降低接地過電壓對鐵路10kV供電系統危害的思考

徐明玉　上海鐵路局調度所

xxx年x月x日，京滬高鐵固鎮配電所電源一柜避雷器因供電公司10kV系統單相接地故障燃燒起火，繼而引起電流互感器、電壓互感器、進線電纜頭燒毀，GIS柜氣體泄漏故障，導致該所單電源運行27天，嚴重影響了鐵路供電的可靠性。經分析，10kV系統的單相接地時產生的持續弧光過電壓將避雷器擊穿爆炸是引起故障直接原因，但在現有鐵路配電所設備運行方式與繼電保護設計條件下，如何避免類似事故，確保鐵路供電安全是值得我們認真思考的問題。

1　鐵路10kV配電系統中性點運行方式分類

按照三相電力網與大地間電氣連接的方式不同，電力系統有中性點不接地系統、中性點經消弧線圈接地系統、中性點經小電阻接地系統和中性點直接接地系統。

普速鐵路配電所的負荷主要供給沿線鐵路信號、通信用電，兼顧車站照明、動力供電。10kV電源及饋出線路以架空線路為主，發生短時接地的概率很大，為了提高供電的可靠性，中性點采用中性點不接地系統（小電流接地系統），單相接地時，允許帶故障運行2h。

高速鐵路配電所主要負責供給沿線鐵路信號、通信基站、消防等用電，兼顧大站照明、生活及動車所等檢修、動力用電等，10kV電源線路及饋出線路以電纜為主。電源及站饋線路采用小電流接地系統，一級貫通和綜合貫通饋出線路采用中性點經小電阻接地系統，兩種接地系統經調壓變壓器隔離，調壓器二次側中性點帶小電阻接地裝置。此外中性點經消弧線圈接地系統在部分高速鐵路配電所也有運用。

2　各種中性點接地方式的優缺點分析。

2.1　小電流接地系統

2.1.1中性點不接地方式（如圖1）

圖1　中性點不接地方式

優點：①結構簡單，不需要任何附加設備，節省投資，發生單相接地時不形成短路回路，接地電流僅為線路的對地電容電流，電流值很小。②根據《鐵路電力管理規則》規定中性點不接地系統發生單相接地時可以繼續運行2h，既保證了供電的可靠性，也為排查故障贏得時間。

缺點：發生單相接地時，非故障相對地電壓升高為線電壓，即為原來的 倍，間歇性弧光過電壓更是達到額定值的數倍，對絕緣薄弱部位如避雷器、電纜頭等產生嚴重威脅。

2.1.2中性點經消弧線圈接地（如圖2）

圖2　中性點經消弧線圈接地

優點：①通過中性點接入的電感線圈補償系統電容電流，在單相接地時接地電流較小，可以自動熄滅電弧，避免弧光過電壓的出現，保護設備絕緣免于被擊穿。②可以減少間隙性弧光接地過電壓的概率。③接地電流較小，減少了跨步電壓和接觸電壓。④單相接地時可根據規則維持運行2h，既保證了供電的可靠性，也為排查故障贏得時間。

缺點：①條件出現時可能與系統電容形成諧振，產生諧振過電壓。②由于消弧線圈對電容電流的補償，使零序保護的整定值的確定變的困難。

2.2　大電流接地系統

2.2.1中性點直接接地方式（如圖3）

圖3　中性點直接接地方式

優點：發生單相接地時即形成單相短路，瞬時切除故障線路，接地時對地電壓不會上升，設備按相電壓設計絕緣等級即可，降低工程造價。

缺點：單相接地時瞬時跳閘，供電可靠性變差，同時，在線路試送電查找故障時，會多次經受單相短路大電流的沖擊。單相接地的大電流對通信和信號設備干擾較大，一般只在110kV及以上電壓等級中采用。

2.2.2中性點經小電阻接地方式（如圖4）

圖4　中性點經小電阻接地方式

優點：①與系統對地電容并聯，釋放電容儲能，有助于消除諧振。②通過合理選擇接地電阻阻值（一般選擇10Ω～20Ω）從而很好控制單相接地時的電流（10A～500A之間），有利于確定保護整定值。③單相接地時的過電壓不高，對設備的絕緣威脅小。

缺點：只要發生單相接地就會零序動作，增加跳閘的次數，供電可靠性下降。

3　鐵路配電所中性點接地方式的選擇

上述分析可以看出，各種中性點接地方式的各有優缺點，鐵路配電所現有中性點接地方式是根據各自身供電的特點相應選擇的。

高速鐵路配電所的一貫和綜貫線路多為單芯全電纜線路，運行時電容電流較大，為架空線路電容電流的幾十倍，且發生故障多為永久性故障，若采用小電流接地系統，會使非故障相對地電壓大幅上升，單相接地時的接地電弧多為封閉性電弧，很難自行熄滅，如不能及時切除故障線路極易造成電纜擊穿、避雷器爆炸等惡性事故。接地過電壓也嚴重威脅供電安全，應采用大電流接地系統，及時跳閘，切除故障線路。但若采用中性點直接接地方式，則在發生單相接地時，接地電流很大，對通信線路的干擾大，同時感應電壓還會造成電務信號裝置誤動作，產生的跨步電壓和接觸電壓危害也很大，故應優先選用中性點經小電阻接地方式。

普速鐵路的貫通電力線路多為架空線路，發生瞬時故障的幾率較大，為了維持供電，提高供電可靠性，并降低單相接地故障時的接觸電壓和跨步電壓，應采用小電流接地系統。又由于經消弧線圈接地給零序保護整定帶來的不便，故應優先采用中性點不接地方式。在供電可靠性較高和電纜線路占比較大的地區也可改造為中性點經小電阻接地方式。

4　目前高速鐵路配電所運行方式存在的不足及建議改進措施

高速鐵路配電所電源進線及站饋線路采用與普速鐵路配電所相同的方式，即中性點不接地方式。但與普速鐵路不同，高速鐵路的電源線路及站饋線路多為三芯全電纜線路、負荷點多為室內設置的配電房或戶外設置的箱式變電站，發生瞬時故障的幾率很小。同時，由于電纜線路單相接地時弧光過電壓很高，電弧難以自行熄滅，加之現行的運行方式允許單相接地故障時運行2h，往往造成事故擴大，出現本文前文所述的固鎮配電所電源柜燒損事故。

為降低接地過電壓對鐵路10kV供電系統危害，目前主要有兩種解決思路。①配電所母線電壓互感器設置零序過電壓告警，當電力系統出現單相接地時發出“零序過壓”告警信號。②配電所電源進線斷路器設置零序過電壓保護，在系統發生單相接地時立即動作跳開電源進線斷路器，保護母線設備和站饋設備免受接地過電壓的沖擊。

隨著我國鐵路的飛速發展，高速鐵路配電所目前普遍采用無人值班，供電調度員遠程集中監控的方式。由于供電調度員需要監控牽引變電所、配電所、箱式變電所等很多站點，采用第一種方式在系統單相接地時僅發出零序過壓告警，存在供電調度員不能及時發現故障信息，接地告警信號被其他告警信號“覆蓋”的風險，延誤故障處置。此外與被控端的通信出現問題也會導致調度端無法及時接到報警信號。

單相接地故障是系統性故障，系統中某一點接地，電氣上直接聯接的、未經變壓器隔離的整個系統都能檢測到零序過壓。若采用第二種方式在系統出現單相接地后零序過壓保護立即出口，跳開電源進線斷路器，由于不能確定故障點是在供電公司的電線路上還是鐵路方電線路上，此時會給故障的處置帶來困難。如果盲目啟用配電所母聯供電，一旦故障發生鐵路配電所所內或饋出線路故障，有可能導致另一路電源零序過壓跳閘，形成配電所全所停電的局面，擴大事故。

為解決以上矛盾，筆者建議：在目前高速鐵路配電所電源進線及站饋線路采用小電流接地系統的情況下，配電所電源進線斷路器應設置零序電壓保護，延時（以 5min～10min為宜）出口跳閘，以彌補上述缺陷，減少接地過電壓對設備的危害。

故障發生后，如供電調度員及時接受到故障信號，則立即判斷故障范圍：依次拉開各饋出線路，若故障仍未消失，手動拉開電源進線斷路器并聯系供電公司調度，若供電公司調度反映系統單相接地故障仍存在，則可判斷故障不在所內，此時啟用母聯供電。如供電調度員未能及時發現并處置故障，延時5min～10 min后，電源進線斷路器故障跳閘。此時供電調度員接受到故障報警或發現線路停電后，應立即聯系供電公司調度確認系統接地情況，若故障仍存在，則故障點不在所內，可啟用母聯供電。若5min～10min后故障消失，則故障發生在所內，此時不得啟用母聯供電。該所饋出的一貫、綜貫線路應改由鄰所供電。通知檢修人員巡視設備及線路。

5　結束語

隨著鐵路供電技術和設備的升級，供電線路電纜化也成為一種趨勢，如何通過技術手段在不間斷供電、減少故障過電壓危害、降低建設投資三者之間找到新的平衡點始終是我們技術人員思考的問題。

[1]鐵運【1999】103號《鐵路電力管理規程》.

[2]DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》.

[3]京滬高鐵、合福高鐵、合武客專等電力設計文件.