西安地鐵直流系統(tǒng)跳閘事件分析

西安地鐵直流系統(tǒng)跳閘事件分析

張美

(西安地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，陜西 西安 710016)

摘要：通過介紹西安地鐵直流系統(tǒng)的一系列故障并提出處理方法，指出設(shè)計(jì)缺陷，針對(duì)后續(xù)線路的電纜敷設(shè)給出防范措施，為設(shè)備人員后續(xù)檢修及故障處理提供了參考。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng)；跳閘；保護(hù)動(dòng)作；故障處理

收稿日期:2015-05-12

作者簡(jiǎn)介：張美(1986—)，女，陜西西安人，助理工程師，從事供電研究工作。

1現(xiàn)象

8月25日下午，渭河車輛段牽混所控制室內(nèi)信號(hào)盤下側(cè)突然發(fā)出“噗噗”聲，并伴有冒煙和火花，隨即整流機(jī)組35 kV饋線開關(guān)106、107，直流進(jìn)線開關(guān)201、202及直流饋線斷路器同時(shí)跳閘。同時(shí)，值班員迅速斷開交流屏兩路進(jìn)線開關(guān)。跳閘時(shí)，在試車線上網(wǎng)隔離開關(guān)附近的人員觀察到，上網(wǎng)隔離開關(guān)(2111隔開)操作箱中有煙和火花冒出，此時(shí)試車線上有客車正在調(diào)試。

2故障詳情

(1) 控制信號(hào)盤后方下側(cè)燒灼情況較為嚴(yán)重，控制信號(hào)盤到2111隔開(試車線上網(wǎng)隔開)的控制電纜在電纜進(jìn)入控制柜處燒斷，灼燒情況如圖1所示。

圖1　控制信號(hào)盤下部二次電纜燒灼情況

(2) 試車線上網(wǎng)隔離開關(guān)2111操作箱下方及箱內(nèi)的控制電纜均有嚴(yán)重的燒灼現(xiàn)象，個(gè)別線芯已經(jīng)斷裂。

(3) 35 kV饋線開關(guān)106、107，直流進(jìn)線柜201、202及直流饋線柜均已跳閘。

3保護(hù)動(dòng)作情況

(1) 負(fù)極柜FP框架泄漏電流元件動(dòng)作：負(fù)極柜內(nèi)電流型框架保護(hù)繼電器動(dòng)作，會(huì)造成全所直流牽引系統(tǒng)跳閘并閉鎖，其動(dòng)作值為80 A，并需要對(duì)電流繼電器本體進(jìn)行復(fù)歸。

(2) 整流器柜面板顯示屏顯示整流器橋臂逆流保護(hù)動(dòng)作，后臺(tái)顯示106、107直流柜逆流保護(hù)跳閘：導(dǎo)致35 kV斷路器106、107跳閘。

(3) 整流變溫控器故障報(bào)警。

(4) 211 DDL-Delta-Ⅰ動(dòng)作：通過對(duì)直流饋線柜211斷路器DDL-Delta-Ⅰ故障信息的提取，故障時(shí)最大峰值電流為5 527 A，時(shí)間23 ms。在直流饋線柜211斷路器滅弧柵內(nèi)可見明顯的滅弧痕跡。

(5) 整流器溫控器超溫報(bào)警，超溫跳閘：整流器溫控器報(bào)告100 ℃超溫報(bào)警及130 ℃超溫跳閘信號(hào)，導(dǎo)致106、107斷路器無(wú)法成功合閘。

4原因分析及故障處理

4.1211 DDL-Delta-Ⅰ動(dòng)作

4.1.1　故障原因

首先對(duì)直流饋線柜211的DDL-Delta-Ⅰ故障信息進(jìn)行分析，懷疑為直流電纜故障，故針對(duì)211開關(guān)的饋線電纜進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量，發(fā)現(xiàn)直流饋線柜211開關(guān)三根饋線電纜中的一根絕緣電阻搖不上去，可能存在短路情況。通過對(duì)電纜故障的測(cè)試和定位發(fā)現(xiàn)，電纜短路點(diǎn)位于試車線上網(wǎng)2111隔離開關(guān)所在支柱的下方，如圖2所示。

圖2　電纜故障位置

隨后對(duì)電纜故障點(diǎn)進(jìn)行了挖掘。檢查發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)1 500 V電纜與控制電纜相搭接，1 500 V電纜擊穿，控制電纜已被燒斷。進(jìn)一步檢查分析發(fā)現(xiàn)1 500 V直流電纜由于受到銳器劃傷絕緣強(qiáng)度降低，從而造成電纜的對(duì)地短路及對(duì)相接觸控制電纜的短路。在短路點(diǎn)處一次故障電流通過控制電纜一方面流向控制信號(hào)盤，一方面流到2111隔開操作箱，并通過設(shè)備殼體接地線流入大地回流，因此造成控制信號(hào)盤和隔開操作箱處控制電纜燒灼。經(jīng)分析確定此為造成211 DDL-Delta-Ⅰ動(dòng)作的原因。

4.1.2　故障處理

更換了故障控制電纜；對(duì)1 500 V直流饋線電纜故障處進(jìn)行了切割，做電纜中間接頭，并進(jìn)行了絕緣和耐壓試驗(yàn)，然后將高壓電纜和控制電纜分開布置，用軟土覆蓋。

4.2整流器柜面板顯示屏顯示整流器橋臂逆流保護(hù)動(dòng)作，后臺(tái)顯示106、107直流柜逆流保護(hù)跳閘

4.2.1　故障原因

檢查發(fā)現(xiàn)2號(hào)整流器逆流保護(hù)單元和通訊模塊故障，分析后確定為直流一次電流沿2111隔開控制電纜金屬鎧裝進(jìn)入變電所接地系統(tǒng)，大電流通過PLC接地端引入元器件，從而造成2號(hào)整流器逆流保護(hù)單元及通訊模塊損壞，整流器誤發(fā)出逆流保護(hù)信號(hào)，聯(lián)跳35 kV GIS的106、107斷路器。

4.2.2　故障處理

更換了2號(hào)整流器逆流保護(hù)單元和通訊模塊，故障復(fù)歸后設(shè)備保護(hù)模塊顯示正常，保護(hù)裝置與SCADA系統(tǒng)的通訊顯示正常。

4.3整流變溫控器故障報(bào)警

現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)整流變溫控器無(wú)異常現(xiàn)象。經(jīng)分析認(rèn)為，故障發(fā)生后，值班人員為防止事故擴(kuò)大采取切斷了交流屏進(jìn)線電源220 V交流電，導(dǎo)致溫控器失電而發(fā)生報(bào)警。恢復(fù)220 V交流電源后故障消失。

4.4整流器溫控器超溫報(bào)警，超溫跳閘

4.4.1　故障原因

試送電過程中整流器發(fā)生直流牽引系統(tǒng)高溫跳閘，通過實(shí)時(shí)溫度測(cè)量，溫度正常，確認(rèn)屬于誤報(bào)。為檢驗(yàn)整流變壓器及整流器工作情況，在拆除整流器溫控器二次信號(hào)輸出線的情況下，整流機(jī)組空載運(yùn)行了24 h。該故障經(jīng)分析認(rèn)為有3種可能原因：一是溫控器在本次故障中受過流影響損壞，二是溫度傳感器探頭損壞，三是合閘過程中的交流電磁干擾導(dǎo)致溫控器內(nèi)繼電器誤動(dòng)作。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，在溫度傳感器探頭上直接加熱時(shí)溫控器正常發(fā)送報(bào)警和跳閘信號(hào)，同時(shí)溫控器在整流器無(wú)35 kV輸入時(shí)報(bào)設(shè)備運(yùn)行正常，因此受到干擾的因素應(yīng)為主因。

4.4.2　故障處理

首先更換了溫控器控制單元，試送電中106、107合閘瞬間即刻又分?jǐn)啵唤又鴻z查溫度傳感器探頭，發(fā)現(xiàn)2號(hào)整流器溫度傳感器探頭外陶瓷損壞，正常情況下PT100溫度傳感器探頭電阻應(yīng)為110 Ω，而其電阻為130 Ω，根據(jù)溫升電阻特性其已經(jīng)具備輸出超溫跳閘信號(hào)的條件，對(duì)其更換后試送電再次跳閘；最后通過修改PLC內(nèi)部程序增加軟件抗干擾單元，即使PLC超溫跳閘信號(hào)輸出躲過送電時(shí)溫控器繼電器誤動(dòng)作信號(hào)。

4.5負(fù)極柜FP框架泄漏電流元件動(dòng)作

現(xiàn)場(chǎng)情況：短路點(diǎn)處距鋼軌4 m左右，距設(shè)備接地扁鋼也僅有6 m左右，同時(shí)由于受大雨影響土壤環(huán)境潮濕，導(dǎo)電性較好，檢查中還發(fā)現(xiàn)直流開關(guān)柜框架的對(duì)地絕緣電阻較低，只有0.2 MΩ，排查后發(fā)現(xiàn)端子柜下方有接地現(xiàn)象。結(jié)合短路電流回流路徑(圖3)進(jìn)行分析，認(rèn)為回流路徑主要有A、B、C 3條，A是1 500 V直流電纜直接通過大地回流附近鋼軌；B是短路電流流入控制電纜，一部分電流通過隔離開關(guān)外殼流入接地系統(tǒng)，另一部分則通過變電所控制信號(hào)盤控制電纜鎧裝層接地端流入接地系統(tǒng)，最后通過接地系統(tǒng)回流鋼軌；C是故障電流直接流入附近的接地扁鋼，由于直流開關(guān)柜框架通過一電流元件與接地系統(tǒng)相接且框架絕緣不好，則故障電流通過接地系統(tǒng)流入框架，再通過框架絕緣較低處流回鋼軌。進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可知，A、B兩條路徑的回流電阻相似，可視為相同的R，由于大地潮濕回流性能較好，則R即可視為鋼軌對(duì)地絕緣電阻加上大地電阻，距離較近時(shí)可忽略；雜散電流防護(hù)要求新線鋼軌對(duì)地絕緣電阻不得低于15 Ω·km，假設(shè)回流電流在鋼軌2 m范圍內(nèi)(回流范圍增大則鋼軌回流電阻減小，但大地回流電阻增加)，那么鋼軌對(duì)地電阻為15/0.002=7 500 Ω。可以得到C路徑的回流電流為(200 000+7 500)I=(5 427-I)×7 500/2，最終得到回流電流即流經(jīng)框架電流元件的電流為96 A，可導(dǎo)致電流型框架保護(hù)動(dòng)作。

圖3　短路電流回流路徑示意圖

5總結(jié)及建議

(1) 由于采用無(wú)金屬鎧裝的直流高壓電纜，絕緣層耐受外力的強(qiáng)度較差，且電纜隱性故障不易暴露，因此建議選用帶金屬鎧裝的直流高壓電纜，以提高電纜抗外力的強(qiáng)度和電纜絕緣測(cè)量的準(zhǔn)確性。

(2) 可在上網(wǎng)隔開下方電纜預(yù)留處設(shè)置電纜井放置電纜，并將高壓電纜和控制電纜分開敷設(shè)。

(3) 對(duì)于設(shè)備的各保護(hù)模塊，盡量選用抗外部干擾較強(qiáng)的控制保護(hù)裝置，并增加軟件抗干擾單元，今后如有必要可更換抗干擾能力更強(qiáng)的整流器溫控器。

(4) 由于直流系統(tǒng)框架對(duì)地絕緣較差引起的設(shè)備故障較多，且不易排查，因此建議對(duì)直流系統(tǒng)框架底座進(jìn)行徹底清理，清除絕緣螺栓孔中的金屬碎屑，以防止直流系統(tǒng)框架多點(diǎn)接地。

(5) 加強(qiáng)全線直流開關(guān)柜框架絕緣的安裝、試驗(yàn)及檢查，保證框架絕緣滿足1 000 V/1 MΩ的標(biāo)準(zhǔn)。

6結(jié)語(yǔ)

本次故障中電纜短路同時(shí)導(dǎo)致整流器內(nèi)部元件燒毀、溫控器誤動(dòng)作等狀況，表明設(shè)備在設(shè)計(jì)中還存在很多不足與缺陷，因此對(duì)運(yùn)行中設(shè)備狀況的檢查必須抓住問題不放過，深入分析，協(xié)同廠家與施工單位落實(shí)整改，確保設(shè)備隱患及早解決。同時(shí)在設(shè)備招標(biāo)階段及時(shí)介入，提出需求，防止類似問題再次發(fā)生。我們要通過高強(qiáng)度的故障演練使變電員工熟悉設(shè)備故障狀態(tài)、操作方法及處理方案；并在演練的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)比武的手段提高技術(shù)人員對(duì)突發(fā)故障的應(yīng)變和快速分析出故障原因的能力，建立起一支素質(zhì)過硬的技術(shù)隊(duì)伍，保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

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