一起地鐵供電系統停電事故的分析及對策

魏 巍，嚴 偉，沈全榮，牛洪海

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102)

2011年某地鐵線路發生了供電系統大面積停電事故，導致相關地鐵線路停運近2 h。該次事故的特點是供電系統中多個斷路器同時跳閘，導致互為備用的兩路地鐵電源同時切除。這與以往地鐵供電系統的停電事故截然不同[1]。

1保護動作情況

該次事故共發送2次保護動作，一次為110 kV電源的線路保護動作，另一次為35 kV系統部分斷路器零序過流保護的同時跳閘。發生事故的地鐵供電系統如圖1所示。地鐵主變壓器采用Yyn0接線方式，高壓側經間隙接地，低壓側經20 Ω電阻接地。

圖1地鐵供電系統結構

1.1 110 kV線路保護動作情況

110 kV電源1的保護裝置首先跳閘。該線路保護裝置的動作報告如圖2所示。

故障后經過現場確認，以上故障信息與實際故障情況吻合。110 kV線路1發生了A相永久性接地故障，110 kV線路保護動作正確[2]。

圖2 110 kV線路保護故障信息

1.2 35 kV系統保護動作情況

110 kV線路發生接地故障并被切除后，圖1中的301、302、314、324以及 1號車站變電所 101和 102進線斷路器同時跳閘。301和302斷路器作為主變低壓側斷路器，跳閘后直接導致主變電所失電。301、302等保護裝置的動作報告相同，如圖3所示。

圖3 301等斷路器保護故障信息

1.3保護定值配合分析

相關裝置零序過流保護定值如表1所示。現場定值整定中雖然實現了零序保護電流定值的級差配合，但時間定值卻完全相同。這樣整定定值的原因是由于地鐵供電系統采用串行供電方式，且供電級數較多。而供電局強制要求301、302斷路器的最大延時定值不超過1.5 s，為了保證供電環串末端零序過流保護的逐級配合，被迫將上述6個斷路器的延時定值整定為相同的1.5 s。

該次故障中，零序電流達到了0.591 A，大于表1中所有保護裝置的電流定值，因此出現了6個斷路器同時跳閘的情況。

表1零序過流保護整定值

2故障零序電流產生原因分析

301和302斷路器的零序電流波形如圖4所示。301和302斷路器的零序電流大小相同，相位相差180，表現出環流的特點。314與324斷路器、1號車站變電所101與102斷路器的故障零序電流也是大小相同，相位相差180，同樣具有環流的特點[3]。可以初步推測：故障時零序電流從301一端流入，從302一端流出，零序電流回路貫穿了301、302、314、324以及1號車站變電所101和102斷路器。

圖4斷路器301與302的零序電流波形

110 kV電源線距離保護跳閘前后的故障波形如圖5所示。Ua，Ub，Uc分別為主變電所35 kV側Ⅰ母的三相電壓，I0為主變電所301斷路器的零序電流。T1時刻110 kV線路發生了A相接地故障，電壓發生了一次畸變；T2時刻110 kV電源1斷路器三相跳開，切除了A相的接地故障，電壓波形再次發生了畸變。T2時刻后，零序電流開始產生，直至T3時刻達到穩態值。因此，T2時刻110 kV電源1的跳閘才是故障零序電流的直接觸發因素[4]。

由于地鐵35 kV系統為單端電源系統，當110 kV電源1斷路器完全跳開后，Ⅰ母A、B、C三相電壓應全部為0。但實際的錄波數據如圖6所示。T2時刻110 kV電源1跳開后，C相電壓先降低后增加，特別是進入穩定期的T3時刻后C相電壓有效值穩定在38 V左右，A相、B相電壓也沒有降到0，而是穩定在10 V左右。38 V左右的電壓二次值對應的一次值將高達23 kV，因此可以斷定T2時刻后Ⅰ母C相有高壓電源串入[5]。

圖5 110 kV電源1跳閘時的故障波形

圖6 110 kV電源1跳閘時的故障波形有效值

T2時刻110 kV電源1跳開后，地鐵供電系統由電源2供電，結合之前對零序電流回路的分析，可以得出：1號車站變電所的母聯斷路器發生了C相閃絡故障，電源2的C相電壓通過閃絡點串入了Ⅰ母。故障過程為：1號車站變電的母聯斷路器首先出現了絕緣問題，T2時刻110 kV電源1跳開后，1號車站變電所的Ⅰ母C相電壓迅速降低（與圖6中C相電壓有效值曲線相吻合），導致母聯斷路器C相兩側的電勢差ΔE明顯增加，當ΔE大于斷路器殘存的絕緣電壓時斷路器發生閃絡。零序電流產生機制如圖7所示。

由于地鐵主變采用Yyn0接線方式，且低壓側采用20 Ω電阻接地方式，母聯閃絡故障時，經過閃絡故障點、2臺主變的20 Ω接地電阻以及大地就形成了閃絡故障的零序電流回路。故障發生后，作者與地鐵公司電氣檢修人員對1號車站變電所的母聯斷路器進行了現場檢查，檢查結果為：母聯真空斷路器的C相真空包漏氣，絕緣能力降低，且斷路器C相有明顯燒損痕跡。進一步驗證了以上分析。

圖7零序電流產生機制

3改進措施

地鐵供電系統母聯閃絡故障的危害性較大，為進一步提高地鐵供電系統的安全運行能力，提出以下改進措施：（1）實現零序過流保護的時間級差配合。通過以上分析，零序保護延時定值相同大面積同時跳閘主要原因。如果能夠實現上下級斷路器間保護定值的時間級差配合，該次事故是完全可以避免的。但是考慮到地鐵環網供電系統定值整定方面的實際困難，該方法的適用性會受到一定的影響。（2）配置專用地鐵母聯閃絡保護裝置。閃絡保護裝置利用零序電流和斷路器位置信號為閃絡判據[6]。當閃絡故障發生后快速隔離切除故障點，從而完全避免主變電所停運事故的發生。

4結束語

地鐵供電系統的母聯斷路器絕緣降低在系統正常運行時具有一定的隱蔽性，一旦發生單路110 kV電源切除事件，母聯閃絡故障就有可能發生，并導致大面積的停電停運事故。結合對一起地鐵供電系統停電事故，分析了母聯閃絡故障的產生原因和危害。最后提出了有針對性的改進升級措施，供同行技術人員參考。

[1]張建根.廣州地鐵供電系統33 kV環網接線方式的思考[J].城市軌道交通研究，2006，9(7)：1-5.

[2]趙立峰，李延強，姚 剛.線路光纖縱差保護在北京地鐵5號線的應用[J].城市軌道交通研究，2008，11(4）：14-17.

[3]江文東.10 kV小電阻接地系統零序過流定值的探討[J].電力自動化設備，2002，22(10)：79-81.

[4]鮑有理，嚴 芬.幾起主變保護動作原因分析[J].江蘇電機工程，2012，31(4)：9-11.

[5]劉 靜.變電站事故跳閘信號的分析[J].江蘇電機工程，2013，32(4)：17-20.

[6]湯 勇，常 勝，趙志華，等.220 kV主變開關斷口閃絡保護設計探討[J].繼電器，2003，31(9)：45-48.