牽引變電所回流對鄰近配電室饋出線保護的影響及預防

李彥吉

（北京鐵路局 石家莊供電段，河北石家莊050000）

牽引變電所回流對鄰近配電室饋出線保護的影響及預防

李彥吉

（北京鐵路局 石家莊供電段，河北石家莊050000）

通過對京廣高速鐵路牽引變電所內高壓設備發生接地故障或接觸網跳閘時、引起相鄰或線路上配電室饋出線（綜合貫通、一級貫通）零序過電流保護誤動跳閘問題的分析，提出了設計階段應該統籌考慮保護的配合、運營階段應實測配電室可能出現最大零序電流對整定值進行修訂以提高單相接地故障時零序過電流保護的靈敏度，簡述了現場應用效果。

短路電流；配電室；零序過電流保護；誤動作

高速鐵路牽引供電系統變電所采用了220 k V或者更高電壓等級的外電源系統、隨著系統短路容量的加大，巨大的牽引短路電流通過各專業共同使用的綜合接地系統，靜電和電磁感應對周圍10 k V配電和信號系統產生了一定的影響。

1 現狀調查

京廣高速鐵路試運營、開通后的一年內，因為牽引供電系統的跳閘，先后多次、多地影響了10 k V配電系統的供電。

1.1 牽引變電所進線系統接地故障引起配電室零序過電流保護誤動

2012年10月9日邯鄲東變電所220 k V側電流互感器B相燒毀爆炸，主變壓器差動保護動作跳閘，同一時間邯鄲東配電室262開關零序過電流保護動作跳閘，造成邯安區間（邯鄲—安陽）一級貫通線路停電，故障報告如表1。

表1 邯鄲東配電室262跳閘故障報告

1.2 牽引變電所饋線系統接地故障引起配電室零序過電流保護誤動

2012年8月7日邯鄲東變電所由于T線高壓電纜故障造成214開關跳閘，T線故障電流12 361 A，同一時間邯鄲東配電室272開關零序過電流保護動作跳閘，造成邯安區間綜合貫通線路停電，故障報告如表2。

表2 邯鄲東配電室272跳閘故障報告

1.3 接觸網跳閘重合失敗引起配電室零序過電流保護誤動

2012年10月11日進行京廣高速鐵路高邑西—邢臺東區間接觸網短路試驗，故障區段位于AT所至分區所段、永久性接地，高邑西變電所214斷路器跳閘時高邑西配電室運行正常，在重合閘失敗的瞬間高邑西配電室262開關零序過電流保護動作跳閘，造成高邢區間（高邑—邢臺）一級貫通線路停電，故障報告如表3。

表3 高邑西配電室262跳閘故障報告

1.4 直供方式下接觸網跳閘引起配電室零序過電流保護誤動

2012年10月11日進行京廣高速鐵路高邑西—邢臺東區間接觸網短路試驗，故障區段位于AT所至分區所段（接近供電臂末端），將線路上的AT全部退出運行，也就是直供方式下的永久性接地，高邑西變電所213斷路器跳閘瞬間高邑西配電室262開關零序過電流保護動作跳閘，造成高邢區間一級貫通線路停電，故障報告如表4。

表4 高邑西配電室262跳閘故障報告

2 原因分析

從以上2個配電室4次跳閘情況來看，一級（綜合）貫通零序過電流保護的誤動與牽引供電系統的接地跳閘有著直接的關系，上述條款1.1，1.2，1.4為變電所跳閘的同時，1.3為接觸網重合閘失敗的同時。

2.1 近端短路引起地網電位升高

邯鄲東變電所與邯鄲東配電室為合建所，二者共用同一棟樓房、1樓為牽引變電所控制室、高壓室以及配電室貫通母段的小電阻接地裝置（600 A/10Ω），3樓為配電室的控制室與高壓室，室外為牽引變電所的220 k V進線和主變壓器設備區，所有高壓設備共用同一接地網、實測接地電阻0.22Ω。

從表1中母線側、線路側電壓Uab、Uca和表2中Uca的變化可以看出：在有短路電流流經地網時，接地網電位升高以致貫通調壓器中性點發生了漂移，三相電壓不平衡，產生零序電流，引起零序過電流保護動作，斷路器跳閘。

2.2 牽引回流增加引起地網電位升高

京廣高鐵變電所正常運行時，采用AT供電方式，因為F線的存在、長回路內由于T線、F線電流相等、方向相反且為負載電流的一半，對外界產生的影響互相抵消。在變電所出口端不設自耦變壓器的AT供電方式下，只要在AT所間或AT所與分區所之間不論發生T或F線接地故障，對于長回路來說，對外界的干擾值為零。但是在以下兩種情況下，牽引供電系統對外界的影響是不能忽略的。

（1）變電所近端負荷

由于變電所出口處省略了AT，在近端（變電所的第一個AT所間）出現負載時，有相當一部分電流通過鋼軌、PW線和大地流回變電所，通過在邯鄲東變電所的實地測量，地中電流占到總回流的67%左右，比如觀測到總回流742 A、此時地中電流達到499 A，較大的地回流也有可能引起地網電位的升高。文獻［1］研究表明電力機車向變電所行進時，地網電位會沖擊性地抬升，因其形成的地回流值相對較小、對鄰近10 k V系統影響有限，在地網接地電阻合格的情況下、尚未見到由此引起的非正常跳閘。

（2）線路上AT解列時

京廣高速鐵路采用了全并聯的AT供電方式，正常情況下接觸網上下行并聯供電，遇有故障時變電所饋線上下行開關同時動作跳閘、線路上AT所、分區所失壓保護動作跳閘、AT退出運行，2s后變電所重合閘、若為瞬時性故障變電所重合成功，AT所、分區所檢有壓合閘投入AT、恢復全并聯的AT供電方式；若為永久性故障變電所饋線重合失敗，后加速動作瞬時跳閘，AT所、分區所將因線路無壓不動作合閘。也就是說，在變電所跳閘后重合閘時、實際上是直接供電方式，若變電所重合失敗時，接觸網的短路電流將全部通過鋼軌、PW線和大地流回變電所，較大的短路電流可能引起變電所地網電位的升高。

另外，在變更為直接供電方式時，因沒有回流線，正常的負荷電流全部通過鋼軌、PW線和大地流回變電所，據觀測一列動車的負荷電流能達到1 100 A，如此大的負荷電流也能夠引起地網電位的升高。

以上兩種方式下牽引回流對10 k V饋線的影響需要運行中觀察、確認。

2.3 感應電流

表2、表3中，零序過電流保護動作時，母線、線路的電壓并沒有發生變化，說明不是由于中性點漂移產生的零序電流。

單相工頻牽引網對周圍其他線路的影響包括靜電感應和電磁感應兩個方面，文獻［2］對以上兩種影響有詳細的闡述。接觸網正常供電、短路接地、重合閘、AT解列等狀態以及幾種狀態轉換過程中將產生不容忽視的感應電流。由于貫通線路與接觸網并行距離長（能到達40～60 km），從實測數據來看、感應電流的影響要遠高于地網電位升高產生的零序電流的影響。

3 解決方案

針對上述存在的問題，筆者以為在設計、運營階段應該采取不同的應對措施。

3.1 設計階段綜合考慮各專業的影響

（1）設置零序過電流保護的動作延時

京廣高速鐵路配電室一級（綜合）貫通零序電流是通過在套饋出線電纜上的零序電流互感器獲得，由其啟動的零序過電流保護動作延時為零，即保護不帶時限。考慮到零序過電流保護誤動只是發生在牽引變電所故障重合閘失敗或所內接地的情況下，如果重合閘動作不成功，變電所饋線保護后加速啟動，斷路器瞬間跳閘。因此，可設置零序過電流保護的動作延時以躲過重合閘的動作時間，理論上躲過斷路器的固有分閘動作時間即可。牽引變電所內斷路器采用ABB公司生產的ZX1.5－R型高壓柜，現場測試斷路器的固有分閘時間為32 ms左右；在變電所饋線接地（如高壓電纜）饋線保護距離I段動作時間為100 ms、差動保護亦為瞬時動作。

為避免上述故障時引起的零序過電流誤動作、設計階段可考慮增加動作延時的方案，比如按最大動作時間100 ms、加上斷路器固有動作時間32 ms和測控裝置判斷時間，考慮到貫通線路單相接地時保護動作的快速性，該時間不能無限制延長，宜保持在200～500 ms。

10 k V配電室貫通母段經調壓隔離變壓器引出，與電源母段是相對獨立的系統，且兩個母段的運行方式不同，電源母段采用小電流接地系統，零序過電流保護只動作于報警，而貫通母段采用大電流接地系統，零序過電流保護動作于跳閘，因此增加保護的動作延時，也不會影響電源母段安全運行。

（2）適當提高零序過電流保護定值

配電室一級（綜合）貫通零序過電流保護的整定值為0.1 A，零序電流互感器變比為50/1，折算到一次側為0.1×50＝5 A，即零序過電流保護動作的一次整定值為5 A。

（3）零序過電流保護整定計算［3］

為了提高線路發生過渡電阻接地故障時保護動作的靈敏性，又保證保護在線路正常運行時不發生誤動，應根據實際情況計算出每條饋線的電容電流，零序過流保護的整定值只需躲過其他線路發生金屬性接地時，本線路所供出的電容電流就完全可以了。

據現場調查了解京廣高速貫通線路采用型號為YLV22－8.7/10 k V的單芯全電纜線路，電纜截面為70 mm2，供電臂長度l約為60 km，電纜電容（導體與外皮之間）為C1＝0.22μF/km，通過以上參數計算非故障線路的電容電流（不考慮相間電容）為：

Krel為可靠系數，取1.5，這樣零序過電流保護整定值應為

折算到二次值為：36.75/50＝0.735 A

雖然考慮到線路電抗器補償的情況下，零序保護的整定值可以適當減小，增加零序保護的靈敏度，但相對于現定值0.1 A（二次值）仍有較大的提高余量。

3.2 運營中實測零序電流

運營階段在變電所出線端短路接地時能夠檢測到由于地網電位的升高、中性點漂移產生的零序電流；在接觸網跳閘重合失敗時，同樣能夠檢測到AT解列、供電方式轉化為直接供電方式時，在貫通線路上由于靜電感應、電磁感應產生的零序電流，運行中可以通過上述兩種供電方式的實測值來校核零序過電流保護整定計算值，取較小者作為準確的運營定值、以進一步提高零序過電流保護的靈敏性。

4 結束語

2013年1月試驗性地將邢臺東配電室零序過電流整定值修改為0.3 A（折算到一次側為15 A），在2月3日邢臺東變電所213跳閘重合失敗時，配電室零序過電流保護未啟動跳閘，說明通過提高電流整定值來預防零序過電流保護誤動的方案是可行的。

2013年3月經與設計院溝通，石家莊供電段統一將高邑西、邢臺東、邯鄲東配電室一級（綜合）貫通整定值調整為0.3 A/5 s，5個月來先后經歷了高邑西、邢臺東變電所220 k V電流互感器爆炸、多次惡劣天氣接觸網跳閘重合失敗等故障的考驗，配電室未再次出現零序過電流保護誤動問題，說明措施是可行而且正確的。期間模擬了電力線路單相接地故障、零序過電流保護均能準確動作，對既有配電室的運行是沒有影響的。

上述零序過電流整定方式是參考地方供電系統和對京廣高速鐵路實地測試而確定的方案、在沒有電抗器補償、非電纜線路、三芯電纜線路其值將有較大的變化，需要根據運營需要進行整定和完善。

參考文獻

［1］ 賈秀芬，等.牽引變電所地返回電流及接地網電位抬升研究［J］.電力系統保護與控制，2012，（10）：121-124，131.

［2］ 譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統第二版［M］.成都：西南交通大學出版社，2007.

［3］ 劉學軍.繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，2004.

Analysis and Prevention of Protective System False Action for Switch Room Feeder Because Traction Substation Return Current

LI Yanji
（Shijiazhuang Power Supply Depot，Beijing Railway Bureau，Shijiazhuang 050000 Hebei，China）

By analyzing the false operation of the feeder zero sequence current protection in switch room when traction substation or contact line bring earth fault in Beijing－Guangzhou high-speed railway，Introduces design phase should calculate protective match and operating phase should measure the zero sequence current，amends setting value for enhance sensitivity of zero sequence current protection in one-phase short-circuit，describes the applied circumstance.

short-circuit current；switch room；zero sequence current protection；false action

U224.2＋6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.29

1008－7842（2014）01－0129－04

4—）男，高級工程師（

2013－08－22）