黃 維,郭海濤,王 林,曹曉斌,杜 浩

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計(jì)研究院,武漢 430063； 2.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司供電部,廣州 510088； 3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 610031)

引言

我國(guó)擁有世界最大規(guī)模的電氣化鐵路網(wǎng)。隨著鐵路智能化技術(shù)的發(fā)展，電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的設(shè)備全面實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)動(dòng)控制和在線監(jiān)測(cè)。接觸網(wǎng)供電線上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)用于連接牽引變電所(包括分區(qū)所、AT所、開(kāi)閉所等)和接觸網(wǎng)，上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)的控制方式包括通過(guò)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)直接控制，通過(guò)RTU箱采用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)控制和通過(guò)直流電纜直接控制3種[1-2]。近年來(lái)，由于一次系統(tǒng)短路引起接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)RTU箱和操作機(jī)構(gòu)箱燒毀的故障時(shí)有發(fā)生，甚至造成與之相連的牽引變電所二次設(shè)備燒毀的嚴(yán)重后果[3-5]。

在現(xiàn)有的研究中，為了避免一次系統(tǒng)短路引起二次設(shè)備損壞，電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要通過(guò)限制地網(wǎng)電位升實(shí)現(xiàn)，如我國(guó)國(guó)標(biāo)GB50064交流系統(tǒng)接地中規(guī)定，地網(wǎng)的電位升不超過(guò)2 000 V，特高壓系統(tǒng)中不得超過(guò)5 000 V[6-7]。長(zhǎng)江水利委員會(huì)通過(guò)試驗(yàn)得到，屏蔽層剝掉4 cm的電纜可承受工頻電壓15 kV，一般繼電器可承受工頻電壓5.5 kV，并驗(yàn)證了變電站接地網(wǎng)電位提高5 000 V是允許的[8-9]。近年來(lái)隨著變電站容量的增大，轉(zhuǎn)移電位造成二次系統(tǒng)過(guò)電壓損壞逐漸得到重視[10-12]。湖北500 kV雙河變電站單相短路接地試驗(yàn)證明，2 400 A短路電流由地網(wǎng)入地時(shí)，地網(wǎng)內(nèi)部不同位置的電位差可達(dá)117 V。中國(guó)香港地鐵變電站發(fā)生一起單相接地故障時(shí)，測(cè)到地電位升高達(dá)350 V。浙江省電力工業(yè)局曾因忽視了輸電線路存在轉(zhuǎn)移電位，使得臨時(shí)接地線對(duì)地電壓達(dá)到了200 V，造成1名工作人員觸電身亡[12]。但上述研究均是針對(duì)變電站內(nèi)發(fā)生短路故障的情況，未針對(duì)變電站外獨(dú)立接地，但與站內(nèi)二次設(shè)備存在電氣連接的電氣設(shè)備。

為了找出接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)短路引起二次系統(tǒng)燒毀的原因，通過(guò)對(duì)中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司的某牽引變電所進(jìn)行了近端人工短路試驗(yàn)，測(cè)得了不同方式下?tīng)恳亓鞣峙浼斑^(guò)電壓分布情況，研究了直供方式下接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱和RTU箱內(nèi)工頻短路過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素。

1 接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)短路試驗(yàn)

1.1 接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)系統(tǒng)

接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)用于隔離故障、分段作業(yè)及改變運(yùn)行方式，其數(shù)量多、分布范圍廣，對(duì)其實(shí)施遠(yuǎn)距離集中監(jiān)控并納入遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)[13]，已成為必要。接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)接線如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)示意

控制和信息傳輸穩(wěn)定可靠、抗電磁干擾能力強(qiáng)是接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)監(jiān)控的關(guān)鍵[14]。目前樞紐接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸有“控制電纜方式”和“無(wú)線數(shù)據(jù)通信方式”及“光傳輸方式”，前者采用電纜傳輸信息，較容易受干擾，多在控制距離短的場(chǎng)合使用?！盁o(wú)線數(shù)據(jù)通信方式”克服了“控制電纜方式”的缺點(diǎn)，但無(wú)線數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量易受現(xiàn)場(chǎng)氣候(如雷電)、地形、電磁干擾等因素的影響，同時(shí)還存在無(wú)線電頻率占用的問(wèn)題[15]。“光傳輸方式”采用光來(lái)傳輸信息，具有通道容量大、抗電磁干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)光纖監(jiān)控裝置的通信傳輸同時(shí)具備高速工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的電接口和光接口方式，以保證信息傳輸?shù)母呖煽啃院蛻?yīng)用的靈活性，是接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)監(jiān)控的良好解決方案[16]。

接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)光纖監(jiān)控裝置是由遠(yuǎn)程監(jiān)控單元、電源管理裝置、電源及浪涌保護(hù)單元等設(shè)備集成，其各設(shè)備的硬件配置先進(jìn)可靠，系統(tǒng)核心采用高性能的DSP確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性；電源輸入過(guò)流、過(guò)壓防護(hù)，以及所有對(duì)外端口處完善的EMC防護(hù)措施，確保裝置的電磁干擾防護(hù)能力達(dá)到4級(jí)水平。該裝置適用于各種類(lèi)型的接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)的監(jiān)控環(huán)境中[17-20]。

1.2 短路試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)對(duì)象是時(shí)速250 km的高速鐵路，供電采用的是直供加回流線的供電制式，并且設(shè)有綜合地線。試驗(yàn)短路的對(duì)象是其中一個(gè)變電所的饋線上網(wǎng)開(kāi)關(guān)。該線路的接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)采用的是帶RTU箱的光纖控制方式。為了防止變電所二次系統(tǒng)損壞，在變電所所內(nèi)上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)操作電源出口處安裝有1臺(tái)1∶1的隔離變壓器。變電所交流屏的220 V電源首先接入隔離變壓器的原邊，再?gòu)拇芜呉?20 V電纜接到1號(hào)接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)的RTU箱及控制箱，為其提供電源，并通過(guò)1根220 V電纜給相鄰的2號(hào)接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)提供電源。本次試驗(yàn)的接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱

其中，A1是RTU工作電源空開(kāi)、A2是操作機(jī)構(gòu)供電空開(kāi)、B1是操作機(jī)構(gòu)電機(jī)電源空開(kāi)、B2是操作機(jī)構(gòu)二次控制回路電源空開(kāi)，4個(gè)開(kāi)關(guān)中任一開(kāi)關(guān)跳閘，都會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)拒動(dòng)。

試驗(yàn)地點(diǎn)回流接線情況如下。

(1)1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)安裝支柱與回流線不相連，支柱接地極與綜合地線相連。

(2)2號(hào)隔離開(kāi)關(guān)支柱通過(guò)絕緣子與回流線相連，支柱接地極與綜合地線相連。

人工短路方案如下。

(1)通過(guò)人工短路線，將1號(hào)GK靠變電所側(cè)引線對(duì)地進(jìn)行短接。

(2)在變電所外選取一點(diǎn)作為測(cè)量電壓的參考點(diǎn)，電壓參考點(diǎn)到變電所和鐵路線路的距離約為50 m，周?chē)鸁o(wú)地下電纜及管道。

(3)從電壓參考點(diǎn)分別引電壓測(cè)量線至1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)，以及變電所內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(4)1號(hào)GK處測(cè)量支柱對(duì)參考點(diǎn)電壓，220 V電纜對(duì)參考點(diǎn)電壓及通過(guò)220 V電纜電流。

(5)變電所內(nèi)測(cè)得變電所地網(wǎng)對(duì)參考點(diǎn)電壓，

交流屏處220 V電纜對(duì)參考點(diǎn)電壓，隔離變壓器處次邊220 V電纜對(duì)參考點(diǎn)電壓。地回流電流、軌回流電纜電流和總電流。

(6)為了保證試驗(yàn)過(guò)程不影響所內(nèi)其他設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)除對(duì)應(yīng)饋線外，其他饋線斷路器均處于分位，并切除所有重合閘裝置。

1.3 第一次短路試驗(yàn)

第一次短路試驗(yàn)?zāi)M回流系統(tǒng)正常情況，接觸網(wǎng)支柱與回流線的連接良好，試驗(yàn)完成后，所內(nèi)外設(shè)備均無(wú)異常，未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第一次短路保護(hù)數(shù)據(jù)

測(cè)得各部分回流數(shù)據(jù)如表2所示，其中總回流電流、綜合地線回流電流和軌回流由實(shí)測(cè)得到，地網(wǎng)回流通過(guò)總回流減去綜合地線回流電流與軌回流得到。

表2 回流系統(tǒng)分配數(shù)據(jù)

對(duì)比表1與表2可以看出，總回流電流與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)得的饋線短路電流基本一致，綜合地線回流電流與地網(wǎng)回流占總電流的81.4%，軌回流僅占總電流的18.6%。

1.4 第二次短路試驗(yàn)

第二次短路試驗(yàn)時(shí)，模擬了回流回路不暢的情況，將1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)支柱與回流線斷開(kāi)。

本次試驗(yàn)后，所內(nèi)設(shè)備正常運(yùn)行；但在接觸網(wǎng)端，1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱及RTU箱燒損，電源線相連的2號(hào)隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱及RTU箱燒損。

第二次短路試驗(yàn)中，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 第二次短路保護(hù)數(shù)據(jù)

與表1相比，兩次短路試驗(yàn)的短路電流沒(méi)有太大差別，但短路電阻從0.07 Ω上升到0.34 Ω，阻抗角81.1°下降到56°。

表4為第二次短路試驗(yàn)的回流分配數(shù)據(jù)，從表4可以看出，總回流沒(méi)有太大變化，地網(wǎng)回流有從36.5%上升到40.2%，綜合地線回流從44.9%下降到了38.7%。軌回流無(wú)大的變化。

表4 第二次短路回流系統(tǒng)分配數(shù)據(jù)

2 短路引起的電壓升分析

2.1 第一次短路試驗(yàn)分析

1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)支柱處測(cè)得的暫態(tài)過(guò)電壓波形如圖3所示。

圖3 1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)支柱接地暫態(tài)電壓波形

圖3中過(guò)電壓最大波峰值為380 V，波谷最大值為880 V，總持續(xù)時(shí)間小于0.4 ms。

各測(cè)點(diǎn)電壓如表5所示。

表5 第一次短路試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)電壓 V

從表5數(shù)據(jù)可知，隔離開(kāi)關(guān)支柱的電位升僅35 V，不會(huì)造成RTU箱與操作機(jī)構(gòu)箱設(shè)備損壞。變電所電位升約為224 V，其中所內(nèi)工頻穩(wěn)態(tài)電位差僅為1.4 V，因此不需要考慮所內(nèi)地網(wǎng)電位差對(duì)二次系統(tǒng)的影響。

2.2 第二次短路試驗(yàn)分析

第二次短路時(shí)1號(hào)支柱的外引接地極測(cè)得的短路電流波形如圖4所示。

圖4 支柱外引接地極的短路電流波形

各測(cè)點(diǎn)電壓如表6所示。

表6 第二次短路試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)電壓 V

支柱的基礎(chǔ)接地螺栓與10 m處貫通地線的相對(duì)工頻電壓峰值較小，不足100 V，但二者的暫態(tài)過(guò)電壓峰值達(dá)到2 750 V。

RTU箱的220 V電源電纜芯線對(duì)支柱接地極的電壓為2 200 V，暫態(tài)電壓峰值為5 200 V。

支柱基礎(chǔ)接地螺栓對(duì)參考點(diǎn)的工頻電壓最大峰值為3 000 V，暫態(tài)電壓峰值為6 400 V。

通過(guò)波形對(duì)比，發(fā)現(xiàn)上述暫態(tài)過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間小于0.005 s，即小于1/4個(gè)工頻周期，然后陡降，因此可推斷在該時(shí)刻二次系統(tǒng)發(fā)生擊穿。

3 設(shè)備燒損原因分析

第二次短路試驗(yàn)中，1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)與2號(hào)隔離開(kāi)關(guān)的RTU箱及操作機(jī)構(gòu)箱均燒損。經(jīng)解體，發(fā)現(xiàn)2臺(tái)隔離開(kāi)關(guān)的RTU箱中的浪涌保護(hù)裝置(SPD)均損壞，端子排引線燒斷；2臺(tái)操作機(jī)構(gòu)箱的加熱器內(nèi)部擊穿；1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)RTU箱的三孔插座背面擊穿，引線燒斷；加熱器相連的電纜外絕緣層熔化。

3.1 回流情況分析

從表1與表3可知，兩次短路試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)短路電流差異僅有17 A，系統(tǒng)短路電抗基本相同。

對(duì)比表3與表4可知，兩次短路試驗(yàn)中，綜合接地回流與地網(wǎng)回流占回流的主體，主要是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)隔離開(kāi)關(guān)高壓端直接對(duì)地短路，而回流線對(duì)地采用絕緣架設(shè)，短路產(chǎn)生的過(guò)電壓無(wú)法擊穿回流線絕緣子，因此只有少量電流通過(guò)回流線回流。

結(jié)合設(shè)備擊穿情況，可認(rèn)為第一次短路時(shí)，短路電流主要通過(guò)1號(hào)支柱與綜合地線的連接引線流入綜合地線，再通過(guò)綜合地線及大地流回變電所。

第二次短路發(fā)生時(shí)，由于1號(hào)支柱與綜合地線斷開(kāi)，短路電流通過(guò)擊穿其二次設(shè)備后，再通過(guò)220 V電纜傳到2號(hào)隔離開(kāi)關(guān)RTU箱及操作機(jī)構(gòu)箱，擊穿其二次系統(tǒng)絕緣后，通過(guò)其支柱與綜合地線的連接線流入綜合地線，再通過(guò)綜合地線與大地流回變電所。

3.2 電壓分布情況分析

第二次短路發(fā)生時(shí)，1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)的支柱電壓快速抬升，從表6可知，其RTU箱中220 V電纜與支柱的暫態(tài)電壓差達(dá)到5 600 V，超出SPD整定電壓，SPD動(dòng)作后由于電流過(guò)大燒毀，同時(shí)造成操作機(jī)構(gòu)箱加熱管和三孔插座絕緣擊穿。

過(guò)電壓通過(guò)220 V電纜分別傳到變電所與2號(hào)隔離開(kāi)關(guān)二次部分。變電所由于隔離變壓器絕緣水平較高，且隔離變壓器次邊的SPD已斷開(kāi)，盡管其次邊電纜上有2 286.4 V的高壓，但未通造成絕緣擊穿。隔離變壓器原邊對(duì)參考點(diǎn)電壓為529 V的電壓，但考慮到地網(wǎng)也有224 V電壓抬升，原邊實(shí)際對(duì)地網(wǎng)的電壓僅為300 V左右，不會(huì)造成交流屏設(shè)備損壞。

3.3 二次設(shè)備擊穿過(guò)程分析

綜上所述，結(jié)合設(shè)備損壞情況，擊穿過(guò)程如下。

(1)發(fā)生短路，1號(hào)隔離開(kāi)關(guān)的RTU箱外殼及操作機(jī)構(gòu)箱外殼電壓上升。

(2)SPD動(dòng)作，短路電流通過(guò)SPD進(jìn)入220V電源。

(3)加熱器、RTU箱內(nèi)三孔插座內(nèi)部擊穿。

(4)SPD爆炸，端子排擊穿。

(5)2號(hào)隔離開(kāi)關(guān)加熱器，RTU箱的電源端子排，SPD處端子排擊穿，與綜合地線形成短路電流通路。

(6)工頻短路電流將上述各處接線柱熔斷。

4 結(jié)論

通過(guò)接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)對(duì)地短路試驗(yàn)以及通過(guò)對(duì)短路回流情況和過(guò)電壓情況分析，主要結(jié)論如下。

(1)支柱接地回流不良是造成隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)，以及變電所二次系統(tǒng)損壞的主要原因。當(dāng)回流路徑通暢時(shí)，支柱接地極電壓升差僅為35V左右，不會(huì)造成二次系統(tǒng)損壞及變電所強(qiáng)電侵入。

(2)支柱回流路徑不暢時(shí)，短路電流首先全部通過(guò)支柱接地裝置，造成支柱基礎(chǔ)電壓升高并擊穿二次設(shè)備絕緣。操作機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的加熱管、三孔插座和SPD是絕緣薄弱環(huán)節(jié)，擊穿電壓在2200V左右。SPD通工頻短路電流能力較弱，不能在隔離開(kāi)關(guān)發(fā)生短路時(shí)起到保護(hù)作用。

(3)操作機(jī)構(gòu)箱二次設(shè)備擊穿后，牽引短路電流主要通過(guò)二次電纜回流，此時(shí)支柱基礎(chǔ)的電壓將下降。在二次電纜回路中加裝隔離變能有效防止短路電流流入牽引變電所二次屏柜，造成二次系統(tǒng)大面積損壞。

(4)防止接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)短路造成牽引變電所二次系統(tǒng)損壞的關(guān)鍵為：確保接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)的安裝支柱接地回流系統(tǒng)可靠，因此建議接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)與施工中將此列為關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)與交接檢查的重點(diǎn)項(xiàng)目；在運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中將此加入日常檢測(cè)內(nèi)容。

致謝

本文研究工作由中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司2019年度科研課題《牽引變電所低壓控制裝置防強(qiáng)電侵入技術(shù)優(yōu)化研究及測(cè)試》(合同編號(hào)2019K052)全額資助，接觸網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)對(duì)地短路試驗(yàn)是在中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司、中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司、深圳鐵創(chuàng)科技有限公司等單位的配合下得以實(shí)施，特向以上單位以及參加本次試驗(yàn)的所有人員致以誠(chéng)摯的感謝!