牽引變電所保護(hù)裝置誤動現(xiàn)象的分析與思考

趙瑞清，李文起，張玉龍

0 引言

京九線電氣化鐵路于2009年12月28日開通運(yùn)行，其中北京局管內(nèi)牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)選用型號為DK3500的保護(hù)測控裝置，該裝置二次額定電流為1 A，額定電壓為100 V，工作電源DC 110 V。相應(yīng)室外110 kV電流互感器（下文簡稱流互）和室內(nèi)27.5 kV斷路器小車流互二次額定電流均選擇為1 A。由于設(shè)備二次額定電流為1 A，相關(guān)保護(hù)定值也較額定電流為 5 A的保護(hù)裝置小很多，為牽引變電所運(yùn)行安全帶來隱患，對檢修試驗工作提出了更嚴(yán)格的要求。本文以石家莊供電段管內(nèi)一起差動保護(hù)裝置誤動故障為例，對保護(hù)測控裝置二次額定電流選擇 1 A的不利因素進(jìn)行分析和探討，并從工程施工、設(shè)計等方面提出完善建議。

1 故障現(xiàn)象和處理措施

1.1 故障現(xiàn)象

2010年8月11日8時34分，京九線肅寧變電所1#主變壓器（下文簡稱主變）差動保護(hù)裝置發(fā)出“采樣異常”告警信號，裝置顯示：A相差動電流為0.00 A，B相差動電流為0.00 A，C相差動電流為0.39 A。隨后該裝置“比率差動保護(hù)動作”，故障信號動作，最后裝置發(fā)出“斷路器跳閘失敗”信號。故障報告顯示故障數(shù)據(jù)見表1。

表1 肅寧變電所1#主變壓器差動保護(hù)動作故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 單位：A

由于當(dāng)時肅寧變電所 II回進(jìn)線、2#主變壓器（下文簡稱主變）系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，Ⅰ回進(jìn)線1#主變系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)，因此差動保護(hù)裝置誤動作未影響接觸網(wǎng)線路正常供電。

1.2 故障處理措施

變電檢修人員查看1#主變差動保護(hù)裝置報警、故障記錄后，發(fā)現(xiàn)有6次采樣異常報警和1次比率差動保護(hù)動作均是由于 1#主變差動保護(hù)裝置 C相高壓側(cè)差電流造成。隨即檢修人員對1#主變差動保護(hù)裝置二次C相回路進(jìn)行檢查，當(dāng)檢查到B相流互本體時（京九線北京局管內(nèi)牽引變電所主變采用V/v接線方式，其高壓側(cè)電源B相為公共相，而差動保護(hù)裝置程序設(shè)計默認(rèn)C相為公共相，因此B、C相流互二次回路在接入差動保護(hù)裝置時進(jìn)行了交叉），發(fā)現(xiàn)電纜基礎(chǔ)地基下陷嚴(yán)重，二次電纜芯線已被拉至接線盒外，且其他設(shè)備電纜基礎(chǔ)均有不同程度的沉降。待檢修人員打開 B相流互接線盒后發(fā)現(xiàn)二次接線已嚴(yán)重受力，其中B431、N421、N411、備用芯線等絕緣由于受拉力破壞已產(chǎn)生絕緣破損和接地現(xiàn)象。檢修人員立即采取措施：將電纜從基礎(chǔ)土層中清理出來，使二次接線恢復(fù)松弛狀態(tài)；將絕緣受傷的芯線進(jìn)行絕緣防護(hù)處理；對芯線及地間進(jìn)行絕緣測試正常；并對電纜基礎(chǔ)進(jìn)行初步的防沉降處理，使 B相流互二次電纜恢復(fù)安全狀態(tài)。

為檢驗該差動保護(hù)裝置（型號：DK3530A）是否正常，檢修人員利用微機(jī)保護(hù)測試儀對1#主變差動保護(hù)裝置進(jìn)行了主要項目的試驗，測試數(shù)據(jù)見表2。由試驗數(shù)據(jù)可以看出該裝置動作正常。

表2 DK3530A裝置整定值與試驗值比較表

2 差動保護(hù)裝置誤動作原因分析

經(jīng)分析，該差動保護(hù)裝置動作原因如下：

（1）京九線部分牽引變電所施工工期短，且又有高填方地基，變電所設(shè)備基礎(chǔ)沒有經(jīng)過自然沉降或人工逐層夯實，沒有按照《客貨共線鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南》（TZ 10208-2008）中第4.2.8條“當(dāng)牽引變電所基礎(chǔ)位于尚未沉實的土層上時，應(yīng)將基礎(chǔ)坑底挖至原土表面0.5 m以下，然后夯實并砌筑墊層至基礎(chǔ)底面設(shè)計高程處。”的規(guī)定進(jìn)行施工。鋪設(shè)電纜時地基未進(jìn)行夯實處理，施工完畢僅地面表層進(jìn)行灰土搗固并鋪設(shè)碎石子，雨季下雨積水導(dǎo)致地基連同電纜下沉，電纜下沉中將電纜芯線拉出并破壞其絕緣層，使差動保護(hù)二次回路發(fā)生多點接地現(xiàn)象。

如圖1所示，正常情況下，按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》（TB10009-2005）中第4.8.9條規(guī)定，在差動保護(hù)二次回路中，110 kV和27.5 kV流互二次接線須在控制室保護(hù)測控盤端子排上進(jìn)行單點接地。現(xiàn)場B431線在高壓區(qū)發(fā)生F點非正常接地且N431在控制室保護(hù)測控盤D點保護(hù)接地。在牽引變電所內(nèi)由于瞬變電流、泄漏電流和地回流的影響，地電位不一定為0 V，因此地網(wǎng)中的各點往往存在電位差。由于2處接地點會產(chǎn)生不同的接地電位，加之地線形成環(huán)路，使芯線中產(chǎn)生干擾電流流過差動保護(hù)裝置C相線圈，當(dāng)電流達(dá)到0.37 A且持續(xù)延時達(dá)到5 s后發(fā)出“采樣異常”告警信號，當(dāng)電流達(dá)到0.44 A時，差動保護(hù)裝置無延時動作出口，啟動相應(yīng)開關(guān)跳閘并發(fā)出故障信號。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已開通的石太客運(yùn)專線和京九線牽引變電所由于基礎(chǔ)沉降導(dǎo)致電纜芯線絕緣降低或接地，造成主變斷路器跳閘故障有4次，累計停電延時28 min，嚴(yán)重影響了鐵路正常的運(yùn)輸秩序。

圖1 差動保護(hù)裝置接線示意圖

（2）設(shè)計選型未結(jié)合實際情況，使保護(hù)測控 裝置抗干擾能力減弱。根據(jù)京九線施工設(shè)計，牽引變電所綜合自動化裝置二次額定電流為1 A，相應(yīng)一次設(shè)備流互二次額定電流為1 A。肅寧變電所主變選型為S-QY-25 000+20 000/110 V/v接線，容量為（25+20）MV·A；110 kV 流互設(shè)計選型為LRGBJ-110，變比為400∶1，保護(hù)線圈準(zhǔn)確度等級：10P；變壓器低壓側(cè) 27.5 kV斷路器選型為ZN12-27.5B，小車流互型號LZZB-27.5B，變比為1 200∶1，保護(hù)線圈準(zhǔn)確度等級為10P。

保護(hù)裝置定值如表3所示，由于京九線肅寧變電所 110 kV和 27.5 kV流互二次額定電流均為1 A，即高壓側(cè)流互變比為400∶1，低壓側(cè)流互變比為1 200∶1。經(jīng)過整定計算，保護(hù)裝置定值普遍較小，如肅寧所比率差動保護(hù)整定值僅為0.28，0.23和0.44 A。整定值的減小，導(dǎo)致保護(hù)裝置抗干擾、抗保護(hù)誤動的能力減弱，增加了保護(hù)裝置對電磁干擾的敏感度。因此有前述 B相流互二次電纜芯線絕緣破壞時差動保護(hù)裝置C相線圈流過0.44 A的非正常電流，致使差動保護(hù)裝置誤動作。

表3 肅寧變電所和衡水變電所保護(hù)整定值對比表

3 綜合自動化裝置二次額定電流的選擇

3.1 對保護(hù)定值影響的對比分析

表3是肅寧變電所和衡水變電所相應(yīng)保護(hù)整定值的對比關(guān)系表，其中后者保護(hù)裝置和一次設(shè)備流互二次額定電流均為5 A，可以看出在變壓器容量相同的情況下，前者保護(hù)整定電流要遠(yuǎn)小于后者。由于額定電流 1 A的保護(hù)裝置保護(hù)整定值偏小，在電纜芯線出現(xiàn)多點接地，而裝置抗干擾能力又弱時，易發(fā)生保護(hù)裝置誤動現(xiàn)象。

3.2 對運(yùn)行安全的影響

（1）增加了流互二次開路電壓。電流互感器的磁勢平衡方程式：

綜合自動化保護(hù)裝置二次額定電流選擇 1 A后，相關(guān)的流互二次額定電流也選擇為1 A。流互在一次繞組通有電流的情況下，如二次繞組開路，則由于二次反磁勢不存在，一次磁勢將全部變成勵磁磁勢，鐵心急劇飽和，磁通波形畸變?yōu)榫匦尾āＳ捎诙卫@組感應(yīng)電動勢與磁通變化率dΦ/dt成正比，因此在一個周波內(nèi)磁通過零瞬間即由正到負(fù)或由負(fù)到正時，二次繞組將感應(yīng)產(chǎn)生很高的尖頂波電勢，對于大變比（如饋線流互變比為1 200∶1）的流互其數(shù)值可達(dá)數(shù)千伏以上，因此從降低流互二次開路電壓的角度考慮，設(shè)備的二次額定電流選擇5 A更有利于運(yùn)行安全。

（2）增大了保護(hù)裝置誤動的幾率。例如前述肅寧變電所差動保護(hù)裝置誤動現(xiàn)象，若二次額定電流為5 A，保護(hù)定值整定為3.8 A，則0.44 A的非正常電流不會引起差動保護(hù)裝置誤動。因此從預(yù)防保護(hù)裝置誤動的角度考慮，額定電流5 A的裝置更適應(yīng)牽引變電所。

3.3 對計量儀表的影響

在牽引變電所中，綜合自動化裝置二次額定電流選擇1 A后，流互變比增大，由于各種外部電磁干擾的存在，使得保護(hù)測控裝置中電流變換器的輸入/輸出端電量實際并不為 0，另外加上 A/D集成元器件的零漂影響，使得保護(hù)測控裝置在備用狀態(tài)時仍檢測到電流的存在。圖 2為霸州變電所 23B饋線保護(hù)測控裝置在備用狀態(tài)下檢測到4.8 A（流互變比1 200∶1，二次電流0.004 A）的電流波形曲線。

圖2 備用狀態(tài)下流互4.8 A電流波形圖

3.4 對測試儀器的影響

綜合自動化裝置二次額定電流選用1 A后，對保護(hù)測試儀的精度要求更加嚴(yán)格。額定電流為5 A的保護(hù)測控裝置測量電流要求誤差為±0.2%，電流測量范圍為0.1IN～2IN，當(dāng)二次電流為0.5 A時，誤差應(yīng)小于等于0.001 A；額定電流為1 A的保護(hù)測控裝置測量電流誤差和測量范圍同前者，當(dāng)二次電流為0.1 A時，誤差應(yīng)小于等于0.000 2 A（即0.2 mA）；可見后者對保護(hù)測試儀的精度要求更高。因此靠指針式儀表指示的傳統(tǒng)儀表測試儀就無法滿足測量要求，必須采用精度達(dá)0.1 mA的數(shù)字式測試儀才能滿足測試精度要求。

4 整改措施及建議

4.1 設(shè)備基礎(chǔ)

（1）對京九線所有設(shè)備基礎(chǔ)下降的變電所亭進(jìn)行基礎(chǔ)夯實整治。具體做法：將有沉降的電纜及電纜護(hù)管挖開并移開原來位置，然后將電纜位置的基礎(chǔ)用三七灰土逐層墊起并進(jìn)行夯實，再將電纜經(jīng)電纜護(hù)管埋設(shè)到原來位置，其中埋設(shè)于土層中的電纜護(hù)管與設(shè)備混凝土支柱側(cè)的電纜護(hù)管焊接牢固，并在支柱上用抱箍固定，防止發(fā)生類似故障。

（2）當(dāng)變電所基礎(chǔ)地面位于尚未沉實的土層上時，明確當(dāng)電纜采用直埋或電纜護(hù)管埋設(shè)在土層中時，應(yīng)采取措施防止電纜和電纜護(hù)管發(fā)生沉降。

4.2 施工設(shè)計

在使用電磁式互感器的牽引變電所中設(shè)計綜合自動化系統(tǒng)時，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇二次額定電流1 A的保護(hù)測控裝置和一次高壓設(shè)備，優(yōu)先選用二次額定電流為5 A的設(shè)備，提高保護(hù)測控裝置抗干擾的能力，避免保護(hù)測控裝置發(fā)生誤動現(xiàn)象。

條件允許時應(yīng)考慮采用先進(jìn)的數(shù)字化變電站設(shè)備，例如：電子式互感器。電子式互感器目前已經(jīng)有成熟可靠的運(yùn)行產(chǎn)品，它由串行感應(yīng)分壓器、電磁感應(yīng)原理的Rogowski線圈、分流器、采集器、光柱、合并器等組成，其中采集器將模擬信號就地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。互感器的采集器與保護(hù)測控裝置合并器間的數(shù)字信號傳輸及激光電源的能量傳輸全部通過光纖來進(jìn)行。它有利于新型保護(hù)原理的實現(xiàn)及提高保護(hù)性能，有望解決牽引變電所差動保護(hù)諧波制動效果差、差動保護(hù)誤動的問題。

5 結(jié)束語

隨著中國鐵路大規(guī)模的建設(shè)高潮，尤其的高速客運(yùn)專線的快速建設(shè)，結(jié)合中國實際情況，做出更加適合中國國情的、合理的設(shè)計方案，加強(qiáng)工程質(zhì)量的竣工驗收，確保電氣化鐵路的安全運(yùn)行成為鐵路設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)營者必須重視的課題。

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