牽引變電所保護裝置誤動現象的分析與思考

趙瑞清，李文起，張玉龍

0 引言

京九線電氣化鐵路于2009年12月28日開通運行，其中北京局管內牽引變電所綜合自動化系統選用型號為DK3500的保護測控裝置，該裝置二次額定電流為1 A，額定電壓為100 V，工作電源DC 110 V。相應室外110 kV電流互感器（下文簡稱流互）和室內27.5 kV斷路器小車流互二次額定電流均選擇為1 A。由于設備二次額定電流為1 A，相關保護定值也較額定電流為 5 A的保護裝置小很多，為牽引變電所運行安全帶來隱患，對檢修試驗工作提出了更嚴格的要求。本文以石家莊供電段管內一起差動保護裝置誤動故障為例，對保護測控裝置二次額定電流選擇 1 A的不利因素進行分析和探討，并從工程施工、設計等方面提出完善建議。

1 故障現象和處理措施

1.1 故障現象

2010年8月11日8時34分，京九線肅寧變電所1#主變壓器（下文簡稱主變）差動保護裝置發出“采樣異?！备婢盘?，裝置顯示：A相差動電流為0.00 A，B相差動電流為0.00 A，C相差動電流為0.39 A。隨后該裝置“比率差動保護動作”，故障信號動作，最后裝置發出“斷路器跳閘失敗”信號。故障報告顯示故障數據見表1。

表1 肅寧變電所1#主變壓器差動保護動作故障數據統計表 單位：A

由于當時肅寧變電所 II回進線、2#主變壓器（下文簡稱主變）系統處于運行狀態，Ⅰ回進線1#主變系統處于熱備用狀態，因此差動保護裝置誤動作未影響接觸網線路正常供電。

1.2 故障處理措施

變電檢修人員查看1#主變差動保護裝置報警、故障記錄后，發現有6次采樣異常報警和1次比率差動保護動作均是由于 1#主變差動保護裝置 C相高壓側差電流造成。隨即檢修人員對1#主變差動保護裝置二次C相回路進行檢查，當檢查到B相流互本體時（京九線北京局管內牽引變電所主變采用V/v接線方式，其高壓側電源B相為公共相，而差動保護裝置程序設計默認C相為公共相，因此B、C相流互二次回路在接入差動保護裝置時進行了交叉），發現電纜基礎地基下陷嚴重，二次電纜芯線已被拉至接線盒外，且其他設備電纜基礎均有不同程度的沉降。待檢修人員打開 B相流互接線盒后發現二次接線已嚴重受力，其中B431、N421、N411、備用芯線等絕緣由于受拉力破壞已產生絕緣破損和接地現象。檢修人員立即采取措施：將電纜從基礎土層中清理出來，使二次接線恢復松弛狀態；將絕緣受傷的芯線進行絕緣防護處理；對芯線及地間進行絕緣測試正常；并對電纜基礎進行初步的防沉降處理，使 B相流互二次電纜恢復安全狀態。

為檢驗該差動保護裝置（型號：DK3530A）是否正常，檢修人員利用微機保護測試儀對1#主變差動保護裝置進行了主要項目的試驗，測試數據見表2。由試驗數據可以看出該裝置動作正常。

表2 DK3530A裝置整定值與試驗值比較表

2 差動保護裝置誤動作原因分析

經分析，該差動保護裝置動作原因如下：

（1）京九線部分牽引變電所施工工期短，且又有高填方地基，變電所設備基礎沒有經過自然沉降或人工逐層夯實，沒有按照《客貨共線鐵路電力牽引供電工程施工技術指南》（TZ 10208-2008）中第4.2.8條“當牽引變電所基礎位于尚未沉實的土層上時，應將基礎坑底挖至原土表面0.5 m以下，然后夯實并砌筑墊層至基礎底面設計高程處?！钡囊幎ㄟM行施工。鋪設電纜時地基未進行夯實處理，施工完畢僅地面表層進行灰土搗固并鋪設碎石子，雨季下雨積水導致地基連同電纜下沉，電纜下沉中將電纜芯線拉出并破壞其絕緣層，使差動保護二次回路發生多點接地現象。

如圖1所示，正常情況下，按照《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB10009-2005）中第4.8.9條規定，在差動保護二次回路中，110 kV和27.5 kV流互二次接線須在控制室保護測控盤端子排上進行單點接地?，F場B431線在高壓區發生F點非正常接地且N431在控制室保護測控盤D點保護接地。在牽引變電所內由于瞬變電流、泄漏電流和地回流的影響，地電位不一定為0 V，因此地網中的各點往往存在電位差。由于2處接地點會產生不同的接地電位，加之地線形成環路，使芯線中產生干擾電流流過差動保護裝置C相線圈，當電流達到0.37 A且持續延時達到5 s后發出“采樣異?！备婢盘?，當電流達到0.44 A時，差動保護裝置無延時動作出口，啟動相應開關跳閘并發出故障信號。據不完全統計，目前已開通的石太客運專線和京九線牽引變電所由于基礎沉降導致電纜芯線絕緣降低或接地，造成主變斷路器跳閘故障有4次，累計停電延時28 min，嚴重影響了鐵路正常的運輸秩序。

圖1 差動保護裝置接線示意圖

（2）設計選型未結合實際情況，使保護測控 裝置抗干擾能力減弱。根據京九線施工設計，牽引變電所綜合自動化裝置二次額定電流為1 A，相應一次設備流互二次額定電流為1 A。肅寧變電所主變選型為S-QY-25 000+20 000/110 V/v接線，容量為（25+20）MV·A；110 kV 流互設計選型為LRGBJ-110，變比為400∶1，保護線圈準確度等級：10P；變壓器低壓側 27.5 kV斷路器選型為ZN12-27.5B，小車流互型號LZZB-27.5B，變比為1 200∶1，保護線圈準確度等級為10P。

保護裝置定值如表3所示，由于京九線肅寧變電所 110 kV和 27.5 kV流互二次額定電流均為1 A，即高壓側流互變比為400∶1，低壓側流互變比為1 200∶1。經過整定計算，保護裝置定值普遍較小，如肅寧所比率差動保護整定值僅為0.28，0.23和0.44 A。整定值的減小，導致保護裝置抗干擾、抗保護誤動的能力減弱，增加了保護裝置對電磁干擾的敏感度。因此有前述 B相流互二次電纜芯線絕緣破壞時差動保護裝置C相線圈流過0.44 A的非正常電流，致使差動保護裝置誤動作。

表3 肅寧變電所和衡水變電所保護整定值對比表

3 綜合自動化裝置二次額定電流的選擇

3.1 對保護定值影響的對比分析

表3是肅寧變電所和衡水變電所相應保護整定值的對比關系表，其中后者保護裝置和一次設備流互二次額定電流均為5 A，可以看出在變壓器容量相同的情況下，前者保護整定電流要遠小于后者。由于額定電流 1 A的保護裝置保護整定值偏小，在電纜芯線出現多點接地，而裝置抗干擾能力又弱時，易發生保護裝置誤動現象。

3.2 對運行安全的影響

（1）增加了流互二次開路電壓。電流互感器的磁勢平衡方程式：

綜合自動化保護裝置二次額定電流選擇 1 A后，相關的流互二次額定電流也選擇為1 A。流互在一次繞組通有電流的情況下，如二次繞組開路，則由于二次反磁勢不存在，一次磁勢將全部變成勵磁磁勢，鐵心急劇飽和，磁通波形畸變為矩形波。由于二次繞組感應電動勢與磁通變化率dΦ/dt成正比，因此在一個周波內磁通過零瞬間即由正到負或由負到正時，二次繞組將感應產生很高的尖頂波電勢，對于大變比（如饋線流互變比為1 200∶1）的流互其數值可達數千伏以上，因此從降低流互二次開路電壓的角度考慮，設備的二次額定電流選擇5 A更有利于運行安全。

（2）增大了保護裝置誤動的幾率。例如前述肅寧變電所差動保護裝置誤動現象，若二次額定電流為5 A，保護定值整定為3.8 A，則0.44 A的非正常電流不會引起差動保護裝置誤動。因此從預防保護裝置誤動的角度考慮，額定電流5 A的裝置更適應牽引變電所。

3.3 對計量儀表的影響

在牽引變電所中，綜合自動化裝置二次額定電流選擇1 A后，流互變比增大，由于各種外部電磁干擾的存在，使得保護測控裝置中電流變換器的輸入/輸出端電量實際并不為 0，另外加上 A/D集成元器件的零漂影響，使得保護測控裝置在備用狀態時仍檢測到電流的存在。圖 2為霸州變電所 23B饋線保護測控裝置在備用狀態下檢測到4.8 A（流互變比1 200∶1，二次電流0.004 A）的電流波形曲線。

圖2 備用狀態下流互4.8 A電流波形圖

3.4 對測試儀器的影響

綜合自動化裝置二次額定電流選用1 A后，對保護測試儀的精度要求更加嚴格。額定電流為5 A的保護測控裝置測量電流要求誤差為±0.2%，電流測量范圍為0.1IN～2IN，當二次電流為0.5 A時，誤差應小于等于0.001 A；額定電流為1 A的保護測控裝置測量電流誤差和測量范圍同前者，當二次電流為0.1 A時，誤差應小于等于0.000 2 A（即0.2 mA）；可見后者對保護測試儀的精度要求更高。因此靠指針式儀表指示的傳統儀表測試儀就無法滿足測量要求，必須采用精度達0.1 mA的數字式測試儀才能滿足測試精度要求。

4 整改措施及建議

4.1 設備基礎

（1）對京九線所有設備基礎下降的變電所亭進行基礎夯實整治。具體做法：將有沉降的電纜及電纜護管挖開并移開原來位置，然后將電纜位置的基礎用三七灰土逐層墊起并進行夯實，再將電纜經電纜護管埋設到原來位置，其中埋設于土層中的電纜護管與設備混凝土支柱側的電纜護管焊接牢固，并在支柱上用抱箍固定，防止發生類似故障。

（2）當變電所基礎地面位于尚未沉實的土層上時，明確當電纜采用直埋或電纜護管埋設在土層中時，應采取措施防止電纜和電纜護管發生沉降。

4.2 施工設計

在使用電磁式互感器的牽引變電所中設計綜合自動化系統時，應謹慎選擇二次額定電流1 A的保護測控裝置和一次高壓設備，優先選用二次額定電流為5 A的設備，提高保護測控裝置抗干擾的能力，避免保護測控裝置發生誤動現象。

條件允許時應考慮采用先進的數字化變電站設備，例如：電子式互感器。電子式互感器目前已經有成熟可靠的運行產品，它由串行感應分壓器、電磁感應原理的Rogowski線圈、分流器、采集器、光柱、合并器等組成，其中采集器將模擬信號就地轉換成數字信號。互感器的采集器與保護測控裝置合并器間的數字信號傳輸及激光電源的能量傳輸全部通過光纖來進行。它有利于新型保護原理的實現及提高保護性能，有望解決牽引變電所差動保護諧波制動效果差、差動保護誤動的問題。

5 結束語

隨著中國鐵路大規模的建設高潮，尤其的高速客運專線的快速建設，結合中國實際情況，做出更加適合中國國情的、合理的設計方案，加強工程質量的竣工驗收，確保電氣化鐵路的安全運行成為鐵路設計、建設和運營者必須重視的課題。

[1]路文梅.變電站綜合自動化技術[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]楊繼深.電磁兼容技術之產品研發與認證[M].北京：電子工業出版社，2004.

[3]凌子恕.高壓互感器技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.