接觸網支柱接地狀態(tài)對支柱二次保護設備的影響試驗研究

黃 維,郭海濤,王 林,曹曉斌,杜 浩

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司電氣化設計研究院,武漢 430063； 2.中國鐵路廣州局集團有限公司供電部,廣州 510088； 3.西南交通大學電氣工程學院,成都 610031)

引言

我國擁有世界最大規(guī)模的電氣化鐵路網。隨著鐵路智能化技術的發(fā)展，電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的設備全面實現(xiàn)了遠動控制和在線監(jiān)測。接觸網供電線上網隔離開關用于連接牽引變電所(包括分區(qū)所、AT所、開閉所等)和接觸網，上網隔離開關的控制方式包括通過綜合自動化系統(tǒng)直接控制，通過RTU箱采用光纖進行遠動控制和通過直流電纜直接控制3種[1-2]。近年來，由于一次系統(tǒng)短路引起接觸網隔離開關RTU箱和操作機構箱燒毀的故障時有發(fā)生，甚至造成與之相連的牽引變電所二次設備燒毀的嚴重后果[3-5]。

在現(xiàn)有的研究中，為了避免一次系統(tǒng)短路引起二次設備損壞，電力系統(tǒng)設計時主要通過限制地網電位升實現(xiàn)，如我國國標GB50064交流系統(tǒng)接地中規(guī)定，地網的電位升不超過2 000 V，特高壓系統(tǒng)中不得超過5 000 V[6-7]。長江水利委員會通過試驗得到，屏蔽層剝掉4 cm的電纜可承受工頻電壓15 kV，一般繼電器可承受工頻電壓5.5 kV，并驗證了變電站接地網電位提高5 000 V是允許的[8-9]。近年來隨著變電站容量的增大，轉移電位造成二次系統(tǒng)過電壓損壞逐漸得到重視[10-12]。湖北500 kV雙河變電站單相短路接地試驗證明，2 400 A短路電流由地網入地時，地網內部不同位置的電位差可達117 V。中國香港地鐵變電站發(fā)生一起單相接地故障時，測到地電位升高達350 V。浙江省電力工業(yè)局曾因忽視了輸電線路存在轉移電位，使得臨時接地線對地電壓達到了200 V，造成1名工作人員觸電身亡[12]。但上述研究均是針對變電站內發(fā)生短路故障的情況，未針對變電站外獨立接地，但與站內二次設備存在電氣連接的電氣設備。

為了找出接觸網隔離開關短路引起二次系統(tǒng)燒毀的原因，通過對中國鐵路廣州局集團有限公司的某牽引變電所進行了近端人工短路試驗，測得了不同方式下牽引回流分配及過電壓分布情況，研究了直供方式下接觸網隔離開關操作機構箱和RTU箱內工頻短路過電壓的產生機理及影響因素。

1 接觸網隔離開關短路試驗

1.1 接觸網隔離開關系統(tǒng)

接觸網隔離開關用于隔離故障、分段作業(yè)及改變運行方式，其數(shù)量多、分布范圍廣，對其實施遠距離集中監(jiān)控并納入遠動系統(tǒng)[13]，已成為必要。接觸網隔離開關接線如圖1所示。

圖1 接觸網隔離開關示意

控制和信息傳輸穩(wěn)定可靠、抗電磁干擾能力強是接觸網開關監(jiān)控的關鍵[14]。目前樞紐接觸網開關監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸有“控制電纜方式”和“無線數(shù)據通信方式”及“光傳輸方式”，前者采用電纜傳輸信息，較容易受干擾，多在控制距離短的場合使用。“無線數(shù)據通信方式”克服了“控制電纜方式”的缺點，但無線數(shù)據通道的數(shù)據傳輸質量易受現(xiàn)場氣候(如雷電)、地形、電磁干擾等因素的影響，同時還存在無線電頻率占用的問題[15]。“光傳輸方式”采用光來傳輸信息，具有通道容量大、抗電磁干擾能力強、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。接觸網開關光纖監(jiān)控裝置的通信傳輸同時具備高速工業(yè)現(xiàn)場總線的電接口和光接口方式，以保證信息傳輸?shù)母呖煽啃院蛻玫撵`活性，是接觸網開關監(jiān)控的良好解決方案[16]。

接觸網開關光纖監(jiān)控裝置是由遠程監(jiān)控單元、電源管理裝置、電源及浪涌保護單元等設備集成，其各設備的硬件配置先進可靠，系統(tǒng)核心采用高性能的DSP確保系統(tǒng)的實時性、可靠性；電源輸入過流、過壓防護，以及所有對外端口處完善的EMC防護措施，確保裝置的電磁干擾防護能力達到4級水平。該裝置適用于各種類型的接觸網隔離開關的監(jiān)控環(huán)境中[17-20]。

1.2 短路試驗方案

本次試驗對象是時速250 km的高速鐵路，供電采用的是直供加回流線的供電制式，并且設有綜合地線。試驗短路的對象是其中一個變電所的饋線上網開關。該線路的接觸網上網隔離開關采用的是帶RTU箱的光纖控制方式。為了防止變電所二次系統(tǒng)損壞，在變電所所內上網隔離開關操作電源出口處安裝有1臺1∶1的隔離變壓器。變電所交流屏的220 V電源首先接入隔離變壓器的原邊，再從次邊引出220 V電纜接到1號接觸網上網隔離開關的RTU箱及控制箱，為其提供電源，并通過1根220 V電纜給相鄰的2號接觸網上網隔離開關提供電源。本次試驗的接觸網隔離開關操作機構箱如圖2所示。

圖2 接觸網隔離開關操作機構箱

其中，A1是RTU工作電源空開、A2是操作機構供電空開、B1是操作機構電機電源空開、B2是操作機構二次控制回路電源空開，4個開關中任一開關跳閘，都會導致接觸網隔離開關拒動。

試驗地點回流接線情況如下。

(1)1號隔離開關安裝支柱與回流線不相連，支柱接地極與綜合地線相連。

(2)2號隔離開關支柱通過絕緣子與回流線相連，支柱接地極與綜合地線相連。

人工短路方案如下。

(1)通過人工短路線，將1號GK靠變電所側引線對地進行短接。

(2)在變電所外選取一點作為測量電壓的參考點，電壓參考點到變電所和鐵路線路的距離約為50 m，周圍無地下電纜及管道。

(3)從電壓參考點分別引電壓測量線至1號隔離開關，以及變電所內監(jiān)測點。

(4)1號GK處測量支柱對參考點電壓，220 V電纜對參考點電壓及通過220 V電纜電流。

(5)變電所內測得變電所地網對參考點電壓，

交流屏處220 V電纜對參考點電壓，隔離變壓器處次邊220 V電纜對參考點電壓。地回流電流、軌回流電纜電流和總電流。

(6)為了保證試驗過程不影響所內其他設備，試驗時除對應饋線外，其他饋線斷路器均處于分位，并切除所有重合閘裝置。

1.3 第一次短路試驗

第一次短路試驗模擬回流系統(tǒng)正常情況，接觸網支柱與回流線的連接良好，試驗完成后，所內外設備均無異常，未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

綜合自動化系統(tǒng)測得數(shù)據如表1所示。

表1 第一次短路保護數(shù)據

測得各部分回流數(shù)據如表2所示，其中總回流電流、綜合地線回流電流和軌回流由實測得到，地網回流通過總回流減去綜合地線回流電流與軌回流得到。

表2 回流系統(tǒng)分配數(shù)據

對比表1與表2可以看出，總回流電流與綜合自動化系統(tǒng)測得的饋線短路電流基本一致，綜合地線回流電流與地網回流占總電流的81.4%，軌回流僅占總電流的18.6%。

1.4 第二次短路試驗

第二次短路試驗時，模擬了回流回路不暢的情況，將1號隔離開關支柱與回流線斷開。

本次試驗后，所內設備正常運行；但在接觸網端，1號隔離開關機構箱及RTU箱燒損，電源線相連的2號隔離開關機構箱及RTU箱燒損。

第二次短路試驗中，綜合自動化系統(tǒng)測得的數(shù)據如表3所示。

表3 第二次短路保護數(shù)據

與表1相比，兩次短路試驗的短路電流沒有太大差別，但短路電阻從0.07 Ω上升到0.34 Ω，阻抗角81.1°下降到56°。

表4為第二次短路試驗的回流分配數(shù)據，從表4可以看出，總回流沒有太大變化，地網回流有從36.5%上升到40.2%，綜合地線回流從44.9%下降到了38.7%。軌回流無大的變化。

表4 第二次短路回流系統(tǒng)分配數(shù)據

2 短路引起的電壓升分析

2.1 第一次短路試驗分析

1號隔離開關支柱處測得的暫態(tài)過電壓波形如圖3所示。

圖3 1號隔離開關支柱接地暫態(tài)電壓波形

圖3中過電壓最大波峰值為380 V，波谷最大值為880 V，總持續(xù)時間小于0.4 ms。

各測點電壓如表5所示。

表5 第一次短路試驗各測點電壓 V

從表5數(shù)據可知，隔離開關支柱的電位升僅35 V，不會造成RTU箱與操作機構箱設備損壞。變電所電位升約為224 V，其中所內工頻穩(wěn)態(tài)電位差僅為1.4 V，因此不需要考慮所內地網電位差對二次系統(tǒng)的影響。

2.2 第二次短路試驗分析

第二次短路時1號支柱的外引接地極測得的短路電流波形如圖4所示。

圖4 支柱外引接地極的短路電流波形

各測點電壓如表6所示。

表6 第二次短路試驗各測點電壓 V

支柱的基礎接地螺栓與10 m處貫通地線的相對工頻電壓峰值較小，不足100 V，但二者的暫態(tài)過電壓峰值達到2 750 V。

RTU箱的220 V電源電纜芯線對支柱接地極的電壓為2 200 V，暫態(tài)電壓峰值為5 200 V。

支柱基礎接地螺栓對參考點的工頻電壓最大峰值為3 000 V，暫態(tài)電壓峰值為6 400 V。

通過波形對比，發(fā)現(xiàn)上述暫態(tài)過電壓持續(xù)時間小于0.005 s，即小于1/4個工頻周期，然后陡降，因此可推斷在該時刻二次系統(tǒng)發(fā)生擊穿。

3 設備燒損原因分析

第二次短路試驗中，1號隔離開關與2號隔離開關的RTU箱及操作機構箱均燒損。經解體，發(fā)現(xiàn)2臺隔離開關的RTU箱中的浪涌保護裝置(SPD)均損壞，端子排引線燒斷；2臺操作機構箱的加熱器內部擊穿；1號隔離開關RTU箱的三孔插座背面擊穿，引線燒斷；加熱器相連的電纜外絕緣層熔化。

3.1 回流情況分析

從表1與表3可知，兩次短路試驗穩(wěn)態(tài)短路電流差異僅有17 A，系統(tǒng)短路電抗基本相同。

對比表3與表4可知，兩次短路試驗中，綜合接地回流與地網回流占回流的主體，主要是因為試驗時隔離開關高壓端直接對地短路，而回流線對地采用絕緣架設，短路產生的過電壓無法擊穿回流線絕緣子，因此只有少量電流通過回流線回流。

結合設備擊穿情況，可認為第一次短路時，短路電流主要通過1號支柱與綜合地線的連接引線流入綜合地線，再通過綜合地線及大地流回變電所。

第二次短路發(fā)生時，由于1號支柱與綜合地線斷開，短路電流通過擊穿其二次設備后，再通過220 V電纜傳到2號隔離開關RTU箱及操作機構箱，擊穿其二次系統(tǒng)絕緣后，通過其支柱與綜合地線的連接線流入綜合地線，再通過綜合地線與大地流回變電所。

3.2 電壓分布情況分析

第二次短路發(fā)生時，1號隔離開關的支柱電壓快速抬升，從表6可知，其RTU箱中220 V電纜與支柱的暫態(tài)電壓差達到5 600 V，超出SPD整定電壓，SPD動作后由于電流過大燒毀，同時造成操作機構箱加熱管和三孔插座絕緣擊穿。

過電壓通過220 V電纜分別傳到變電所與2號隔離開關二次部分。變電所由于隔離變壓器絕緣水平較高，且隔離變壓器次邊的SPD已斷開，盡管其次邊電纜上有2 286.4 V的高壓，但未通造成絕緣擊穿。隔離變壓器原邊對參考點電壓為529 V的電壓，但考慮到地網也有224 V電壓抬升，原邊實際對地網的電壓僅為300 V左右，不會造成交流屏設備損壞。

3.3 二次設備擊穿過程分析

綜上所述，結合設備損壞情況，擊穿過程如下。

(1)發(fā)生短路，1號隔離開關的RTU箱外殼及操作機構箱外殼電壓上升。

(2)SPD動作，短路電流通過SPD進入220V電源。

(3)加熱器、RTU箱內三孔插座內部擊穿。

(4)SPD爆炸，端子排擊穿。

(5)2號隔離開關加熱器，RTU箱的電源端子排，SPD處端子排擊穿，與綜合地線形成短路電流通路。

(6)工頻短路電流將上述各處接線柱熔斷。

4 結論

通過接觸網隔離開關對地短路試驗以及通過對短路回流情況和過電壓情況分析，主要結論如下。

(1)支柱接地回流不良是造成隔離開關操作機構，以及變電所二次系統(tǒng)損壞的主要原因。當回流路徑通暢時，支柱接地極電壓升差僅為35V左右，不會造成二次系統(tǒng)損壞及變電所強電侵入。

(2)支柱回流路徑不暢時，短路電流首先全部通過支柱接地裝置，造成支柱基礎電壓升高并擊穿二次設備絕緣。操作機構箱內的加熱管、三孔插座和SPD是絕緣薄弱環(huán)節(jié)，擊穿電壓在2200V左右。SPD通工頻短路電流能力較弱，不能在隔離開關發(fā)生短路時起到保護作用。

(3)操作機構箱二次設備擊穿后，牽引短路電流主要通過二次電纜回流，此時支柱基礎的電壓將下降。在二次電纜回路中加裝隔離變能有效防止短路電流流入牽引變電所二次屏柜，造成二次系統(tǒng)大面積損壞。

(4)防止接觸網隔離開關短路造成牽引變電所二次系統(tǒng)損壞的關鍵為：確保接觸網隔離開關的安裝支柱接地回流系統(tǒng)可靠，因此建議接觸網設計與施工中將此列為關鍵控制環(huán)節(jié)與交接檢查的重點項目；在運行維護過程中將此加入日常檢測內容。

致謝

本文研究工作由中鐵第四勘察設計院集團有限公司2019年度科研課題《牽引變電所低壓控制裝置防強電侵入技術優(yōu)化研究及測試》(合同編號2019K052)全額資助，接觸網隔離開關對地短路試驗是在中國鐵路廣州局集團有限公司、中國鐵道科學研究院集團有限公司、深圳鐵創(chuàng)科技有限公司等單位的配合下得以實施，特向以上單位以及參加本次試驗的所有人員致以誠摯的感謝!