李 瑞，劉建華，肖世輝

（中鐵電氣化局，天津 300380）

1 系統(tǒng)概況

京滬高速鐵路正線全長 1 318 km，其中電力系統(tǒng)全線共設置 24 座電力配電所、49 座低壓站房變電所、512 座箱式變電站，10 kV 電纜或架空線路長約為 9 500 km。

電力系統(tǒng)電源電壓一般為 10 kV，其構(gòu)成主要包括電網(wǎng)線路、電力配電所、箱式變電站、車站站房變電所、車站信號變電所、牽引供電系統(tǒng)中的 10 kV 設備以及貫通電纜或架空線路。電力系統(tǒng)主接線圖見圖1。

圖1 10 kV 電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

外電源線路：一般利用電力電纜或架空線路或兩者相結(jié)合的方式從電網(wǎng)中取得電源，經(jīng)電力配電所匯流、調(diào)壓和分配，供給鐵路系統(tǒng) 10 kV 用電負荷。

配電所：從電網(wǎng)外部電源線路取得電源，一部分由配電所直接供給車站站房變電所、道岔融雪箱式變電站和保養(yǎng)點箱式變電站及其他用電設施；另一部分經(jīng)配電所內(nèi)調(diào)壓器或旁路聯(lián)絡線路與并聯(lián)在母線上的電抗器組合，把符合技術(shù)規(guī)范的電源供給區(qū)間箱式變電站、車站信號變電所和牽引供電系統(tǒng)中的 10 kV 設備等用電負荷。

車站站房變電所：從配電所或電網(wǎng)中取得電源，經(jīng) 10 kV 變壓器變換電壓，為車站提供 220 V 或 380 V 電源，保證通信、信號、客服、空調(diào)等用電，并根據(jù)負荷的重要程度分為 3 個等級，根據(jù)不同的等級來增加電源的備用回路或提高優(yōu)先級，以保證供電的有序和合理。

車站信號變電所及箱式變電站：二者從本質(zhì)作用和布局來看是相同的，都是從配電所和貫通電纜或架空線路取電，經(jīng) 10 kV 變壓器變換電壓，將 220 V 或 380 V 電源供給區(qū)間箱式通信機械室、車站站內(nèi)通信機械室、警務站所及重要處所值守崗亭以及其他低壓用電設施。

牽引供電系統(tǒng)中的 10 kV 設備：從配電所中取得 10 kV電源，經(jīng)牽引供電所亭內(nèi)的 10 kV 變壓器變換電壓，將電源供給牽引供電所亭的交流屏，與既有牽引供電系統(tǒng)中的 27.5 kV 變壓器的低壓電源相配合，形成互備關(guān)系，以提高牽引供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

貫通電力電纜或架空線路：是整個電力配電系統(tǒng)中所有設備組成的連接線路，電纜通常由 2 個回路構(gòu)成，分別稱之為 1 級負荷貫通電纜和綜合負荷貫通電纜，敷設于沿鐵路兩側(cè)的預制電纜槽內(nèi)或直埋溝內(nèi)。

2 故障情況

2.1 案例 1

2015年12月19日，京滬高鐵東光配電所架空線路1 路進線零序過壓告警，貫通母線電抗器斷路器失壓跳閘（判單相電壓值），貫通母線貫通饋線斷路器失壓跳閘（判三相電壓值）。搶修人員到位后發(fā)現(xiàn)進線電壓互感器 B 相有明顯放電燒傷痕跡。東光配電所電源進線方式為架空線路，且架空線路處上跨有多處電網(wǎng)線路，電網(wǎng)系統(tǒng)為中性點不接地模式，天氣情況為雷雨大風。圖2 為進線保護裝置的故障錄波曲線，表1為保護裝置采集的進線和饋線兩側(cè)的電壓值。

表1 保護裝置采集的故障電壓值 V

2.2 案例 2

2016年2月28日，京滬高鐵靜海配電所架空線路 2路進線保護裝置零序過壓告警，且長時間未恢復。相關(guān)人員到達現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)，架空線路 2 路進線電壓互感器的 B相有明顯燒傷痕跡（圖3）。靜海配電所外電源進線方式為架空線路，電網(wǎng)系統(tǒng)采用中性點不接地系統(tǒng)模式，天氣情況為大風天氣。

圖2 故障錄波曲線

3 故障分析

3.1 案例 1

由圖2故障錄波曲線圖形可以看出，架空線路1路進線和饋線電壓 A、B、C 三相在一段時間內(nèi)電壓角度同相位，所以，造成調(diào)壓器低壓側(cè)三相電壓極小，低于相關(guān)保護裝置失壓整定值，從而造成相關(guān)饋線斷路器和電抗器斷路器跳閘。

另外，由圖2還可以得知故障的起始狀態(tài)發(fā)生時，進線和饋線側(cè) 2 組不同的電壓互感器同時顯示的電壓值都不正常且數(shù)值趨勢大致相同，則可以證明故障的發(fā)生不是首先由某個電壓互感器的損壞所造成，而是進線線路上發(fā)生了其他故障（經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)進線線路上跨電力線路斷線，搭接在了本線三相線路上），從而導致了后續(xù)更為嚴重的故障發(fā)生。

圖3 電壓互感器燒傷圖

3.2 案例 2

案例 2 靜海配電所與案例 1 東光配電所的故障類似，不同之處在于故障是由于架空線路 2 路電壓異常造成的嚴重后果。保護裝置顯示是架空線路 2 路 A相直接接地，造成保護裝置零序過壓告警，其他進線各相相電壓大幅抬升，過電壓造成 B 相的進線電壓互感器絕緣擊穿損壞，從而在 B 相電壓互感器處形成金屬性永久接地。

3.3 調(diào)查及分析

根據(jù)以上情況得出幾個共同點：①電源進線架構(gòu)形式都為架空線路形式，進線電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為中性點不接地系統(tǒng)，此方式易受外界環(huán)境干擾和影響；②故障都是從進線零序過壓告警開始的；③造成電壓互感器損壞；④故障發(fā)生的時間都為冬季，且天氣情況都較為惡劣。

架空線路在惡劣天氣的影響下，易受環(huán)境的干擾和影響。電網(wǎng)為了適應這種架設形式的特點，一般采用中性點不接地系統(tǒng)，以保證當架空線路某相發(fā)生單相接地時，也能保證非故障相正常供電 2～3 h，以盡量減小故障影響范圍。但由于進線故障所造成的電壓諧振，會使進線電壓值大幅升高，有可能造成半絕緣形式的電壓互感器擊穿，從而形成永久金屬性接地。

架空電力線路的電壓諧振問題實際上也是電磁式電壓互感器的鐵磁諧振問題，鐵磁諧振的條件為：①系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)；②非線性電感元件和電容元件組成 LC 振蕩回路；③LC 振蕩回路中的損耗要比較??；④要有相應的故障產(chǎn)生為誘因，即系統(tǒng)有某種電壓量和電流量的突變，如系統(tǒng)內(nèi)開關(guān)動作或系統(tǒng)內(nèi)線路瞬間接地、瞬間短路和持續(xù)單相接地等。

鑒于以上 LC 諧振條件與京滬高鐵發(fā)生的故障特點具有高度的重合性，可以證明架空線路的電壓諧振實際上也就是電壓互感器的鐵磁諧振。架空線路的等效電路圖見圖4。

圖4 電力系統(tǒng)架空線路等效電路示意圖

3.4 結(jié)論

電磁式電壓互感器的鐵磁諧振產(chǎn)生后常常引起其自身燒毀、爆炸等異常故障現(xiàn)象，主要原因是電力系統(tǒng)中有大量的電感、電容和電阻之類的阻抗元件，如電壓互感器、變壓器、調(diào)壓器、組合電抗器等電感元件以及電容器、線路對地電容等電容等效元件，這些元件會組成 LC 振蕩回路。在正常的運行條件下時，系統(tǒng)內(nèi)不會產(chǎn)生嚴重的 LC 振蕩現(xiàn)象，但當系統(tǒng)發(fā)生故障或由于某種原因使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生了變化，就很可能發(fā)生 LC 振蕩。例如在中性點不接地系統(tǒng)情況下，當發(fā)生單相接地故障時，其電力變壓器或調(diào)壓器和相間電容、電壓互感器或和線路對地電容，都有可能形成 LC 振蕩回路，即形成電壓諧振。

此電壓諧振常會引起持續(xù)時間很長的系統(tǒng)過電壓。電壓互感器在正常工作電壓下，通常情況鐵芯磁通密度不高，不會形成磁飽和，但是在過電壓條件下鐵芯會嚴重飽和，等效電感值會迅速降低，當達到 LC 振蕩條件時，就會與串聯(lián)電容產(chǎn)生諧振，即鐵磁諧振。

正常運行時，電磁式電壓互感器開口三角形二次線圈電壓值理論上是 U0= 0 V，實際運行中開口三角形電壓值一般為10～15 V。但當電力系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，開口三角形電壓值 U0將迅速升高，達到 30～120 V，形成過電壓。當系統(tǒng)運行時，會在電磁式電壓互感器中產(chǎn)生很大的諧波含量，導致電磁式電壓互感器內(nèi)部鐵芯磁通嚴重飽和，造成二次側(cè)輸出波形嚴重畸變，當畸變量足夠大時，就會形成鐵磁諧振，進而有可能損壞電磁式電壓互感器，從而造成事故擴大化。

4 應對措施

電力系統(tǒng)內(nèi)的電壓諧振大部分是由電磁式電壓互感器的鐵磁諧振所引起的，因此，如何消除或盡量避免電磁式電壓互感器的鐵磁諧振是解決此問題的關(guān)鍵所在。防止鐵磁諧振的產(chǎn)生，應從改變供電系統(tǒng)電氣等效參數(shù)著手，破壞 LC 振蕩回路中發(fā)生鐵磁諧振的所需參數(shù)匹配，這樣就可以最大限度地防止電磁式電壓互感器發(fā)生磁飽和，進而減少鐵磁諧振發(fā)生的概率。另外，必須從保護參數(shù)配置的方面進行設置，以最大限度地保證系統(tǒng)安全。

4.1 改變相關(guān)電氣參數(shù)

（1）配備專業(yè)的微機保護設備或增加相應的保護模塊。當電力系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，為最大限度地破壞電磁式電壓互感器的諧振條件，可通過微機保護裝置來實現(xiàn)如下功能：微機保護裝置采集系統(tǒng)電量信息，如電壓、電流、阻抗角等，當保護裝置判斷系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了 LC 振蕩現(xiàn)象，自動將電磁式電壓互感器的開口三角形線圈直接短接或通過阻尼電阻短接；當保護裝置判斷系統(tǒng)諧振消除后，發(fā)出命令，斷開短接開關(guān)，使得電磁式電壓互感器恢復正常運行狀態(tài)。

（2）升級電磁式電壓互感器的電氣參數(shù)。升級電壓互感器的抗諧振參數(shù)，提高勵磁曲線的拐點參數(shù)；減少系統(tǒng)中電磁式電壓互感器的數(shù)量，尤其是限制在中性點不接地系統(tǒng)中的電磁式電壓互感器的使用數(shù)量。

（3）系統(tǒng)盡量每相對地加裝電容器。通過在線路中并聯(lián)電容、電阻和電感的組合單元，破壞或提高諧振發(fā)生的條件參數(shù)，從而使得諧振發(fā)生的概率降低。

4.2 消耗諧振能量

在電磁式電壓互感器開口三角形側(cè)并聯(lián)阻尼電阻。當系統(tǒng)在正常運行時，電磁式電壓互感器二次側(cè)開口三角處繞組兩端理論上不會有電壓產(chǎn)生，或僅有極小的電壓產(chǎn)生。當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障或其他非對稱類系統(tǒng)故障時，由于在電磁式電壓互感器開口三角形線圈側(cè)并接有阻尼電阻，并且此處阻尼電阻阻值極小，開口三角形繞組線圈兩側(cè)近似于短接，從而起到了改變電磁式電壓互感器抗諧振參數(shù)的作用，能防止電磁式電壓互感器發(fā)生磁飽和，同時能有效地消耗系統(tǒng)內(nèi)的諧振能量，防止系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生諧振過電壓。

4.3 增設過電壓保護

重新設定保護裝置配置?？梢栽诩芸站€路的進線保護裝置中設置過電壓保護，使其整定值為1.5倍的系統(tǒng)相電壓，跳閘判據(jù)單相。當發(fā)生諧振，電壓升高到電壓整定值，斷開進線斷路器。

5 結(jié)束語

在普速鐵路中，電力系統(tǒng)采用線路架空方式加中性點不接地系統(tǒng)是一貫的做法，本質(zhì)上是為了提高整個系統(tǒng)抵抗安全風險的能力和提高供電的可靠性。但隨著中國高鐵的營運里程突破 2.2 萬 km，且電力電纜的使用不僅是從規(guī)劃方面考慮還是安全風險方面考慮，如果照搬既有成熟的模式，就會引發(fā)很多新的問題出現(xiàn)，因此，很好地統(tǒng)計和總結(jié)運營中出現(xiàn)的各種故障，對于中國高鐵建立相應的標準有著很重要的意義。

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