一起牽引變電所框架保護跳閘事故的分析

劉建華

（中國鐵道科學研究院，北京 100081）

0 引言

城市軌道交通采用電氣化牽引供電，牽引變電所是機車電氣化牽引供電的來源，其供電的安全性、穩定性與列車正常運行息息相關。為提高牽引變電所運行人員的人身安全，保障變電所一次設備正常運行，牽引變電所普遍設置框架保護[1]。某地鐵牽引變電所在執行直流1 500 V系統送電過程中，直流系統負極柜框架電流保護動作，造成大范圍的跳閘事故，跳開該牽引變電所35 kV整流變壓器進線電源開關、直流1 500 V進線及饋線斷路器、以及兩相鄰牽引變電所對應供電臂的直流1 500 V饋線斷路器。牽引變電所框架保護跳閘范圍廣，直接影響相應機車牽引負荷供電，造成行車中斷，嚴重影響列車正常運行，社會影響特別大。框架保護因牽涉的一次設備多，關聯的二次回路也非常多，一旦發生跳閘，故障的處置復雜，而且時間緊迫，現場工程人員對故障的處理需要有精準而清晰的思路，本文從框架保護的工作原理、事故現場運行工況出發，結合變電所二次系統電路的設計原理，層層深入，采用系統的分析方法，反復驗證排除，得出框架保護誤動作的原因為二次回路共地耦合干擾所致，針對此原因，提出具體的優化改進方案，防范類似的跳閘事件再次大范圍發生，保障列車正常安全運行。

1 框架保護原理

地鐵牽引變電所為保護設備及人身安全，直流1 500 V系統設置框架電流保護和框架電壓保護[2]，框架保護的原理如圖1所示。框架電流保護系統由框架電流元件（分流器）、電流變送器以及框架保護裝置PLC組成，框架電流元件（分流器）一端與設備外殼框架相連，另一端與牽引變電所接地網相連[3]，當直流一次系統1 500 V正極對設備外殼框架碰殼短路，短路電流經框架電流元件（分流器）、接地網、軌地過渡電阻，到達鋼軌及負極，形成框架電流回流通路。當碰殼產生的框架電流達到框架電流保護定值（80 A）[4]，經框架保護裝置PLC控制跳閘出口跳開碰殼短路點所有來電方向的電源，即整流變壓器35 kV電源開關、直流1 500 V進線、饋線斷路器，以及兩相鄰牽引所對應供電臂的直流1 500 V饋線斷路器開關。

圖1 框架保護原理

框架電壓保護系統由框架電壓元件（電壓變送器）、框架保護裝置PLC組成，框架電壓元件（電壓變送器）一端與設備外殼框架相連，另一端與負極及鋼軌相連[5]，框架電壓元件（電壓變送器）長期監測設備外殼與負極及鋼軌之間的電壓[6]。由于正常情況下，設備外殼處于經框架電流元件串聯接地狀態，框架電壓保護監測的鋼軌與設備外殼的電壓，也即為鋼軌與地的電壓。當直流1 500 V一次設備正極對外殼短路，如果框架電流回路阻抗過大，導致框架電流較小[7]，低于框架電流保護定值80 A，則不能啟動框架電流保護跳閘，此時框架電壓元件監測到的電壓大于框架電壓保護定值，框架電壓保護觸發啟動，跳開本站整流變壓器35 kV電源開關，直流1 500 V進線、饋線斷路器。

2 故障查找分析

2.1 框架電流保護跳閘時的故障工況

通過調取跳閘時牽引變電所后臺監控工作站信息，發現電力調度員在執行直流上網隔離開關送電操作時，負極柜框架電流保護動作。當時牽引變電所整流機組已送電，當進行2121上網隔離開關合閘操作時，框架電流保護動作。

2.2 故障檢查

現場對直流開關柜和負極柜一次回路進行檢查，未發現一次回路對設備框架外殼短路放電的痕跡。對一次回路進行絕緣測試，測得直流1 500 V開關柜正極、負極、各饋線母排對設備柜外殼框架絕緣電阻均符合要求。

為確定故障原因，按照跳閘時運行工況，對2121上網隔離開關再次進行分合閘操作，在對2121合閘時負極框架電流保護動作，故障得到復現。利用電腦連接框架保護裝置PLC，讀取到PLC采集的框架泄漏電流為160 A，遠大于框架電流保護啟動值80 A。繼續采取更進一步排查措施，對2121上網隔離開關進行分閘操作，未發現負極框架電流保護動作；對2141、2124隔離開關進行分閘、合閘操作，均未發現負極框架電流保護動作。由此推斷，框架電流保護誤動作與2121隔離開關合閘操作存在某種關聯。

2.3 故障原因分析

牽引變電所一次回路設計上，2121上網隔離開關與直流框架電流保護之間并無直接聯系，二者沒有電氣連接關系。為進一步確定保護動作時PLC采集的框架泄漏電流是真實的一次泄漏電流，還是框架保護二次回路受到的干擾信號，拆除設備外殼框架接地電纜，再次對2121上網隔離開關進行合閘操作，負極框架電流保護再次啟動，由此可推定，該故障與一次回路無關，可能原因為二次回路存在故障，導致框架電流保護誤動作。

框架電流保護二次回路由框架電流元件（分流器）、電流變送器實現框架電流采樣[8]，經PLC模擬量輸入輸出模塊處理，最后由PLC中央處理模塊實現保護輸出，上述二次元件與2121上網隔離開關無直接聯系。進一步深入分析，發現電流變送器、PLC的工作電源由負極柜DC220－DC24 V電源裝置提供，DC220－DC24 V電源裝置的上級電源由牽引變電所直流屏DC220 V操作電源提供，而隔離開關2121的工作電源也由牽引變電所直流屏DC220 V操作電源提供。顯然，DC220－DC24 V電源裝置與2121隔離開關之間存在聯系，框架電流保護裝置PLC亦與2121隔離開關之間存在間接聯系，檢查DC220－DC24 V電源裝置、框架保護裝置PLC，發現二者共用接地線向接地網接地。

進一步檢查發現，2121上網隔離開關合閘操作回路存在對地絕緣不良故障，其合閘操作直接影響到變電所直流屏DC220 V操作電源電壓穩定性，導致DC220－DC24 V電源裝置正常工作受到影響，其各輸出節點電位（包括接地點）受到干擾出現異常。由于上述二者采取共用接地線接地方式，一部分干擾信號通過公共地線耦合到框架保護裝置PLC模塊，產生了共地阻抗性電磁干擾，這種干擾影響到PLC各工作回路的參考電位，導致PLC誤判出160 A框架泄漏電流，錯誤觸發框架電流保護動作跳閘。

為了進一步驗證上述框架電流保護動作的真正原因，將DC220－DC24 V電源裝置接地線拆除，再次對2121上網隔離開關進行合閘操作，負極柜框架電流保護沒有啟動，多次試驗，也沒有發生框架電流保護誤動作情況。由此推斷，框架電流保護誤動作與上述二者共用接地線存在必然關聯。

2.4 故障結論

通過工程現場的深入細致排查，模擬還原事故發生時的工況，故障得以復現，經分析得出結論如下。

（1）牽引變電所2121上網隔離開關合閘回路發生的對地絕緣不良故障，致使其在合閘過程中牽引變電所DC220 V操作電源受到干擾影響，并導致下級負荷DC220－DC24 V電源裝置輸出干擾信號是造成本次牽引變電所負極框架電流保護動作的初始原因。

（2）牽引變電所DC220－DC24 V電源裝置和框架保護裝置PLC二者共用接地線，通過共地阻抗性耦合傳導，為上述干擾信號提供耦合途徑，導致框架保護裝置PLC模擬量采樣模塊受干擾影響，誤判框架電流采樣值，是造成框架電流保護誤動作的直接原因。

3 優化改進措施

基于上述框架電流保護跳閘事件的故障原因分析，為進一步防止框架電流保護誤動作事件頻繁發生，建議采取以下技術措施進行防范處理。

（1）PLC框架保護裝置與負極柜DC220－DC24 V電源裝置采用分開接地線方式接地，避免采用共用地線的接地方式，采用分散接地接入地網，減少不同電路相互之間的電磁干擾。

（2）局部二次元件（DC220－DC24 V電源裝置）采用浮地方式，避免干擾信號通過接地線耦合傳導至PLC，影響其對框架電流模擬量采樣值的測量與判定，從而達到防范框架電流保護誤動作的目的。

（3）對牽引變電所直流220 V操作電源設置有效的絕緣監測系統，加強變電所直流操作電源的對地絕緣監測，發現其絕緣狀況異常，及時跳開相關二次回路，防止變電所直流操作電源絕緣不良影響下級二次供電回路，防止產生干擾信號進入繼電保護裝置。

4 結束語

本文通過對牽引變電所送電過程產生的框架電流保護跳閘的事故分析，得出框架電流保護誤動作的原因為二次回路共地阻抗性耦合干擾所致。由于相關二次元件采取共用地線接地方案，當某回路出現異常情況，產生干擾源，在共地線的各二次元件之間出現共地阻抗性耦合干擾，干擾信號通過公共地線耦合進入保護裝置，嚴重影響繼電保護裝置正常工作，這種耦合干擾可引起框架保護裝置誤觸發跳閘，也可引起其他相關繼電保護裝置誤觸發跳閘，造成嚴重的供電事故。針對此弊端，提出優化設計改進方案，提高了二次繼電保護裝置抗干擾能力，為牽引變電所安全、穩定運行提供有力技術保障。