高鐵GIS開關(guān)柜故障時供電運(yùn)營探討

張 寧

高鐵GIS開關(guān)柜故障時供電運(yùn)營探討

張 寧

介紹了一次典型的高速鐵路牽引供電設(shè)備 GIS開關(guān)柜發(fā)生故障后的應(yīng)急處置案例，通過對越區(qū)供電方式及主變壓器低壓過流保護(hù)動作引發(fā)的保護(hù)定值調(diào)整進(jìn)行分析，從完善GIS開關(guān)柜預(yù)警功能、增設(shè)母線隔離柜、調(diào)整邏輯關(guān)系與保護(hù)定值、增設(shè)F線隔離開關(guān)等方面，對高鐵供電設(shè)備運(yùn)營提出了建議。

高速鐵路；供電；開關(guān)柜；設(shè)備故障

0 引言

我國高速鐵路建設(shè)與運(yùn)營發(fā)展迅速，至 2014年底高鐵運(yùn)營里程已達(dá)到1.6萬公里，運(yùn)營安全面臨著極大的挑戰(zhàn)，供電設(shè)備安全對于高速鐵路運(yùn)輸保障重要性凸顯。GIS開關(guān)柜（氣體絕緣金屬封閉式組合電器開關(guān)設(shè)備）是一種新型的鐵路供電設(shè)備，集成了斷路器隔離開關(guān)流互壓互母線等元器件，雖然節(jié)約了占地，減少了維護(hù)，但復(fù)雜性也大大增加，一旦發(fā)生故障，很難及時檢修、更換。近年來僅由于穿墻套管開裂造成的開關(guān)柜損壞就在京滬高鐵發(fā)生過5起，哈大高鐵發(fā)生過2起，鄭西客專發(fā)生過1起。通過研究案例，對于高速鐵路供電設(shè)備故障情況下的供電專業(yè)運(yùn)營分析，能夠起到借鑒作用。

1 問題的提出

2015年1月27日，京滬高鐵周立營變電所發(fā)生一起GIS開關(guān)柜故障，212斷路器GIS開關(guān)柜發(fā)生絕緣擊穿，201斷路器跳閘。故障發(fā)生后，由于現(xiàn)場判斷該變電所211、212斷路器無法恢復(fù)使用，決定采用越區(qū)方式恢復(fù)供電?？紤]到供電能力、電能質(zhì)量及行車運(yùn)輸壓力，采取了本所越區(qū)供電的方案，周立營變電所213、214饋線通過閉合所外接觸網(wǎng)分相隔離開關(guān)向211、212饋線送電。在當(dāng)日越區(qū)供電運(yùn)行中，周立營變電所主變壓器又發(fā)生了后備保護(hù)誤動作，是一起典型的高鐵供電設(shè)備故障案例。周立營變電所一次設(shè)備接線見圖1。

圖1 周立營變電所一次設(shè)備接線簡圖

2 原因分析

2.1 采用本所越區(qū)方式恢復(fù)供電的原因

當(dāng)日在越區(qū)狀態(tài)下，1#進(jìn)線經(jīng)過101斷路器、3#變壓器、203斷路器供給變電所低壓側(cè)母線T2、F2，再通過213、214斷路器給上海方向上下行供電，而北京方向則是通過遠(yuǎn)動閉合所外接觸網(wǎng)上隔離開關(guān)w10、w30、w20、w40實現(xiàn)越區(qū)供電（圖2）。

采用本所越區(qū)供電方式的優(yōu)點：兩側(cè)供電臂都在近變電所端，能夠提供更好的電能質(zhì)量，避免在越區(qū)末端產(chǎn)生過大的電壓降對動車組運(yùn)行產(chǎn)生干擾。而且在越區(qū)末端分區(qū)所能夠?qū)崿F(xiàn)上下行并環(huán)運(yùn)行，有效改善電能質(zhì)量。本所越區(qū)供電方式的缺點：一旦發(fā)生接觸網(wǎng)線路上的故障，饋線保護(hù)裝置無法判斷故障的方向性，不利于搶修指揮?？紤]到京滬高鐵的運(yùn)輸行車壓力，密集時段列車追蹤間隔時間已經(jīng)達(dá)到了5 min，如果采取常規(guī)的鄰所越區(qū)方式恢復(fù)供電，需要對越區(qū)和被越區(qū)的相鄰供電臂50 km 范圍登記行車限制，由于京滬高鐵實行300 km/h的運(yùn)行速度，就要求將列車追蹤間隔時間擴(kuò)大到10 min以上，這樣，勢必會對運(yùn)輸秩序產(chǎn)生極大的干擾，造成動車組大面積晚點。

圖2 周立營變電所外接觸網(wǎng)開關(guān)示意圖

2.2 越區(qū)供電期間主變后備保護(hù)動作原因

查閱周立營變電所變壓器后備保護(hù)定值，得到該所變壓器低壓過流保護(hù)原理圖3。

圖3 周立營變電所變壓器低壓過流保護(hù)原理圖

經(jīng)查閱當(dāng)日調(diào)度監(jiān)控，發(fā)生變壓器低壓過流保護(hù)跳閘時，周立營變電所供電范圍區(qū)段有4列動車組，總功率達(dá)到73 600 kW，變壓器高壓側(cè)電流超過整定值340 A。

經(jīng)分析得出跳閘原因：主變壓器低電壓過電流保護(hù)的啟動條件是低壓側(cè)α相（T1、F1）或β相（T2、F2）母線電壓降低超過整定值，且主變壓器高壓側(cè)負(fù)荷電流增大超過整定值。但是，本次越區(qū)供電后，由于 211、212饋線所在的α相母線停電無壓，而3YH、4YH仍接在α相母線上，檢測電壓值為0，低電壓條件便已經(jīng)滿足，當(dāng)4個供電臂上動車組實際負(fù)荷電流總和超過主變壓器的整定值，便啟動低電壓過電流后備保護(hù)，造成101、203斷路器跳閘。

3 運(yùn)營優(yōu)化建議

3.1 完善GIS開關(guān)柜故障前的預(yù)警功能

周立營變電所投入運(yùn)營的該類 GIS開關(guān)柜氣室內(nèi)采用 SF6作為絕緣氣體，其額定充氣氣壓為130 kPa，正常運(yùn)行時氣壓在128～150 kPa范圍內(nèi)浮動，出廠設(shè)定為當(dāng)氣壓低于120 kPa時觸發(fā)絕緣報警。雖然故障時內(nèi)部SF6氣體泄漏、壓力下降，保護(hù)設(shè)備能夠記錄氣體壓力異常信息，但往往是與事故同步產(chǎn)生信號，運(yùn)營中很難起到提前預(yù)警功能。針對這種新型設(shè)備如果能夠?qū)怏w壓力進(jìn)行實時監(jiān)測，供維護(hù)人員與正常條件下氣壓值進(jìn)行對比，或在運(yùn)行中設(shè)置多級氣壓監(jiān)測并提供自動分級預(yù)警功能，當(dāng)氣體壓力下降到一定值時便啟動音響報警，提示維護(hù)人員及時采取相關(guān)措施，如補(bǔ)充氣體或開啟保溫設(shè)施，則可以避免故障發(fā)生。

GIS開關(guān)柜產(chǎn)品保護(hù)設(shè)計優(yōu)化方面，可以將氣室壓力傳感器的電弧故障信號結(jié)合過流信號觸發(fā)跳閘，確保在電弧產(chǎn)生初期快速切除故障，降低對柜體的損壞程度。

3.2 GIS開關(guān)柜增設(shè)母線隔離柜或母線氣箱

該次故障采用了越區(qū)供電方式，由1臺變壓器帶4條饋線運(yùn)行，主要原因是由于該類GIS開關(guān)柜將母線穿入其中并密封在柜體之內(nèi)，未單獨(dú)設(shè)置母線隔離柜或母線氣箱，因此212開關(guān)柜故障連帶影響到211開關(guān)柜正常運(yùn)行。在產(chǎn)品設(shè)計時，如能夠考慮多種故障情況下的應(yīng)急方案，能夠隔離或抽出故障氣室，增加母線部分可更換設(shè)計，做到能夠切除故障部分，恢復(fù)母線帶電，則不必采取越區(qū)供電方案，而可以采用上下行環(huán)供方式恢復(fù)供電運(yùn)行，這樣，一方面提高了運(yùn)行變壓器的供電能力，另一方面在線路發(fā)生故障時由于多投入了饋線保護(hù)而能夠?qū)⒐收戏秶拗圃谳^小范圍。

3.3 及時調(diào)整保護(hù)啟動邏輯關(guān)系與保護(hù)定值

當(dāng)供電運(yùn)行方式發(fā)生變化后，應(yīng)當(dāng)對繼電保護(hù)啟動邏輯關(guān)系進(jìn)行校核調(diào)整。當(dāng)日周立營變電所發(fā)生故障，臨時采用1臺變壓器向4條饋線供電后，保護(hù)啟動的邏輯關(guān)系便需要再驗證，復(fù)核監(jiān)測項目與新的運(yùn)行方式是否匹配。該案例中，在變壓器低壓過流跳閘發(fā)生后，現(xiàn)場臨時將3YH、4YH采集值并到β相母線后，由于β相母線電壓為正常運(yùn)行電壓，大于保護(hù)啟動值，起到了對保護(hù)邏輯閉鎖的功能。

當(dāng)采取臨時方案導(dǎo)致實際負(fù)荷發(fā)生變化后，應(yīng)當(dāng)對負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測，對主變壓器保護(hù)整定值及時提出調(diào)整措施，采用更加合理的保護(hù)定值配套方案。周立營變電所單臺變壓器容量為50 MV·A，進(jìn)線電壓為220 kV，得出高壓側(cè)額定電流為227 A，開通運(yùn)行時，設(shè)計院給出的過電流整定值采用主變壓器額定電流的1.5倍（即340 A），允許持續(xù)時間1.3 s。在越區(qū)供電情況下，1臺變壓器代替2臺變壓器向4條供電臂進(jìn)行供電，實際負(fù)荷成倍加大，可以采取臨時增大過電流整定值同時縮小整定時限的方法，保證主變壓器運(yùn)行的可靠性。

3.4 變電所外增設(shè)越區(qū)供電F線隔離開關(guān)

此次故障中，該變電所外接觸網(wǎng)分相處只設(shè)置了連接T線的單極遠(yuǎn)動隔離開關(guān)，通過本所網(wǎng)上越區(qū)只能導(dǎo)通T線，如果設(shè)置成能導(dǎo)通T線和F線的雙極遠(yuǎn)動隔離開關(guān)，則可以實現(xiàn)通過本所外接觸網(wǎng)越區(qū)的AT方式供電，進(jìn)一步改善電能質(zhì)量。

4 事故經(jīng)驗總結(jié)

對于關(guān)鍵設(shè)備的重要零部件應(yīng)當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)性能檢驗，確保設(shè)備可靠性滿足運(yùn)輸要求。同類產(chǎn)品出現(xiàn)同類故障，應(yīng)該從產(chǎn)品的設(shè)計、質(zhì)量上查找原因，因此，建議廠家將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、配件質(zhì)量作為分析重點，進(jìn)一步優(yōu)化質(zhì)量，避免出現(xiàn)同類問題。該類GIS開關(guān)柜產(chǎn)品中，穿墻套管由環(huán)氧樹脂澆注金屬導(dǎo)電棒，緊固件與屏蔽層構(gòu)成，而環(huán)氧樹脂與金屬棒收縮比率不同，套管在溫度快速交替變化下會出現(xiàn)較大內(nèi)應(yīng)力。高速鐵路負(fù)荷變化比較快，在冬季外部低溫情況下，負(fù)荷電流產(chǎn)生的溫升效應(yīng)與外部低溫作用，使套管因內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生微小密封裂隙，放電擊穿致氣體泄漏，開關(guān)柜燒損引發(fā)27.5 kV母線短路，導(dǎo)致上級斷路器201跳閘。經(jīng)查此批設(shè)備在出廠時，已對環(huán)氧樹脂穿墻套管每支做了局放和超聲波 X光檢測，但還應(yīng)當(dāng)提高要求，參照國際IEEE-386標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行100%高低溫循環(huán)試驗，檢驗是否出現(xiàn)耐壓超標(biāo)，將不合格產(chǎn)品剔除在出廠檢驗環(huán)節(jié)，避免隱患設(shè)備上線投入運(yùn)營。

在越區(qū)供電情況下，4個供電臂連接在一起后，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對供電負(fù)荷的監(jiān)測，驗證設(shè)備的供電能力是否能夠滿足運(yùn)輸需求，是否會出現(xiàn)主變壓器過負(fù)荷、接觸網(wǎng)電流過大發(fā)生器件燒損、網(wǎng)壓過低等情況。越區(qū)過程中，通過監(jiān)測，驗證牽引供電系統(tǒng)的供電能力，確定高鐵越區(qū)供電的最佳方案。根據(jù)越區(qū)范圍，及時核對動車組運(yùn)行密度，調(diào)閱運(yùn)行圖和調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，查找可能出現(xiàn)最大負(fù)荷的時間段，加強(qiáng)與行車指揮的溝通，確保對動車組的行車限制要求落實到位，同時，做好負(fù)荷監(jiān)測和記錄，為合理修正主變壓器過電流保護(hù)整定值提供參考。

5 結(jié)語

供電設(shè)備運(yùn)營單位應(yīng)準(zhǔn)備多種預(yù)案，監(jiān)測重點設(shè)備如GIS開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)，做好設(shè)備發(fā)生故障時的應(yīng)對措施，并減少次生故障的發(fā)生。通過該次故障剖析，提出了多角度的完善的優(yōu)化建議，對于高速鐵路運(yùn)營管理有一定的借鑒意義。搶修原則應(yīng)為綜合利用遠(yuǎn)動（SCADA）和綜合視頻系統(tǒng)，結(jié)合運(yùn)輸、天氣情況，準(zhǔn)確判斷故障性質(zhì)，根據(jù)設(shè)備特性，縮小故障供電范圍，壓縮故障停電時間，快速響應(yīng)，高效搶修，以最快的速度恢復(fù)供電，最大程度上減少對運(yùn)輸秩序的影響。

[1] TG/01-2014 中國鐵路總公司《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）》[S].

[2] TG/GD104-2012 鐵道部《高速鐵路供電調(diào)度暫行規(guī)則》[S].

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[4] 李學(xué)偉，郭竹學(xué). 高速鐵路普適安全理論及其實踐研究[J]. 中國鐵路，2014，（8）：6-11.

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The paper introduces an emergency rescue of a typical GIS failure of traction power supply equipment, on the basis of analyzing the adjusting of protection setting value caused by over-zone power supply and low voltage over-current protection operation of main transformer, puts forward the proposals for high speed railway power supply operation in terms of improving pre-alarm function of GIS, adding bus bar bays, adjusting logic relations and protection settings, adding F wire disconnectors.

High speed railway; traction power supply; switchgear; equipment failure

U224.2

：B

：1007-936X(2015)04-0028-03

2015-02-12

張 寧.中國鐵路總公司運(yùn)輸局，工程師，電話：18701558734。