一起牽引變電所框架保護(hù)跳閘事故的分析

劉建華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

0 引言

城市軌道交通采用電氣化牽引供電，牽引變電所是機(jī)車(chē)電氣化牽引供電的來(lái)源，其供電的安全性、穩(wěn)定性與列車(chē)正常運(yùn)行息息相關(guān)。為提高牽引變電所運(yùn)行人員的人身安全，保障變電所一次設(shè)備正常運(yùn)行，牽引變電所普遍設(shè)置框架保護(hù)[1]。某地鐵牽引變電所在執(zhí)行直流1 500 V系統(tǒng)送電過(guò)程中，直流系統(tǒng)負(fù)極柜框架電流保護(hù)動(dòng)作，造成大范圍的跳閘事故，跳開(kāi)該牽引變電所35 kV整流變壓器進(jìn)線電源開(kāi)關(guān)、直流1 500 V進(jìn)線及饋線斷路器、以及兩相鄰牽引變電所對(duì)應(yīng)供電臂的直流1 500 V饋線斷路器。牽引變電所框架保護(hù)跳閘范圍廣，直接影響相應(yīng)機(jī)車(chē)牽引負(fù)荷供電，造成行車(chē)中斷，嚴(yán)重影響列車(chē)正常運(yùn)行，社會(huì)影響特別大?？蚣鼙Ｗo(hù)因牽涉的一次設(shè)備多，關(guān)聯(lián)的二次回路也非常多，一旦發(fā)生跳閘，故障的處置復(fù)雜，而且時(shí)間緊迫，現(xiàn)場(chǎng)工程人員對(duì)故障的處理需要有精準(zhǔn)而清晰的思路，本文從框架保護(hù)的工作原理、事故現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況出發(fā)，結(jié)合變電所二次系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)原理，層層深入，采用系統(tǒng)的分析方法，反復(fù)驗(yàn)證排除，得出框架保護(hù)誤動(dòng)作的原因?yàn)槎位芈饭驳伛詈细蓴_所致，針對(duì)此原因，提出具體的優(yōu)化改進(jìn)方案，防范類(lèi)似的跳閘事件再次大范圍發(fā)生，保障列車(chē)正常安全運(yùn)行。

1 框架保護(hù)原理

地鐵牽引變電所為保護(hù)設(shè)備及人身安全，直流1 500 V系統(tǒng)設(shè)置框架電流保護(hù)和框架電壓保護(hù)[2]，框架保護(hù)的原理如圖1所示?？蚣茈娏鞅Ｗo(hù)系統(tǒng)由框架電流元件（分流器）、電流變送器以及框架保護(hù)裝置PLC組成，框架電流元件（分流器）一端與設(shè)備外殼框架相連，另一端與牽引變電所接地網(wǎng)相連[3]，當(dāng)直流一次系統(tǒng)1 500 V正極對(duì)設(shè)備外殼框架碰殼短路，短路電流經(jīng)框架電流元件（分流器）、接地網(wǎng)、軌地過(guò)渡電阻，到達(dá)鋼軌及負(fù)極，形成框架電流回流通路。當(dāng)碰殼產(chǎn)生的框架電流達(dá)到框架電流保護(hù)定值（80 A）[4]，經(jīng)框架保護(hù)裝置PLC控制跳閘出口跳開(kāi)碰殼短路點(diǎn)所有來(lái)電方向的電源，即整流變壓器35 kV電源開(kāi)關(guān)、直流1 500 V進(jìn)線、饋線斷路器，以及兩相鄰牽引所對(duì)應(yīng)供電臂的直流1 500 V饋線斷路器開(kāi)關(guān)。

圖1 框架保護(hù)原理

框架電壓保護(hù)系統(tǒng)由框架電壓元件（電壓變送器）、框架保護(hù)裝置PLC組成，框架電壓元件（電壓變送器）一端與設(shè)備外殼框架相連，另一端與負(fù)極及鋼軌相連[5]，框架電壓元件（電壓變送器）長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)設(shè)備外殼與負(fù)極及鋼軌之間的電壓[6]。由于正常情況下，設(shè)備外殼處于經(jīng)框架電流元件串聯(lián)接地狀態(tài)，框架電壓保護(hù)監(jiān)測(cè)的鋼軌與設(shè)備外殼的電壓，也即為鋼軌與地的電壓。當(dāng)直流1 500 V一次設(shè)備正極對(duì)外殼短路，如果框架電流回路阻抗過(guò)大，導(dǎo)致框架電流較小[7]，低于框架電流保護(hù)定值80 A，則不能啟動(dòng)框架電流保護(hù)跳閘，此時(shí)框架電壓元件監(jiān)測(cè)到的電壓大于框架電壓保護(hù)定值，框架電壓保護(hù)觸發(fā)啟動(dòng)，跳開(kāi)本站整流變壓器35 kV電源開(kāi)關(guān)，直流1 500 V進(jìn)線、饋線斷路器。

2 故障查找分析

2.1 框架電流保護(hù)跳閘時(shí)的故障工況

通過(guò)調(diào)取跳閘時(shí)牽引變電所后臺(tái)監(jiān)控工作站信息，發(fā)現(xiàn)電力調(diào)度員在執(zhí)行直流上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)送電操作時(shí)，負(fù)極柜框架電流保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)時(shí)牽引變電所整流機(jī)組已送電，當(dāng)進(jìn)行2121上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)合閘操作時(shí)，框架電流保護(hù)動(dòng)作。

2.2 故障檢查

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)直流開(kāi)關(guān)柜和負(fù)極柜一次回路進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)一次回路對(duì)設(shè)備框架外殼短路放電的痕跡。對(duì)一次回路進(jìn)行絕緣測(cè)試，測(cè)得直流1 500 V開(kāi)關(guān)柜正極、負(fù)極、各饋線母排對(duì)設(shè)備柜外殼框架絕緣電阻均符合要求。

為確定故障原因，按照跳閘時(shí)運(yùn)行工況，對(duì)2121上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)再次進(jìn)行分合閘操作，在對(duì)2121合閘時(shí)負(fù)極框架電流保護(hù)動(dòng)作，故障得到復(fù)現(xiàn)。利用電腦連接框架保護(hù)裝置PLC，讀取到PLC采集的框架泄漏電流為160 A，遠(yuǎn)大于框架電流保護(hù)啟動(dòng)值80 A。繼續(xù)采取更進(jìn)一步排查措施，對(duì)2121上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分閘操作，未發(fā)現(xiàn)負(fù)極框架電流保護(hù)動(dòng)作；對(duì)2141、2124隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分閘、合閘操作，均未發(fā)現(xiàn)負(fù)極框架電流保護(hù)動(dòng)作。由此推斷，框架電流保護(hù)誤動(dòng)作與2121隔離開(kāi)關(guān)合閘操作存在某種關(guān)聯(lián)。

2.3 故障原因分析

牽引變電所一次回路設(shè)計(jì)上，2121上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)與直流框架電流保護(hù)之間并無(wú)直接聯(lián)系，二者沒(méi)有電氣連接關(guān)系。為進(jìn)一步確定保護(hù)動(dòng)作時(shí)PLC采集的框架泄漏電流是真實(shí)的一次泄漏電流，還是框架保護(hù)二次回路受到的干擾信號(hào)，拆除設(shè)備外殼框架接地電纜，再次對(duì)2121上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行合閘操作，負(fù)極框架電流保護(hù)再次啟動(dòng)，由此可推定，該故障與一次回路無(wú)關(guān)，可能原因?yàn)槎位芈反嬖诠收?，?dǎo)致框架電流保護(hù)誤動(dòng)作。

框架電流保護(hù)二次回路由框架電流元件（分流器）、電流變送器實(shí)現(xiàn)框架電流采樣[8]，經(jīng)PLC模擬量輸入輸出模塊處理，最后由PLC中央處理模塊實(shí)現(xiàn)保護(hù)輸出，上述二次元件與2121上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)無(wú)直接聯(lián)系。進(jìn)一步深入分析，發(fā)現(xiàn)電流變送器、PLC的工作電源由負(fù)極柜DC220－DC24 V電源裝置提供，DC220－DC24 V電源裝置的上級(jí)電源由牽引變電所直流屏DC220 V操作電源提供，而隔離開(kāi)關(guān)2121的工作電源也由牽引變電所直流屏DC220 V操作電源提供。顯然，DC220－DC24 V電源裝置與2121隔離開(kāi)關(guān)之間存在聯(lián)系，框架電流保護(hù)裝置PLC亦與2121隔離開(kāi)關(guān)之間存在間接聯(lián)系，檢查DC220－DC24 V電源裝置、框架保護(hù)裝置PLC，發(fā)現(xiàn)二者共用接地線向接地網(wǎng)接地。

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，2121上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)合閘操作回路存在對(duì)地絕緣不良故障，其合閘操作直接影響到變電所直流屏DC220 V操作電源電壓穩(wěn)定性，導(dǎo)致DC220－DC24 V電源裝置正常工作受到影響，其各輸出節(jié)點(diǎn)電位（包括接地點(diǎn)）受到干擾出現(xiàn)異常。由于上述二者采取共用接地線接地方式，一部分干擾信號(hào)通過(guò)公共地線耦合到框架保護(hù)裝置PLC模塊，產(chǎn)生了共地阻抗性電磁干擾，這種干擾影響到PLC各工作回路的參考電位，導(dǎo)致PLC誤判出160 A框架泄漏電流，錯(cuò)誤觸發(fā)框架電流保護(hù)動(dòng)作跳閘。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述框架電流保護(hù)動(dòng)作的真正原因，將DC220－DC24 V電源裝置接地線拆除，再次對(duì)2121上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行合閘操作，負(fù)極柜框架電流保護(hù)沒(méi)有啟動(dòng)，多次試驗(yàn)，也沒(méi)有發(fā)生框架電流保護(hù)誤動(dòng)作情況。由此推斷，框架電流保護(hù)誤動(dòng)作與上述二者共用接地線存在必然關(guān)聯(lián)。

2.4 故障結(jié)論

通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)的深入細(xì)致排查，模擬還原事故發(fā)生時(shí)的工況，故障得以復(fù)現(xiàn)，經(jīng)分析得出結(jié)論如下。

（1）牽引變電所2121上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)合閘回路發(fā)生的對(duì)地絕緣不良故障，致使其在合閘過(guò)程中牽引變電所DC220 V操作電源受到干擾影響，并導(dǎo)致下級(jí)負(fù)荷DC220－DC24 V電源裝置輸出干擾信號(hào)是造成本次牽引變電所負(fù)極框架電流保護(hù)動(dòng)作的初始原因。

（2）牽引變電所DC220－DC24 V電源裝置和框架保護(hù)裝置PLC二者共用接地線，通過(guò)共地阻抗性耦合傳導(dǎo)，為上述干擾信號(hào)提供耦合途徑，導(dǎo)致框架保護(hù)裝置PLC模擬量采樣模塊受干擾影響，誤判框架電流采樣值，是造成框架電流保護(hù)誤動(dòng)作的直接原因。

3 優(yōu)化改進(jìn)措施

基于上述框架電流保護(hù)跳閘事件的故障原因分析，為進(jìn)一步防止框架電流保護(hù)誤動(dòng)作事件頻繁發(fā)生，建議采取以下技術(shù)措施進(jìn)行防范處理。

（1）PLC框架保護(hù)裝置與負(fù)極柜DC220－DC24 V電源裝置采用分開(kāi)接地線方式接地，避免采用共用地線的接地方式，采用分散接地接入地網(wǎng)，減少不同電路相互之間的電磁干擾。

（2）局部二次元件（DC220－DC24 V電源裝置）采用浮地方式，避免干擾信號(hào)通過(guò)接地線耦合傳導(dǎo)至PLC，影響其對(duì)框架電流模擬量采樣值的測(cè)量與判定，從而達(dá)到防范框架電流保護(hù)誤動(dòng)作的目的。

（3）對(duì)牽引變電所直流220 V操作電源設(shè)置有效的絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)變電所直流操作電源的對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其絕緣狀況異常，及時(shí)跳開(kāi)相關(guān)二次回路，防止變電所直流操作電源絕緣不良影響下級(jí)二次供電回路，防止產(chǎn)生干擾信號(hào)進(jìn)入繼電保護(hù)裝置。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)牽引變電所送電過(guò)程產(chǎn)生的框架電流保護(hù)跳閘的事故分析，得出框架電流保護(hù)誤動(dòng)作的原因?yàn)槎位芈饭驳刈杩剐择詈细蓴_所致。由于相關(guān)二次元件采取共用地線接地方案，當(dāng)某回路出現(xiàn)異常情況，產(chǎn)生干擾源，在共地線的各二次元件之間出現(xiàn)共地阻抗性耦合干擾，干擾信號(hào)通過(guò)公共地線耦合進(jìn)入保護(hù)裝置，嚴(yán)重影響繼電保護(hù)裝置正常工作，這種耦合干擾可引起框架保護(hù)裝置誤觸發(fā)跳閘，也可引起其他相關(guān)繼電保護(hù)裝置誤觸發(fā)跳閘，造成嚴(yán)重的供電事故。針對(duì)此弊端，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，提高了二次繼電保護(hù)裝置抗干擾能力，為牽引變電所安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力技術(shù)保障。