京滬高鐵德州東牽引變電所一起雷擊故障的分析

李 瑞，肖世輝，王軍博

（中鐵電氣化局 工程師 天津 300380）

1 背景介紹

京滬高鐵德州牽引變電所承擔著為京滬高鐵正線（里程為k289—k340）的供電任務(wù)。德州牽引變電所主接線形式如圖1所示。

圖1 德州東牽引變電所主接線形式示意圖

德州東牽引變電所結(jié)構(gòu)設(shè)備包括主變壓器接線方式為VX形式，單臺變壓器容量為50MVA，電壓變換等級為220kv/2×27.5kv；高壓側(cè)CT（電流互感器）變比為1000/1，低壓側(cè)CT變比為2500/1；進線側(cè)電壓等級為220kv，饋線側(cè)電壓等級為2×27.5kv；微機保護裝置型號為成都交大許繼的TA21綜合自動化系統(tǒng)。其接觸網(wǎng)網(wǎng)上隔離開關(guān)接線分布如圖2所示。

圖2 德州東牽引變電所網(wǎng)上隔離開關(guān)分布示意圖

2 故障情況

德州牽引變電所于2013年07月29日，13時07分1#主變低壓側(cè)201DL跳閘，13時52分2#主變低壓側(cè)202DL跳閘。天氣情況為雷雨大風。

2.1第 1次跳閘主變201DL動作情況

1）13時07分36秒，α相過流元件動作，201斷路器跳閘，IA=1008A，IB=971A，IC=41A，Iα=8288A，Iβ=358A，Uα=8.60KV,Uβ=27.83KV；

2）13時23分，遠動斷開212DL超時拒動；

3）13時27分，值班員手動斷開212DL；

4）13時41分，變電所由1#、3#主變系統(tǒng)倒切至2#、4#主變系統(tǒng)運行。

2.2 第2次跳閘主變202DL動作情況

1）13時52分36秒，α相過流元件動作，202斷路器跳閘，IA=1005A，IB=988A，IC=19A，Iα=8272A，Iβ=164A，Uα=8.67kv，Uβ=27.76kv；

2）13時59分，經(jīng)確認K313+800km上行22#支柱AF線肩架懸式絕緣子折斷，如圖3所示。

3）14時06分，遠動操作牽引變電所網(wǎng)上隔離開關(guān)（網(wǎng)隔）W02F，操作失??；

4）14時36分，打開W02F網(wǎng)隔，退出F線；

5）14時37分，變電所212T線恢復(fù)正常供電，F(xiàn)線退出運行。

圖3 22#肩架絕緣子折斷示意圖

3 保護原理

3.1 距離保護動作特性及原理分別如圖4、圖5所示。

圖4 距離保護動作特性

測量阻抗計算：

其中：VS、VC—基波電壓正弦、余弦分量；

IS、IC—基波電流正弦、余弦分量；

R、X—測量電阻和電抗。

對于AT供電方式，電流為T線、F線電流差的一半，即：

電壓U&為母線電壓，阻抗：

圖5 距離保護原理框圖

3.2 電流速斷保護原理如圖6所示。

圖6 電流速斷保護原理框圖

3.3 低電壓啟動過電流保護原理如圖7所示。

圖7 低電壓啟動過電流保護原理框圖

3.4 電流增量保護原理如圖8所示。

圖8電流增量保護原理框圖

3.5 主變低壓側(cè)低電壓啟動過電流保護原理如圖9所示。

圖9主變低壓側(cè)低電壓啟動過電流保護原理框圖

4 故障分析

初步分析：2013年7月29日13時07分201斷路器第一次越級跳閘的原因，是由于雷擊造成德州東站22#正饋線絕緣子碎裂，正饋線F線瞬時形成接地短路點，饋線212DL拒動，饋線211DL保護未啟動造成越級跳閘；13時52分202再次發(fā)生越級跳閘，原因為絕緣子擊碎后未接地，后在雷雨和大風作用下正饋線F線與PW線距離不足放電，形成短路故障點，饋線212DL拒動，饋線211DL保護未啟動，再次造成越級跳閘。

本次故障變電方面存在的主要問題有四個：一是饋線212DL保護為什么拒動？二是饋線211DL保護為什么未啟動？三是主變低壓側(cè)201DL和202DL保護為什么會越級啟動？四是網(wǎng)上隔離開關(guān)W02F為什么拒動？筆者就此逐一分析：

1）饋線212DL保護拒動的原因

一是饋線212DL保護裝置CPU板損壞造成饋線保護拒動。現(xiàn)場檢查饋線212DL保護裝置告警燈常亮，內(nèi)部保護板指示燈無顯示。經(jīng)分析原因是饋線212DL保護裝置保護CPU板損壞，造成饋線保護裝置失效，保護和測控功能失靈。

二是饋線212DL保護裝置CPU板損壞。通過調(diào)閱保護裝置動作記錄和事件記錄，饋線212DL最近一次跳閘了生在2013年1月20日，到此次事故發(fā)生時未再發(fā)生跳閘。通過對CPU板檢查，發(fā)現(xiàn)保護板U8邏輯運算器有發(fā)熱燒損跡象。初步分析為雷擊原因造成開入回路過電壓引起邏輯運算器燒損，造成CPU板故障。

2）饋線211DL保護未起動的原因

饋線211DL共設(shè)有距離保護、電流速斷保護、低電壓啟動過電流保護、電流增量保護。根據(jù)故障線路長短，利用上下行電流比法來估算分析饋線211DL、212DL饋出電流大小，如圖10所示。

圖10 雷擊故障及故障電流分布示意圖

故障點發(fā)生在22#支柱處，公里標為K313+800，即饋線212DL距故障點公里標為1.756km，211DL離故障點繞過AT所后總距離為23.2km，距離比為13.21∶1。依照上下行電流分布原理，第一次跳閘211DL故障電流應(yīng)為8280÷14.21≈582.69A（201DL、202DL二次跳閘α電流取平均值8280A）。

通過上下行電流分布原理和本次故障估算，饋線211DL故障電流約為582.69A。

一是饋線211DL電流速斷保護未動作。故障發(fā)生前，饋線211DL和212DL處于全并聯(lián)供電運行狀態(tài)，故障點發(fā)生在k313+800處，當饋線212DL的接觸網(wǎng)上的22#支柱F線絕緣子被擊碎時，由于電流速斷定值二次值為2.46A（一次值為6150A），582.69A小于保護動作電流值，根據(jù)原理框圖6，可以得出電流速斷保護不會動作。

二是饋線211DL低電壓啟動過電流保護未動作。低電壓啟動過電流保護定值二次值為1.1A（一次值為2750A），582.69A小于保護動作電流值，根據(jù)原理框圖7，所以低電壓啟動過電流保護不會動作。

三是饋線211DL電流增量保護未動作。電流增量保護給定的定值為0.29A（一次值為725A），時間為2S，可以看出饋線211DL突變量并未達到電流增量起動值，且定值延時為2S，而1S后主變低壓側(cè)低壓起動過電流保護已出口，根據(jù)原理框圖8，所以電流增量保護不會動作。

四是饋線211DL距離保護未動作。距離保護定值為：躲涌流偏移角85度、線路阻抗角75度、容性阻抗偏移角15度、距離電阻63Ω、距離電抗值188.1Ω、延時0.1S，保護范圍如圖4所示。

通過對201DL跳閘信息的分析可知，母線電壓折算至二次側(cè)數(shù)值約為31.4V。按照距離保護的啟動條件圖5所示，如果線路發(fā)生短路故障時，負荷阻抗角一般在60～70度之間，在此取阻抗角為65度，母線電壓為31.4V時，根據(jù)公式和距離保護向量圖得知阻抗需小于188.1÷sin65°=207.55Ω才能啟動距離保護，即阻抗電流需要大于31.4÷207.55=0.151A才會導(dǎo)致距離保護動作。而在AT供電模式下，利用公式2可得，饋線211DL的T線二次電流必須達到0.302(一次電流值為756.44A)才會使距離保護啟動。而饋線211DL的T線電流值為582.69A，小于動作值756.44A，所以距離保護不會動作。

由此可見，當α饋線段出現(xiàn)故障時，并不意味著饋線211DL、212DL必定會同時跳閘。假設(shè)當時饋線212DL出現(xiàn)拒動故障，則會導(dǎo)致饋線211DL始終保持故障電流582.69A，所以饋線211DL距離保護不會啟動。

綜上所述，饋線212DL因為CPU板損壞造成拒動，饋線211DL由于未達到跳閘條件所以保護沒有動作。

3）主變低壓側(cè)201DL、202DL保護啟動的原因。201DL、202DL的低電壓起動過流保護定值為：一次電流3425A，一次電壓定值為19.8kv，時限設(shè)為1S。故障發(fā)生時201DL、202DL電流為8288 A（8272A），母線電壓為8.60kV(8.67kV)，根據(jù)原理框圖9可知，1S后出口跳閘，低電壓過電流保護應(yīng)該啟動出口。

4）網(wǎng)隔W02F拒動的原因。德州東牽引變電所W02F網(wǎng)隔29日13時07分所內(nèi)后臺報電機失電報警，因此實際為網(wǎng)開關(guān)由于失去控制電源和電機電源而拒動。原因分析：雷擊22#F線絕緣子距W02F網(wǎng)開關(guān)機構(gòu)箱僅1400m，由于雷擊感應(yīng)電壓的影響，造成W02F網(wǎng)上隔離開關(guān)電機空氣開關(guān)跳閘，機構(gòu)失電造成W02F網(wǎng)開關(guān)拒動，如圖10所示。

5 調(diào)查結(jié)論

2013年7月29日13時07分由于雷擊造成德州東站22#正饋線絕緣子碎裂，同時受感應(yīng)雷電影響W02F電機空氣開關(guān)跳閘，雷擊還造成地電位升高致使雷電電流通過上隔W02浪涌保護器（SPD）串入到直流控制回路中，燒毀饋線212DL保護裝置保護板，造成饋線212DL保護拒動，從而使得主變低壓側(cè)201DL、202DL越級跳閘。

6 結(jié)束語

牽引供電系統(tǒng)中的接觸網(wǎng)是向高速列車供電的唯一方式，其故障將影響高速列車的安全運行，造成較大的經(jīng)濟和社會影響。由于鐵路牽引變電所的特殊運行工況，近年來，全國鐵路牽引變電所發(fā)生了多起類似于德州東牽引變電所的強電侵入二次系統(tǒng)事故，事故造成了牽引變電所設(shè)備的損失，也給鐵路運輸秩序造成一定影響。因此，要按照中國鐵路總公關(guān)于《牽引變電所二次系統(tǒng)防強電侵入優(yōu)化技術(shù)方案指導(dǎo)意見》要求，進一步優(yōu)化綜合自動化直流電源供電回路，完善直流電源失電后應(yīng)急保護裝置，落實牽引變電所附近供電線架設(shè)避雷線和非接觸網(wǎng)合架單獨供電線支柱接地等要求，增強牽引變電所防雷擊能力，為高鐵運輸安全提供可靠保障。