蘭新客專電力供電系統(tǒng)問題研究及工程改造

勾永直

0 引言

蘭新客專電力貫通線（分為一級貫通和綜合貫通）直接為沿線鐵路各車站電氣集中設(shè)備及區(qū)間信號中繼站提供可靠、不間斷電源[1]。區(qū)別于多采用架空線路的普速鐵路電力貫通線路，蘭新客專電力貫通線路采用全電纜敷設(shè)方式，自2014 年開通運營以來，累計發(fā)生電力電纜絕緣擊穿故障37 件，且呈逐年上升趨勢。故障原因多為電纜頭的制作工藝不達標、電纜敷設(shè)期間施工導致的本體損傷、電纜敷設(shè)工藝不標準等。因此，如何有效降低電纜故障率，是當前需要研究的課題。

1 蘭新客專電力供電系統(tǒng)

1.2 電纜敷設(shè)方式

電力電纜選用交聯(lián)聚氯乙烯絕緣非磁鎧裝單芯電力電纜，兩回貫通線全部采用全電纜敷設(shè)方式，該管段轄區(qū)20 個站區(qū)電力電纜槽內(nèi)存在變配電所電源線、站饋線、一級/綜合貫通電力電纜、燈塔低壓電纜、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)操作電源線同槽敷設(shè)問題；電力電纜與信號、通信電纜共用電纜井，井內(nèi)存在交叉敷設(shè)問題；在正常平衡負載條件下，3 根單芯電纜“品”字形排列敷設(shè)。

1.3 高壓電纜金屬護層接地

35 kV 及以下高壓電力電纜金屬護層采用一端接地，另一端通過護層保護器的接地方式。

1.1 運行方式

管段內(nèi)蘭新客專設(shè)電力變配電所17 座，采用單母線分段接線，設(shè)置電源進線段、主母線段、貫通母線段。

2 蘭新客專電力電纜故障分析

經(jīng)統(tǒng)計，管段內(nèi)蘭新客專轄區(qū)自開通運營以來的37 起電力電纜故障主要分為電纜頭和本體絕緣擊穿兩類故障。通過圖1 所示的貫通線電纜故障趨勢圖可看出：電纜頭絕緣擊穿受制作質(zhì)量不達標影響，開通之初集中爆發(fā)，隨后趨于平緩，而后受電纜頭絕緣不斷劣化影響，自2020 年開始故障數(shù)趨于上升；電纜本體絕緣自開通不斷劣化，故障數(shù)逐年趨于上升。

圖1 蘭新客專貫通線電纜故障趨勢

2.1 電纜故障典型案例

案例1：2019 年二宮配電所G05“動車運用所饋線一”305DL 電流速斷保護跳閘?，F(xiàn)場檢查存在兩處故障點，一處位于1 號電纜對接箱內(nèi)，另一處位于1、2 號電纜對接箱間的電纜中間接頭。從兩處電纜絕緣擊穿故障判斷，兩處故障發(fā)生時間不同。1、2 號電纜對接箱間的電纜中間接頭因兩端電纜無裕度，在冬季極限氣溫影響下，電纜收縮，導致電纜中間接頭接續(xù)處產(chǎn)生間隙，出現(xiàn)接續(xù)不良，長時間運行出現(xiàn)絕緣擊穿，單相接地。在單相電纜發(fā)生絕緣擊穿接地故障后，調(diào)度后臺未能接收到相關(guān)告警信息，長時間帶故障運行，非故障相電壓持續(xù)升高，最終升至線電壓，導致1 號電纜對接箱內(nèi)套管絕緣擊穿，該供電線路電流速斷保護跳閘。

案例2：2021 年2 月11 日二宮配電所10 kV Ⅱ段母線零序過電壓告警。通過調(diào)度后臺查看，二宮配電所各站饋回路均未投入零序過電流保護，僅N27 饋線投入零序過電壓告警，無法快速準確判斷故障回路，耽誤故障查找處置進度，并導致N30“機務、給水及車間環(huán)網(wǎng)干線二”430DL 電流速斷保護跳閘?，F(xiàn)場檢查故障點位于電纜中間接頭處，因電纜中間接頭制作工藝不達標，電纜頭一相絕緣擊穿并經(jīng)一段時間后，故障相接地點放電灼傷非故障相電纜，最終造成相間短路，配電所保護跳閘。

2.2 原因分析

以上兩起電纜故障發(fā)生的原因和現(xiàn)象相似，在出現(xiàn)電纜單相接地故障后，既有的設(shè)備接線方式、保護設(shè)置不能及時準確上報相關(guān)告警信息，不能立即切斷故障回路，導致故障線路長時間運行，不斷擴大故障范圍[2]，電纜故障由初期的單相接地發(fā)展為兩相短路，直至最后跳閘。

3 運行保護分析

上述兩起典型故障案例充分反映出管內(nèi)蘭新客專配電所站饋回路電纜運行存在較大安全隱患。

3.1 零序保護介紹

零序保護分零序電流保護和零序電壓保護，通常會配以保護裝置進行電路的保護。零序電流保護的原理是利用三相電流的矢量和進行保護，一般會在出線電纜上套入一個零序電流互感器（下文均稱零序CT），正常情況下ABC 三相之間的電流矢量和為0，當某相發(fā)生單相接地故障，ABC 三相之間的電流矢量和大于0，此時零序CT 給微機保護裝置發(fā)出信號，在一定的時間內(nèi)使斷路器跳閘，起到保護作用。零序電壓保護也類似，對于高壓而言，一般會在PT 柜里安裝3 只單相電壓互感器，二次側(cè)的開口三角接線方式目的是監(jiān)測系統(tǒng)的零序電壓信號，當系統(tǒng)出現(xiàn)三相電壓不平衡或單相接地后，零序電壓發(fā)出信號，裝置會使斷路器跳閘。

零序電流保護的最大特點是只反映單相接地故障，因系統(tǒng)中的其他非接地短路故障不會產(chǎn)生零序電流，因此零序電流保護不受任何故障干擾。

在中性點直接接地的系統(tǒng)中，常采用三段式零序保護。零序Ⅰ段：瞬時零序電流速斷，保護本線路全長的70%～80%；零序Ⅱ段：帶時限零序電流速斷，保護本線路全長及下一段線路一部分；零序Ⅲ段：零序過流保護，保護本線路全長及作為下一段線路的后備保護。

根據(jù)運行經(jīng)驗，在高壓系統(tǒng)中，70%～90%的故障為單相接地故障，而大多數(shù)相間短路也是由單相接地故障發(fā)展而來，采用零序保護具有明顯的優(yōu)越性。

3.2 蘭新客專配電所零序保護投入情況

結(jié)合兩起典型案例，開展電纜專項排查整治，檢查發(fā)現(xiàn)管內(nèi)17 座配電所站饋回路電纜存在以下問題：

（1）靠近配電所一端未接入零序電流互感器，發(fā)生單相接地故障時，接地電流不僅可能沿發(fā)生故障電纜的導體表面流回，也可能沿非故障電纜的導體表面流回。故安裝時必須將電纜頭經(jīng)零序CT 接地，才能保證故障相和非故障相的電容電流通過接地點，既能防止區(qū)外故障時保護裝置誤動作，又能保證故障時裝置可靠動作。

（2）各饋線未投入零序電流保護、零序電壓保護。繼電保護設(shè)有零序電流保護，但僅作用于告警，在發(fā)生電纜單相接地時，不能采集到線路中的零序電流，只能依次查詢各站饋線回路中的電流值來粗測故障線路，逐條進行停電驗證。高壓電力線路采用全電纜敷設(shè)，發(fā)生故障時，若不能立即切斷故障回路，故障相電纜發(fā)熱放電極易波及相鄰電纜，擴大故障范圍，且易造成火災等次生事故。

4 解決方案

通過對幾起典型電纜故障的深度分析，制訂并實施以下幾種解決方案。

4.1 零序電流互感器整治

為保證線路發(fā)生單相接地故障后PSCADA 系統(tǒng)能準確快速接收到告警信息，組織完成管內(nèi)17座配電所站饋回路零序電流互感器接入，確保電纜經(jīng)零序CT 接地，保證電纜發(fā)生單相接地時故障相和非故障相的電容電流通過接地點。

4.2 保護定值整定

結(jié)合現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)的問題及配電所運行方式，將站饋線接入零序保護，并將大電流系統(tǒng)和小電流系統(tǒng)的零序保護皆設(shè)置為零序電壓告警、零序電流跳閘的方式，保證發(fā)生單相接地故障時綜合自動化系統(tǒng)能夠準確、靈敏、快速地切除故障線路，縮小故障范圍。在單相接地故障發(fā)生時，能及時跳閘隔離故障，即使電纜敷設(shè)未達標，也不會因混線造成故障范圍擴大。

因零序電流保護是通過三相不平衡電流判斷電纜是否出現(xiàn)單相接地故障，從保護的性能來分析，在不發(fā)生單相接地時，零序電流分量是不會出現(xiàn)的，因此零序電流保護具有較高的靈敏性。但是當出現(xiàn)以下幾種情況時，零序電流保護可能會出現(xiàn)誤動作：

（1）電流回路斷線時，可能造成保護誤動作。這是一般較靈敏的保護的共性弱點，需要在運行中注意防止。

（2）當電力系統(tǒng)出現(xiàn)負荷不對稱運行時，也會出現(xiàn)零序電流，如變壓器三相參數(shù)不同所引起的不對稱運行、單相重合閘過程中的兩相運行、三相重合閘和手動合閘時的三相斷路器不同期、母線倒閘操作時斷路器與隔離開關(guān)并聯(lián)過程或斷路器正常環(huán)并運行情況下，由于隔離開關(guān)或斷路器接觸電阻三相不一致而出現(xiàn)零序環(huán)流，以及空投變壓器時產(chǎn)生的不平衡勵磁涌流，特別是在空投變壓器所在母線有中性點接地變壓器運行的情況下，可能出現(xiàn)較長時間的不平衡勵磁涌流和直流分量等，都可能使零序電流保護啟動。

（3）地理位置靠近的平行線路，當其中一條線路故障時，可能引起另一條線路出現(xiàn)感應零序電流，造成反方向側(cè)零序方向繼電器誤動作。

（4）由于零序方向繼電器交流回路平時沒有零序電流和零序電壓，回路斷線不易被發(fā)現(xiàn)；當繼電器零序電壓取自電壓互感器開口三角側(cè)時，也不易用較直觀的模擬方法檢查其方向的正確性，因此較容易因交流回路出現(xiàn)問題而使得在電網(wǎng)故障時造成保護拒動和誤動。

綜合以上保護誤動作因素，考慮將接地距離保護與零序電流保護配合使用。接地距離保護是利用短路電壓和電流的比值，即測量阻抗的變化來區(qū)分系統(tǒng)的故障與正常運行狀態(tài)。接地距離保護的靈敏性高于零序電流保護，接地距離保護與零序電流保護相配合可以構(gòu)成完整的接地保護。

在采用統(tǒng)一零序保護前，首先結(jié)合現(xiàn)場實際運行情況對繼電保護系統(tǒng)保護定值進行核算修改，采集計算三相不平衡電流，確保零序過電流保護、零序過電壓保護定值的正確。

4.3 暫態(tài)零模電流極性法選線

對于中性點不接地系統(tǒng)，當發(fā)生單相接地故障時，通過“暫態(tài)零模電流極性法”進行選線[3]。

圖2 為有3 條站饋線的系統(tǒng)示意圖，其中線路Ⅲ電纜的某一相發(fā)生了電纜頭或本體的絕緣擊穿故障，進而演變成單相接地故障。圖3 所示為3 條線路通過零序電流互感器采集到的零序電流波形。

圖2 站饋線單相接地故障示意圖

圖3 饋線零序電流波形

根據(jù)圖3，對于非故障線路j，暫態(tài)零模電壓u0(t)與電流ij0(t)滿足如下關(guān)系：

式中，Cb0為所有非故障線路電容與母線及其背后系統(tǒng)分布電容之和。

可見，以暫態(tài)零模電壓的導數(shù)為參考檢測暫態(tài)零模電流的極性，即可判斷出暫態(tài)零模電流的方向，實現(xiàn)故障選線：故障線路上暫態(tài)零模電流與零模電壓的導數(shù)始終反極性，非故障線路零模電流與零模電壓的導數(shù)始終同極性。圖4 顯示故障線路的零序電流、母線處的零序電壓及其導數(shù)的取反波形?？梢?，零序電流和零序電壓的導數(shù)波形反向，而非故障線路的零序電流和零序電壓的導數(shù)波形同相。故障線路電壓導數(shù)和電流波形始終反極性，避免了電流與電壓極性關(guān)系在第一個半波后就變?yōu)橄嗤那闆r，因此，克服了首半波法選線原理只在首半波內(nèi)有效的缺陷[4]。

圖4 故障線零序電流和零序電壓導數(shù)反向波形

最后，對于電力貫通線的諧波干擾嚴重的變電所，還加裝了二階高通無源濾波器，以消除諧波對保護的干擾。

目前已將17 個配電所站饋線全部改造完畢，零序過電流跳閘定值初設(shè)為0.3 A（變比50∶1），零序過電壓告警定值初設(shè)為35 V。

5 結(jié)語

經(jīng)對蘭新客專貫通線電纜整治及零序保護的改造，2021 年上半年電纜故障數(shù)開始回落，證明改造效果良好。本項目對高鐵全電纜電力貫通線的保護設(shè)置有重要參考意義，體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）統(tǒng)一的零序保護方案保證了高鐵電力變配電所在發(fā)生電纜線路單相接地時，繼電保護系統(tǒng)能及時準確地切除故障設(shè)備，防止故障范圍擴大，確保行車安全。

（2）此方案還可避免變配電所內(nèi)半絕緣電壓互感器長時間承受線電壓造成電壓互感器擊穿。

（3）統(tǒng)一的電纜敷設(shè)方式（“品”字形布置）有效降低了金屬護層上產(chǎn)生的感應電壓，大大減少電纜絕緣擊穿故障；配合防火涂料、阻火包、防火泥的合理采用，徹底消除了電纜火災隱患。

（4）為科學管理高鐵電力電纜積累了經(jīng)驗。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)同步在進行小電流系統(tǒng)保護的改造，對零序電流大的系統(tǒng)執(zhí)行跳閘隔離的措施[5]，這些措施也在很大程度上降低了電力電纜故障發(fā)生的概率。