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(dān)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(tái)變壓器容量為50MVA，電壓變換等級(jí)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(jìn)線側(cè)電壓等級(jí)為220kv，饋線側(cè)電壓等級(jí)為2×27.5kv；微機(jī)保護(hù)裝置型號(hào)為成都交大許繼的TA21綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。其接觸網(wǎng)網(wǎng)上隔離開(kāi)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(kāi)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(shí)07分1#主變低壓側(cè)201DL跳閘，13時(shí)52分2#主變低壓側(cè)202DL跳閘。天氣情況為雷雨大風(fēng)。

2.1第 1次跳閘主變201DL動(dòng)作情況

1）13時(shí)07分36秒，α相過(guò)流元件動(dòng)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(shí)23分，遠(yuǎn)動(dòng)斷開(kāi)212DL超時(shí)拒動(dòng)；

3）13時(shí)27分，值班員手動(dòng)斷開(kāi)212DL；

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

2.2 第2次跳閘主變202DL動(dòng)作情況

1）13時(shí)52分36秒，α相過(guò)流元件動(dòng)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(shí)59分，經(jīng)確認(rèn)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(shí)06分，遠(yuǎn)動(dòng)操作牽引變電所網(wǎng)上隔離開(kāi)關(guān)（網(wǎng)隔）W02F，操作失?。?/p>

4）14時(shí)36分，打開(kāi)W02F網(wǎng)隔，退出F線；

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

圖3 22#肩架絕緣子折斷示意圖

3 保護(hù)原理

3.1 距離保護(hù)動(dòng)作特性及原理分別如圖4、圖5所示。

圖4 距離保護(hù)動(dòng)作特性

測(cè)量阻抗計(jì)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(cè)量電阻和電抗。

對(duì)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(hù)原理框圖

3.2 電流速斷保護(hù)原理如圖6所示。

圖6 電流速斷保護(hù)原理框圖

3.3 低電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)原理如圖7所示。

圖7 低電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)原理框圖

3.4 電流增量保護(hù)原理如圖8所示。

圖8電流增量保護(hù)原理框圖

3.5 主變低壓側(cè)低電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)原理如圖9所示。

圖9主變低壓側(cè)低電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)原理框圖

4 故障分析

初步分析：2013年7月29日13時(shí)07分201斷路器第一次越級(jí)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(shí)形成接地短路點(diǎn)，饋線212DL拒動(dòng)，饋線211DL保護(hù)未啟動(dòng)造成越級(jí)跳閘；13時(shí)52分202再次發(fā)生越級(jí)跳閘，原因?yàn)榻^緣子擊碎后未接地，后在雷雨和大風(fēng)作用下正饋線F線與PW線距離不足放電，形成短路故障點(diǎn)，饋線212DL拒動(dòng)，饋線211DL保護(hù)未啟動(dòng)，再次造成越級(jí)跳閘。

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

1）饋線212DL保護(hù)拒動(dòng)的原因

一是饋線212DL保護(hù)裝置CPU板損壞造成饋線保護(hù)拒動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查饋線212DL保護(hù)裝置告警燈常亮，內(nèi)部保護(hù)板指示燈無(wú)顯示。經(jīng)分析原因是饋線212DL保護(hù)裝置保護(hù)CPU板損壞，造成饋線保護(hù)裝置失效，保護(hù)和測(cè)控功能失靈。

二是饋線212DL保護(hù)裝置CPU板損壞。通過(guò)調(diào)閱保護(hù)裝置動(dòng)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(shí)未再發(fā)生跳閘。通過(guò)對(duì)CPU板檢查，發(fā)現(xiàn)保護(hù)板U8邏輯運(yùn)算器有發(fā)熱燒損跡象。初步分析為雷擊原因造成開(kāi)入回路過(guò)電壓引起邏輯運(yùn)算器燒損，造成CPU板故障。

2）饋線211DL保護(hù)未起動(dòng)的原因

饋線211DL共設(shè)有距離保護(hù)、電流速斷保護(hù)、低電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)、電流增量保護(hù)。根據(jù)故障線路長(zhǎng)短，利用上下行電流比法來(lái)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(diǎn)發(fā)生在22#支柱處，公里標(biāo)為K313+800，即饋線212DL距故障點(diǎn)公里標(biāo)為1.756km，211DL離故障點(diǎn)繞過(guò)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(guò)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(hù)未動(dòng)作。故障發(fā)生前，饋線211DL和212DL處于全并聯(lián)供電運(yùn)行狀態(tài)，故障點(diǎn)發(fā)生在k313+800處，當(dāng)饋線212DL的接觸網(wǎng)上的22#支柱F線絕緣子被擊碎時(shí)，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(hù)動(dòng)作電流值，根據(jù)原理框圖6，可以得出電流速斷保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

二是饋線211DL低電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)未動(dòng)作。低電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)定值二次值為1.1A（一次值為2750A），582.69A小于保護(hù)動(dòng)作電流值，根據(jù)原理框圖7，所以低電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

三是饋線211DL電流增量保護(hù)未動(dòng)作。電流增量保護(hù)給定的定值為0.29A（一次值為725A），時(shí)間為2S，可以看出饋線211DL突變量并未達(dá)到電流增量起動(dòng)值，且定值延時(shí)為2S，而1S后主變低壓側(cè)低壓起動(dòng)過(guò)電流保護(hù)已出口，根據(jù)原理框圖8，所以電流增量保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

四是饋線211DL距離保護(hù)未動(dòng)作。距離保護(hù)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(shí)0.1S，保護(hù)范圍如圖4所示。

通過(guò)對(duì)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(hù)的啟動(dòng)條件圖5所示，如果線路發(fā)生短路故障時(shí)，負(fù)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(shí)，根據(jù)公式和距離保護(hù)向量圖得知阻抗需小于188.1÷sin65°=207.55Ω才能啟動(dòng)距離保護(hù)，即阻抗電流需要大于31.4÷207.55=0.151A才會(huì)導(dǎo)致距離保護(hù)動(dòng)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(dá)到0.302(一次電流值為756.44A)才會(huì)使距離保護(hù)啟動(dòng)。而饋線211DL的T線電流值為582.69A，小于動(dòng)作值756.44A，所以距離保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

由此可見(jiàn)，當(dāng)α饋線段出現(xiàn)故障時(shí)，并不意味著饋線211DL、212DL必定會(huì)同時(shí)跳閘。假設(shè)當(dāng)時(shí)饋線212DL出現(xiàn)拒動(dòng)故障，則會(huì)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(hù)不會(huì)啟動(dòng)。

綜上所述，饋線212DL因?yàn)镃PU板損壞造成拒動(dòng)，饋線211DL由于未達(dá)到跳閘條件所以保護(hù)沒(méi)有動(dòng)作。

3）主變低壓側(cè)201DL、202DL保護(hù)啟動(dòng)的原因。201DL、202DL的低電壓起動(dòng)過(guò)流保護(hù)定值為：一次電流3425A，一次電壓定值為19.8kv，時(shí)限設(shè)為1S。故障發(fā)生時(shí)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(guò)電流保護(hù)應(yīng)該啟動(dòng)出口。

4）網(wǎng)隔W02F拒動(dòng)的原因。德州東牽引變電所W02F網(wǎng)隔29日13時(shí)07分所內(nèi)后臺(tái)報(bào)電機(jī)失電報(bào)警，因此實(shí)際為網(wǎng)開(kāi)關(guān)由于失去控制電源和電機(jī)電源而拒動(dòng)。原因分析：雷擊22#F線絕緣子距W02F網(wǎng)開(kāi)關(guān)機(jī)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(kāi)關(guān)電機(jī)空氣開(kāi)關(guān)跳閘，機(jī)構(gòu)失電造成W02F網(wǎng)開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，如圖10所示。

5 調(diào)查結(jié)論

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

6 結(jié)束語(yǔ)

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(yùn)行，造成較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。由于鐵路牽引變電所的特殊運(yùn)行工況，近年來(lái)，全國(guó)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(qiáng)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(yùn)輸秩序造成一定影響。因此，要按照中國(guó)鐵路總公關(guān)于《牽引變電所二次系統(tǒng)防強(qiáng)電侵入優(yōu)化技術(shù)方案指導(dǎo)意見(jiàn)》要求，進(jìn)一步優(yōu)化綜合自動(dòng)化直流電源供電回路，完善直流電源失電后應(yīng)急保護(hù)裝置，落實(shí)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(dú)供電線支柱接地等要求，增強(qiáng)牽引變電所防雷擊能力，為高鐵運(yùn)輸安全提供可靠保障。