京滬高鐵德州東牽引變電所一起雷擊故障的分析

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著為京滬高鐵正線（里程為k289—k340）的供電任務。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構設備包括主變壓器接線方式為VX形式，單臺變壓器容量為50MVA，電壓變換等級為220kv/2×27.5kv；高壓側CT（電流互感器）變比為1000/1，低壓側CT變比為2500/1；進線側電壓等級為220kv，饋線側電壓等級為2×27.5kv；微機保護裝置型號為成都交大許繼的TA21綜合自動化系統。其接觸網網上隔離開關接線分布如圖2所示。

圖2 德州東牽引變電所網上隔離開關分布示意圖

2 故障情況

德州牽引變電所于2013年07月29日，13時07分1#主變低壓側201DL跳閘，13時52分2#主變低壓側202DL跳閘。天氣情況為雷雨大風。

2.1第 1次跳閘主變201DL動作情況

1）13時07分36秒，α相過流元件動作，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23分，遠動斷開212DL超時拒動；

3）13時27分，值班員手動斷開212DL；

4）13時41分，變電所由1#、3#主變系統倒切至2#、4#主變系統運行。

2.2 第2次跳閘主變202DL動作情況

1）13時52分36秒，α相過流元件動作，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59分，經確認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06分，遠動操作牽引變電所網上隔離開關（網隔）W02F，操作失敗；

4）14時36分，打開W02F網隔，退出F線；

5）14時37分，變電所212T線恢復正常供電，F線退出運行。

圖3 22#肩架絕緣子折斷示意圖

3 保護原理

3.1 距離保護動作特性及原理分別如圖4、圖5所示。

圖4 距離保護動作特性

測量阻抗計算：

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—測量電阻和電抗。

對于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 距離保護原理框圖

3.2 電流速斷保護原理如圖6所示。

圖6 電流速斷保護原理框圖

3.3 低電壓啟動過電流保護原理如圖7所示。

圖7 低電壓啟動過電流保護原理框圖

3.4 電流增量保護原理如圖8所示。

圖8電流增量保護原理框圖

3.5 主變低壓側低電壓啟動過電流保護原理如圖9所示。

圖9主變低壓側低電壓啟動過電流保護原理框圖

4 故障分析

初步分析：2013年7月29日13時07分201斷路器第一次越級跳閘的原因，是由于雷擊造成德州東站22#正饋線絕緣子碎裂，正饋線F線瞬時形成接地短路點，饋線212DL拒動，饋線211DL保護未啟動造成越級跳閘；13時52分202再次發生越級跳閘，原因為絕緣子擊碎后未接地，后在雷雨和大風作用下正饋線F線與PW線距離不足放電，形成短路故障點，饋線212DL拒動，饋線211DL保護未啟動，再次造成越級跳閘。

本次故障變電方面存在的主要問題有四個：一是饋線212DL保護為什么拒動？二是饋線211DL保護為什么未啟動？三是主變低壓側201DL和202DL保護為什么會越級啟動？四是網上隔離開關W02F為什么拒動？筆者就此逐一分析：

1）饋線212DL保護拒動的原因

一是饋線212DL保護裝置CPU板損壞造成饋線保護拒動。現場檢查饋線212DL保護裝置告警燈常亮，內部保護板指示燈無顯示。經分析原因是饋線212DL保護裝置保護CPU板損壞，造成饋線保護裝置失效，保護和測控功能失靈。

二是饋線212DL保護裝置CPU板損壞。通過調閱保護裝置動作記錄和事件記錄，饋線212DL最近一次跳閘了生在2013年1月20日，到此次事故發生時未再發生跳閘。通過對CPU板檢查，發現保護板U8邏輯運算器有發熱燒損跡象。初步分析為雷擊原因造成開入回路過電壓引起邏輯運算器燒損，造成CPU板故障。

2）饋線211DL保護未起動的原因

饋線211DL共設有距離保護、電流速斷保護、低電壓啟動過電流保護、電流增量保護。根據故障線路長短，利用上下行電流比法來估算分析饋線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

故障點發生在22#支柱處，公里標為K313+800，即饋線212DL距故障點公里標為1.756km，211DL離故障點繞過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故障電流應為8280÷14.21≈582.69A（201DL、202DL二次跳閘α電流取平均值8280A）。

通過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電流速斷保護未動作。故障發生前，饋線211DL和212DL處于全并聯供電運行狀態，故障點發生在k313+800處，當饋線212DL的接觸網上的22#支柱F線絕緣子被擊碎時，由于電流速斷定值二次值為2.46A（一次值為6150A），582.69A小于保護動作電流值，根據原理框圖6，可以得出電流速斷保護不會動作。

二是饋線211DL低電壓啟動過電流保護未動作。低電壓啟動過電流保護定值二次值為1.1A（一次值為2750A），582.69A小于保護動作電流值，根據原理框圖7，所以低電壓啟動過電流保護不會動作。

三是饋線211DL電流增量保護未動作。電流增量保護給定的定值為0.29A（一次值為725A），時間為2S，可以看出饋線211DL突變量并未達到電流增量起動值，且定值延時為2S，而1S后主變低壓側低壓起動過電流保護已出口，根據原理框圖8，所以電流增量保護不會動作。

四是饋線211DL距離保護未動作。距離保護定值為：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0.1S，保護范圍如圖4所示。

通過對201DL跳閘信息的分析可知，母線電壓折算至二次側數值約為31.4V。按照距離保護的啟動條件圖5所示，如果線路發生短路故障時，負荷阻抗角一般在60～70度之間，在此取阻抗角為65度，母線電壓為31.4V時，根據公式和距離保護向量圖得知阻抗需小于188.1÷sin65°=207.55Ω才能啟動距離保護，即阻抗電流需要大于31.4÷207.55=0.151A才會導致距離保護動作。而在AT供電模式下，利用公式2可得，饋線211DL的T線二次電流必須達到0.302(一次電流值為756.44A)才會使距離保護啟動。而饋線211DL的T線電流值為582.69A，小于動作值756.44A，所以距離保護不會動作。

由此可見，當α饋線段出現故障時，并不意味著饋線211DL、212DL必定會同時跳閘。假設當時饋線212DL出現拒動故障，則會導致饋線211DL始終保持故障電流582.69A，所以饋線211DL距離保護不會啟動。

綜上所述，饋線212DL因為CPU板損壞造成拒動，饋線211DL由于未達到跳閘條件所以保護沒有動作。

3）主變低壓側201DL、202DL保護啟動的原因。201DL、202DL的低電壓起動過流保護定值為：一次電流3425A，一次電壓定值為19.8kv，時限設為1S。故障發生時201DL、202DL電流為8288 A（8272A），母線電壓為8.60kV(8.67kV)，根據原理框圖9可知，1S后出口跳閘，低電壓過電流保護應該啟動出口。

4）網隔W02F拒動的原因。德州東牽引變電所W02F網隔29日13時07分所內后臺報電機失電報警，因此實際為網開關由于失去控制電源和電機電源而拒動。原因分析：雷擊22#F線絕緣子距W02F網開關機構箱僅1400m，由于雷擊感應電壓的影響，造成W02F網上隔離開關電機空氣開關跳閘，機構失電造成W02F網開關拒動，如圖10所示。

5 調查結論

2013年7月29日13時07分由于雷擊造成德州東站22#正饋線絕緣子碎裂，同時受感應雷電影響W02F電機空氣開關跳閘，雷擊還造成地電位升高致使雷電電流通過上隔W02浪涌保護器（SPD）串入到直流控制回路中，燒毀饋線212DL保護裝置保護板，造成饋線212DL保護拒動，從而使得主變低壓側201DL、202DL越級跳閘。

6 結束語

牽引供電系統中的接觸網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行，造成較大的經濟和社會影響。由于鐵路牽引變電所的特殊運行工況，近年來，全國鐵路牽引變電所發生了多起類似于德州東牽引變電所的強電侵入二次系統事故，事故造成了牽引變電所設備的損失，也給鐵路運輸秩序造成一定影響。因此，要按照中國鐵路總公關于《牽引變電所二次系統防強電侵入優化技術方案指導意見》要求，進一步優化綜合自動化直流電源供電回路，完善直流電源失電后應急保護裝置，落實牽引變電所附近供電線架設避雷線和非接觸網合架單獨供電線支柱接地等要求，增強牽引變電所防雷擊能力，為高鐵運輸安全提供可靠保障。