一起地鐵氣體絕緣金屬封閉開關設備跳閘故障原因分析

徐東坡 吳夢麗 朱軍紅 梁建濤

一起地鐵氣體絕緣金屬封閉開關設備跳閘故障原因分析

徐東坡 吳夢麗 朱軍紅 梁建濤

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

針對一起地鐵氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）跳閘導致的該線路多個地鐵站整站失電事件，本文分析故障現象、故障波形特征和故障原因，并基于實時數字仿真（RTDS）系統搭建仿真試驗模型，重現現場故障現象。分析表明，開關柜跳閘的原因是地鐵電纜絕緣層擊穿，發生接地故障，保護動作跳閘，且故障期間相鄰電纜受接地環流的影響，相關電流保護動作跳閘，最終導致多個地鐵站整站失電。

地鐵；電纜；絕緣擊穿；接地環流；實時數字仿真（RTDS）

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，地鐵在城市建設中越來越普及，1965年7月我國第一條地鐵北京地鐵1號線開工建設，2021年底我國城市軌道交通運營里程達到8 741km[1-2]。地鐵采用電力牽引，電能的供應和傳輸是地鐵安全、可靠運行的重要保證。地鐵供電系統結構復雜，其服務對象除車輛外，還包括車站信號、通信、通風換氣、空調設施、自動扶梯、自動售檢票、屏蔽門、消防設施及照明等一、二、三級負荷。可以說，供電系統是地鐵的“大動脈”，是基礎能源設施；而電力電纜更像是“血管”，將上下設備連接起來，承擔著輸送電力和傳輸信號的功能。一旦電纜出現故障，會導致電力中斷或信號傳輸中繼失效，對地鐵運營造成重大影響，若處理不及時，甚至會出現故障范圍擴大化[3]。

本文介紹一起地鐵氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）跳閘導致的該線路多個地鐵站整站失電事件，通過對故障現象、故障波形特征和故障原因進行分析，并基于實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統搭建仿真試驗模型，重現現場故障現象。

1 故障概況

1.1 地鐵供電系統

在城市軌道交通35kV或10kV中壓供電系統中，一般將全線車站變電所的母線通過電纜以“手拉手”的方式形成開放式環形供電，又稱大分區供電[4-5]。一座110kV變電站一般掛接4～6座變電所負荷。本文所述35kV地鐵供電系統如圖1所示。

圖1 35kV地鐵供電系統

1.2 故障過程描述

某日04:23:30.654，B站Ⅱ段母線B23饋線間隔保護裝置零序Ⅰ段動作出口跳閘，04:23:30.853，B23饋線間隔保護裝置啟失靈聯跳保護動作出口，04:23:30.875，B10分段間隔、B21進線間隔、B22出線間隔保護裝置啟失靈聯跳保護動作但不出口跳閘，04:23:30.963，B23饋線間隔保護過電流Ⅰ段動作，04:23:31.003，B22出線間隔保護裝置失靈聯跳保護動作出口跳閘，并聯跳對側C站Ⅱ段母線C21進線間隔斷路器；04:23:31.019，C站Ⅰ段母線C11進線間隔保護裝置動態加速零電流T1、動態加速過電流T1動作出口跳閘，并聯跳本段母線C12出線間隔及下級站D站Ⅰ段母線D11進線間隔。最終導致C站、D站整站失電，B站B22出線間隔、B23饋線間隔失電。

1.3 現場檢查

經檢查發現，C站C12出線間隔B相電纜頭擊穿，且該相電纜金屬護層兩端均未接地，B站B23饋線間隔A相電纜金屬護層兩端同時接地，且該電纜金屬護層接地線接地時未穿回CT。

根據GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》相關要求，當線路不長，且感應電勢能滿足標準要求時，單芯電纜金屬護層接地線應采取在線路一端或中央部位單點直接接地[6-8]。根據GB 50168—2018《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收標準》相關要求，當金屬護層接地線隨電纜芯線穿過CT時，接地線應穿回CT后接地[9]。現場檢查情況如圖2所示。

2 故障分析

2.1 現場故障波形分析

現場C站Ⅰ段母線C11進線間隔保護裝置動作錄波如圖3所示。現場35kV供電系統經小電阻方式接地，采用大分區供電方式。對該供電分區而言，正常無車輛通過時，相當于單電源無負載系統。從故障波形分析，正常狀態下，三相電壓為額定電壓，電流基本為0。故障發生后，A相、C相電壓升高，B相電壓降至0，A相、C相電流基本不變，B相電流增大，故障特征與單側電源經電阻接地系統發生B相電源近端接地故障特征一致。

圖3 C站Ⅰ段母線C11進線間隔保護裝置動作錄波

現場B站Ⅱ段母線B23饋線間隔保護裝置動作錄波如圖4所示。正常狀態下，三相電壓為額定電壓，電流基本為0。故障發生后，電壓基本不變，B相、C相電流基本不變，A相電流增大，與單側電源經電阻接地系統的典型故障特征均不相似，與單芯電力電纜兩端接地時電纜金屬護層環流特征基本一致[10-12]。

圖4 B站Ⅱ段母線B23饋線間隔保護裝置動作錄波

2.2 故障原因分析

結合故障現象及現場故障波形分析該次事件的原因是C站C12出線間隔B相電纜金屬護層兩端均未接地，造成電纜頭在強電場作用下絕緣逐步降低，電纜頭擊穿繼而引發B相接地故障，保護動作跳閘出口。B站B23饋線間隔A相電纜金屬護層兩端同時接地，故障電流流過相鄰電纜時，受電磁感應的影響，在該相電纜金屬護層中形成環流，又因該電纜金屬護層接地線未穿回CT，故電纜金屬護層中的環流即為采樣電流，導致保護裝置動作跳閘出口。

3 仿真分析

3.1 仿真模型搭建

建立35kV地鐵供電系統仿真模型如圖5所示。

因RTDS電纜模型的局限性，RTDS電纜模型最多允許12根耦合導體建模，即十二根導體可以為每根具有兩層導電層的六根耦合電纜，或為每根具有四層導電層的三根耦合電纜。本次建模與實際35kV地鐵供電系統稍有差異，如B站B22出線間隔A相電纜金屬護層兩端同時接地與B23饋線間隔A相電纜金屬護層兩端同時接地，在相鄰電纜流過電流時，有相似的環流現象，故暫不考慮各站饋線間隔的建模；再者本次建模至少需考慮兩回電纜線路（6根單芯電纜）間的電磁感應現象，故每根電纜僅能有兩層導電層，與實際電纜結構有差異。綜合上述原因，本次仿真僅定性分析C站C12出線間隔B相發生接地故障時，C站C11進線間隔保護安裝處及B站B22出線間隔保護安裝處的故障特征，不再做定量分析。RTDS仿真模型中電纜參數見表1，各變電所間電纜長度見表2。

圖5 35kV地鐵供電系統仿真模型

表1 電纜參數

表2 電纜長度

3.2 仿真結果分析

模擬C站C12出線間隔B相發生接地故障，故障波形如圖6所示，1a、1b、1c、1a、1b、1c分別為C站C11進線間隔保護安裝處電壓、電流一次側波形，2a、2b、2c、2a、2b、2c分別為B站B22出線間隔保護安裝處的電壓、電流一次側波形，2ax為電纜金屬護層接地處電流一次側波形。

故障發生后，C11進線間隔保護安裝處A相、C相電壓升高，B相電壓降至0，A相、C相電流基本不變，B相電流增大，與現場故障波形基本一致，B站B22出線間隔保護安裝處的電壓、電流與故障前一致，考慮到現場該處A相電纜金屬護層接地線未回穿過CT，故現場實際A相電流應為電纜金屬護層接地處電流，對比2ax與現場A相電流波形，特征基本一致，驗證了2.2節中所述故障原因的正確性。

圖6 C站C12出線間隔B相接地故障仿真波形

4 結論

本文介紹了一起地鐵GIS跳閘事件，開展了故障現場檢查、故障波形及故障原因分析，并通過RTDS系統搭建仿真試驗模型，重現了現場故障現象。最后得出開關柜跳閘是因地鐵電纜絕緣層擊穿，發生接地故障，保護動作跳閘，且故障期間相鄰電纜受接地環流的影響，相關電流保護動作跳閘，最終導致多個地鐵站整站失電這一結論。

本次事件暴露出許多問題，值得電力施工人員、運維檢修人員及二次保護設計人員引以為戒。對于電力施工人員，應嚴格按照設計施工要求，保證電纜各部件連接的可靠及施工的正確性；對于運維檢修人員，應嚴格執行運檢要求，有效保證運營環境及設備的安全可靠；對于二次保護設計人員，應豐富保護原理知識，通過有效手段提前暴露一些隱藏的安全隱患，優化保護功能邏輯，防止事故擴大。

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Cause analysis of a metro gas insulated switchgear tripping fault

XU Dongpo WU Mengli ZHU Junhong LIANG Jiantao

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

Aiming at the power loss event of multiple subway stations along the line caused by the tripping of a subway gas insulated switchgear (GIS), this paper analyzes the fault phenomenon, fault waveform characteristics and fault causes, and builds a simulation test model based on real-time digital simulation (RTDS) system to reproduce the on-site fault phenomenon. The analysis shows that the switchgear tripping is caused by the breakdown of the insulation layer of the cable, and relay protection works when the ground fault occurs. During the fault, the adjacent cables are affected by the grounding circulating current, and the relevant current protection acts to trip, which eventually leads to the power loss of multiple metro stations.

metro; cable; insulation breakdown; grounding circulating current; real time digital simulation (RTDS)

2022-09-06

2022-09-23

徐東坡（1989—），男，河南蘭考人，本科，工程師，主要從事電力系統繼電保護產品、電力電子產品的研發測試工作。