝置進(jìn)線電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，15：07起，1 min電壓采樣查詢數(shù)據(jù)保持在10.1 kV不再變化。查詢SOE事件記錄，15：07起，故障側(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)通信中斷。15：56故障側(cè)電源恢復(fù)，通信依舊中斷。SOE事件記錄顯示，16：03，N01進(jìn)線及計(jì)量柜SF6氣體欠壓。

綜上認(rèn)為，5月5日14：00，固鎮(zhèn)配電所樓固線10 kV地方電源故障失電，14：02外部電源恢復(fù)，15：07停電，15：07起通信交換機(jī)失電導(dǎo)致通信中斷，此時(shí)進(jìn)線及計(jì)量柜低壓間已經(jīng)起火，導(dǎo)致電力電纜燒損，供電中斷。15：56電源恢復(fù)，16：03進(jìn)線及計(jì)量柜SF6欠壓告警，此時(shí)氣室應(yīng)已燒損。17：30進(jìn)線電源停電。電纜倉內(nèi)避雷器故障時(shí)間在14：02～15：07之間。

2 故障現(xiàn)象分析

固鎮(zhèn)配電所進(jìn)線及計(jì)量柜采用歐式肘型插拔電纜頭和后插式避雷器，對(duì)比設(shè)備燒損情況，發(fā)現(xiàn)C相避雷器（型號(hào)CJBKP10）的燒損程度較另外兩相嚴(yán)重，C相左側(cè)的柜體鐵板燒損嚴(yán)重，判斷故障源頭為C相避雷器，燃燒蔓延至A、B相，高溫引燃低壓間電力、控制電纜和通信網(wǎng)線。

查閱故障前固鎮(zhèn)配電所進(jìn)線電源A/B/C相相電壓波形圖，A相最小相電壓為0.00 V，發(fā)生時(shí)刻14：02；B相最大相電壓為9.86 kV，發(fā)生時(shí)刻13：29；C相最大相電壓為10.37 kV，發(fā)生時(shí)刻13：05，符合三角接線中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障特性，第一次接地發(fā)生至避雷器燒損時(shí)間間隔不少于57 min。

3 故障影響因素分析

3.1 避雷器選型

避雷器為吉熙安硅橡膠預(yù)制后插式避雷器，無串聯(lián)間隙，型號(hào)為CJBKP10-630，額定電壓15 kV，直流1 mA下參考電壓24 kV，2 ms方波通流 150 A，符合使用要求。

3.2 避雷器產(chǎn)品質(zhì)量

避雷器發(fā)生故障前最近一次預(yù)防性試驗(yàn)日期為2016年10月9日，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 固鎮(zhèn)配電所避雷器故障前試驗(yàn)數(shù)據(jù)

以上參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明試驗(yàn)時(shí)避雷器性能良好。

3.3 避雷器安裝質(zhì)量

故障發(fā)生前，2017年4月23日進(jìn)行了避雷器接地電阻測試，接地電阻值為0.025W，接地良好。燒損后接地線仍連接牢靠。

3.4 避雷器閥片老化

相關(guān)研究表明，110 kV避雷器抗沖擊閾值約為1 500次，35 kV氧化鋅避雷器抗沖擊閾值約為850次。10 kV避雷器無抗沖擊閾值研究數(shù)據(jù)，但次數(shù)更少。

架空線路可恢復(fù)接地故障，其瞬態(tài)過電壓可導(dǎo)致弧光過電壓和系統(tǒng)諧振，一般認(rèn)為弧光過電壓可達(dá)到額定電壓值的3～4倍，系統(tǒng)諧振時(shí)電壓疊加峰值較大，諧振過電壓及弧光過電壓均對(duì)避雷器閥片造成沖擊，閥片絕緣性能降低，溫度升高，長期運(yùn)行導(dǎo)致燒損。

綜上，該故障與設(shè)備選型、設(shè)備質(zhì)量、安裝質(zhì)量無明顯聯(lián)系，外部電源暫態(tài)接地故障、弧光過電壓及諧振過電壓加速了閥片絕緣劣化，電效應(yīng)和熱效應(yīng)導(dǎo)致避雷器炸裂。

4 預(yù)防措施

（1）改善避雷器性能參數(shù)。GIS柜伏—秒特性較平坦，無電暈，無間隙，避雷器陡坡響應(yīng)好，陡坡殘壓降低對(duì)GIS保護(hù)有利，高鐵均采用無串聯(lián)間隙避雷器。相關(guān)研究表明，無串聯(lián)間隙避雷器在放電試驗(yàn)中流過避雷器的電流很小，大多數(shù)情況下甚至無電流。依據(jù)《交流系統(tǒng)用復(fù)合外套無間隙金屬氧化物避雷器》（JB/T 8952-2005），避雷器額定電壓為17 kV，持續(xù)運(yùn)行電壓不小于13.6 kV，直流1 mA下參考電壓為25 kV。

（2）避雷器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。裝設(shè)避雷器在線監(jiān)測裝置，通過記錄避雷器動(dòng)作次數(shù)及泄漏電流情況（在0.75倍直流參考電壓下，通過避雷器的泄漏電流一般不超過50 μA）判斷避雷器劣化狀況，便于提前更換，預(yù)防故障。

（3）增加電源缺相故障預(yù)警。接入進(jìn)線電源電壓互感器次邊開口三角形繞組，通過繼電保護(hù)裝置低壓減載保護(hù)功能，上傳告警信息至綜合自動(dòng)化系統(tǒng)后臺(tái)及供電調(diào)度，及時(shí)反映外部電源缺相故障情況。

（4）改用阻燃電纜。高鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求選用阻燃型電力電纜，運(yùn)營線可結(jié)合技術(shù)改造大修情況，在關(guān)鍵部位安排線纜更換，避免火勢蔓延中斷臨近設(shè)備供電。低壓電纜一般選用ZR-KVV22型。

（5）開關(guān)柜設(shè)備間隔防火補(bǔ)強(qiáng)。開關(guān)柜一、二次設(shè)備間補(bǔ)強(qiáng)防火隔離措施，避免火勢蔓延。

（6）加強(qiáng)調(diào)度協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)控。設(shè)備維護(hù)單位及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行異常信息，檢查設(shè)備狀態(tài)，建議供電調(diào)度調(diào)整運(yùn)行方式安排檢修試驗(yàn)。

5 結(jié)語

京滬高鐵固鎮(zhèn)10 kV配電所避雷器燒損事故具有代表性，分析故障綜合信息，可還原故障，方便事故分析決策。電源線暫態(tài)接地故障、弧光過電壓和諧振過電壓加速了避雷器閥片老化，絕緣降低導(dǎo)致燒損。通過改善避雷器性能、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、電源缺相故障預(yù)警、改用阻燃電纜、設(shè)備間隔防火補(bǔ)強(qiáng)、加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)聯(lián)控等措施，可避免類似設(shè)備故障，減小事故影響，降低經(jīng)濟(jì)損失。

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The fault analysis is executed on the basis of fault messages, event logging, operation curves of lightning arrestors in Guzhen 10 kV distribution substation on Beijing-Shanghai high speed railway, and the measures for improvement are put forward accordingly, providing references for railway power supply maintenance departments.

Lightning arrestor; fault; cause; measure

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.025

U226.7

B

1007-936X(2018)03-0081-03

2017-08-15

張玉平.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司京滬高鐵維護(hù)管理公司，工程師。