西安地鐵直流系統跳閘事件分析

西安地鐵直流系統跳閘事件分析

張美

(西安地下鐵道有限責任公司運營分公司，陜西 西安 710016)

摘要：通過介紹西安地鐵直流系統的一系列故障并提出處理方法，指出設計缺陷，針對后續線路的電纜敷設給出防范措施，為設備人員后續檢修及故障處理提供了參考。

關鍵詞：直流系統；跳閘；保護動作；故障處理

收稿日期:2015-05-12

作者簡介：張美(1986—)，女，陜西西安人，助理工程師，從事供電研究工作。

1現象

8月25日下午，渭河車輛段牽混所控制室內信號盤下側突然發出“噗噗”聲，并伴有冒煙和火花，隨即整流機組35 kV饋線開關106、107，直流進線開關201、202及直流饋線斷路器同時跳閘。同時，值班員迅速斷開交流屏兩路進線開關。跳閘時，在試車線上網隔離開關附近的人員觀察到，上網隔離開關(2111隔開)操作箱中有煙和火花冒出，此時試車線上有客車正在調試。

2故障詳情

(1) 控制信號盤后方下側燒灼情況較為嚴重，控制信號盤到2111隔開(試車線上網隔開)的控制電纜在電纜進入控制柜處燒斷，灼燒情況如圖1所示。

圖1　控制信號盤下部二次電纜燒灼情況

(2) 試車線上網隔離開關2111操作箱下方及箱內的控制電纜均有嚴重的燒灼現象，個別線芯已經斷裂。

(3) 35 kV饋線開關106、107，直流進線柜201、202及直流饋線柜均已跳閘。

3保護動作情況

(1) 負極柜FP框架泄漏電流元件動作：負極柜內電流型框架保護繼電器動作，會造成全所直流牽引系統跳閘并閉鎖，其動作值為80 A，并需要對電流繼電器本體進行復歸。

(2) 整流器柜面板顯示屏顯示整流器橋臂逆流保護動作，后臺顯示106、107直流柜逆流保護跳閘：導致35 kV斷路器106、107跳閘。

(3) 整流變溫控器故障報警。

(4) 211 DDL-Delta-Ⅰ動作：通過對直流饋線柜211斷路器DDL-Delta-Ⅰ故障信息的提取，故障時最大峰值電流為5 527 A，時間23 ms。在直流饋線柜211斷路器滅弧柵內可見明顯的滅弧痕跡。

(5) 整流器溫控器超溫報警，超溫跳閘：整流器溫控器報告100 ℃超溫報警及130 ℃超溫跳閘信號，導致106、107斷路器無法成功合閘。

4原因分析及故障處理

4.1211 DDL-Delta-Ⅰ動作

4.1.1　故障原因

首先對直流饋線柜211的DDL-Delta-Ⅰ故障信息進行分析，懷疑為直流電纜故障，故針對211開關的饋線電纜進行絕緣電阻測量，發現直流饋線柜211開關三根饋線電纜中的一根絕緣電阻搖不上去，可能存在短路情況。通過對電纜故障的測試和定位發現，電纜短路點位于試車線上網2111隔離開關所在支柱的下方，如圖2所示。

圖2　電纜故障位置

隨后對電纜故障點進行了挖掘。檢查發現故障點1 500 V電纜與控制電纜相搭接，1 500 V電纜擊穿，控制電纜已被燒斷。進一步檢查分析發現1 500 V直流電纜由于受到銳器劃傷絕緣強度降低，從而造成電纜的對地短路及對相接觸控制電纜的短路。在短路點處一次故障電流通過控制電纜一方面流向控制信號盤，一方面流到2111隔開操作箱，并通過設備殼體接地線流入大地回流，因此造成控制信號盤和隔開操作箱處控制電纜燒灼。經分析確定此為造成211 DDL-Delta-Ⅰ動作的原因。

4.1.2　故障處理

更換了故障控制電纜；對1 500 V直流饋線電纜故障處進行了切割，做電纜中間接頭，并進行了絕緣和耐壓試驗，然后將高壓電纜和控制電纜分開布置，用軟土覆蓋。

4.2整流器柜面板顯示屏顯示整流器橋臂逆流保護動作，后臺顯示106、107直流柜逆流保護跳閘

4.2.1　故障原因

檢查發現2號整流器逆流保護單元和通訊模塊故障，分析后確定為直流一次電流沿2111隔開控制電纜金屬鎧裝進入變電所接地系統，大電流通過PLC接地端引入元器件，從而造成2號整流器逆流保護單元及通訊模塊損壞，整流器誤發出逆流保護信號，聯跳35 kV GIS的106、107斷路器。

4.2.2　故障處理

更換了2號整流器逆流保護單元和通訊模塊，故障復歸后設備保護模塊顯示正常，保護裝置與SCADA系統的通訊顯示正常。

4.3整流變溫控器故障報警

現場檢查后發現整流變溫控器無異常現象。經分析認為，故障發生后，值班人員為防止事故擴大采取切斷了交流屏進線電源220 V交流電，導致溫控器失電而發生報警。恢復220 V交流電源后故障消失。

4.4整流器溫控器超溫報警，超溫跳閘

4.4.1　故障原因

試送電過程中整流器發生直流牽引系統高溫跳閘，通過實時溫度測量，溫度正常，確認屬于誤報。為檢驗整流變壓器及整流器工作情況，在拆除整流器溫控器二次信號輸出線的情況下，整流機組空載運行了24 h。該故障經分析認為有3種可能原因：一是溫控器在本次故障中受過流影響損壞，二是溫度傳感器探頭損壞，三是合閘過程中的交流電磁干擾導致溫控器內繼電器誤動作。進一步檢查發現，在溫度傳感器探頭上直接加熱時溫控器正常發送報警和跳閘信號，同時溫控器在整流器無35 kV輸入時報設備運行正常，因此受到干擾的因素應為主因。

4.4.2　故障處理

首先更換了溫控器控制單元，試送電中106、107合閘瞬間即刻又分斷；接著檢查溫度傳感器探頭，發現2號整流器溫度傳感器探頭外陶瓷損壞，正常情況下PT100溫度傳感器探頭電阻應為110 Ω，而其電阻為130 Ω，根據溫升電阻特性其已經具備輸出超溫跳閘信號的條件，對其更換后試送電再次跳閘；最后通過修改PLC內部程序增加軟件抗干擾單元，即使PLC超溫跳閘信號輸出躲過送電時溫控器繼電器誤動作信號。

4.5負極柜FP框架泄漏電流元件動作

現場情況：短路點處距鋼軌4 m左右，距設備接地扁鋼也僅有6 m左右，同時由于受大雨影響土壤環境潮濕，導電性較好，檢查中還發現直流開關柜框架的對地絕緣電阻較低，只有0.2 MΩ，排查后發現端子柜下方有接地現象。結合短路電流回流路徑(圖3)進行分析，認為回流路徑主要有A、B、C 3條，A是1 500 V直流電纜直接通過大地回流附近鋼軌；B是短路電流流入控制電纜，一部分電流通過隔離開關外殼流入接地系統，另一部分則通過變電所控制信號盤控制電纜鎧裝層接地端流入接地系統，最后通過接地系統回流鋼軌；C是故障電流直接流入附近的接地扁鋼，由于直流開關柜框架通過一電流元件與接地系統相接且框架絕緣不好，則故障電流通過接地系統流入框架，再通過框架絕緣較低處流回鋼軌。進一步進行數據分析可知，A、B兩條路徑的回流電阻相似，可視為相同的R，由于大地潮濕回流性能較好，則R即可視為鋼軌對地絕緣電阻加上大地電阻，距離較近時可忽略；雜散電流防護要求新線鋼軌對地絕緣電阻不得低于15 Ω·km，假設回流電流在鋼軌2 m范圍內(回流范圍增大則鋼軌回流電阻減小，但大地回流電阻增加)，那么鋼軌對地電阻為15/0.002=7 500 Ω。可以得到C路徑的回流電流為(200 000+7 500)I=(5 427-I)×7 500/2，最終得到回流電流即流經框架電流元件的電流為96 A，可導致電流型框架保護動作。

圖3　短路電流回流路徑示意圖

5總結及建議

(1) 由于采用無金屬鎧裝的直流高壓電纜，絕緣層耐受外力的強度較差，且電纜隱性故障不易暴露，因此建議選用帶金屬鎧裝的直流高壓電纜，以提高電纜抗外力的強度和電纜絕緣測量的準確性。

(2) 可在上網隔開下方電纜預留處設置電纜井放置電纜，并將高壓電纜和控制電纜分開敷設。

(3) 對于設備的各保護模塊，盡量選用抗外部干擾較強的控制保護裝置，并增加軟件抗干擾單元，今后如有必要可更換抗干擾能力更強的整流器溫控器。

(4) 由于直流系統框架對地絕緣較差引起的設備故障較多，且不易排查，因此建議對直流系統框架底座進行徹底清理，清除絕緣螺栓孔中的金屬碎屑，以防止直流系統框架多點接地。

(5) 加強全線直流開關柜框架絕緣的安裝、試驗及檢查，保證框架絕緣滿足1 000 V/1 MΩ的標準。

6結語

本次故障中電纜短路同時導致整流器內部元件燒毀、溫控器誤動作等狀況，表明設備在設計中還存在很多不足與缺陷，因此對運行中設備狀況的檢查必須抓住問題不放過，深入分析，協同廠家與施工單位落實整改，確保設備隱患及早解決。同時在設備招標階段及時介入，提出需求，防止類似問題再次發生。我們要通過高強度的故障演練使變電員工熟悉設備故障狀態、操作方法及處理方案；并在演練的基礎上，通過技術比武的手段提高技術人員對突發故障的應變和快速分析出故障原因的能力，建立起一支素質過硬的技術隊伍，保證供電系統的穩定可靠運行。

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