徐東坡 吳夢麗 朱軍紅 梁建濤

一起地鐵氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備跳閘故障原因分析

徐東坡 吳夢麗 朱軍紅 梁建濤

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

針對一起地鐵氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）跳閘導(dǎo)致的該線路多個地鐵站整站失電事件，本文分析故障現(xiàn)象、故障波形特征和故障原因，并基于實時數(shù)字仿真（RTDS）系統(tǒng)搭建仿真試驗?zāi)Ｐ?，重現(xiàn)現(xiàn)場故障現(xiàn)象。分析表明，開關(guān)柜跳閘的原因是地鐵電纜絕緣層擊穿，發(fā)生接地故障，保護動作跳閘，且故障期間相鄰電纜受接地環(huán)流的影響，相關(guān)電流保護動作跳閘，最終導(dǎo)致多個地鐵站整站失電。

地鐵；電纜；絕緣擊穿；接地環(huán)流；實時數(shù)字仿真（RTDS）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，地鐵在城市建設(shè)中越來越普及，1965年7月我國第一條地鐵北京地鐵1號線開工建設(shè)，2021年底我國城市軌道交通運營里程達到8 741km[1-2]。地鐵采用電力牽引，電能的供應(yīng)和傳輸是地鐵安全、可靠運行的重要保證。地鐵供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其服務(wù)對象除車輛外，還包括車站信號、通信、通風(fēng)換氣、空調(diào)設(shè)施、自動扶梯、自動售檢票、屏蔽門、消防設(shè)施及照明等一、二、三級負(fù)荷?？梢哉f，供電系統(tǒng)是地鐵的“大動脈”，是基礎(chǔ)能源設(shè)施；而電力電纜更像是“血管”，將上下設(shè)備連接起來，承擔(dān)著輸送電力和傳輸信號的功能。一旦電纜出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致電力中斷或信號傳輸中繼失效，對地鐵運營造成重大影響，若處理不及時，甚至?xí)霈F(xiàn)故障范圍擴大化[3]。

本文介紹一起地鐵氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）跳閘導(dǎo)致的該線路多個地鐵站整站失電事件，通過對故障現(xiàn)象、故障波形特征和故障原因進行分析，并基于實時數(shù)字仿真（real time digital simulation, RTDS）系統(tǒng)搭建仿真試驗?zāi)Ｐ?，重現(xiàn)現(xiàn)場故障現(xiàn)象。

1 故障概況

1.1 地鐵供電系統(tǒng)

在城市軌道交通35kV或10kV中壓供電系統(tǒng)中，一般將全線車站變電所的母線通過電纜以“手拉手”的方式形成開放式環(huán)形供電，又稱大分區(qū)供電[4-5]。一座110kV變電站一般掛接4～6座變電所負(fù)荷。本文所述35kV地鐵供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 35kV地鐵供電系統(tǒng)

1.2 故障過程描述

某日04:23:30.654，B站Ⅱ段母線B23饋線間隔保護裝置零序Ⅰ段動作出口跳閘，04:23:30.853，B23饋線間隔保護裝置啟失靈聯(lián)跳保護動作出口，04:23:30.875，B10分段間隔、B21進線間隔、B22出線間隔保護裝置啟失靈聯(lián)跳保護動作但不出口跳閘，04:23:30.963，B23饋線間隔保護過電流Ⅰ段動作，04:23:31.003，B22出線間隔保護裝置失靈聯(lián)跳保護動作出口跳閘，并聯(lián)跳對側(cè)C站Ⅱ段母線C21進線間隔斷路器；04:23:31.019，C站Ⅰ段母線C11進線間隔保護裝置動態(tài)加速零電流T1、動態(tài)加速過電流T1動作出口跳閘，并聯(lián)跳本段母線C12出線間隔及下級站D站Ⅰ段母線D11進線間隔。最終導(dǎo)致C站、D站整站失電，B站B22出線間隔、B23饋線間隔失電。

1.3 現(xiàn)場檢查

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，C站C12出線間隔B相電纜頭擊穿，且該相電纜金屬護層兩端均未接地，B站B23饋線間隔A相電纜金屬護層兩端同時接地，且該電纜金屬護層接地線接地時未穿回CT。

根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求，當(dāng)線路不長，且感應(yīng)電勢能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，單芯電纜金屬護層接地線應(yīng)采取在線路一端或中央部位單點直接接地[6-8]。根據(jù)GB 50168—2018《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求，當(dāng)金屬護層接地線隨電纜芯線穿過CT時，接地線應(yīng)穿回CT后接地[9]?，F(xiàn)場檢查情況如圖2所示。

2 故障分析

2.1 現(xiàn)場故障波形分析

現(xiàn)場C站Ⅰ段母線C11進線間隔保護裝置動作錄波如圖3所示?，F(xiàn)場35kV供電系統(tǒng)經(jīng)小電阻方式接地，采用大分區(qū)供電方式。對該供電分區(qū)而言，正常無車輛通過時，相當(dāng)于單電源無負(fù)載系統(tǒng)。從故障波形分析，正常狀態(tài)下，三相電壓為額定電壓，電流基本為0。故障發(fā)生后，A相、C相電壓升高，B相電壓降至0，A相、C相電流基本不變，B相電流增大，故障特征與單側(cè)電源經(jīng)電阻接地系統(tǒng)發(fā)生B相電源近端接地故障特征一致。

圖3 C站Ⅰ段母線C11進線間隔保護裝置動作錄波

現(xiàn)場B站Ⅱ段母線B23饋線間隔保護裝置動作錄波如圖4所示。正常狀態(tài)下，三相電壓為額定電壓，電流基本為0。故障發(fā)生后，電壓基本不變，B相、C相電流基本不變，A相電流增大，與單側(cè)電源經(jīng)電阻接地系統(tǒng)的典型故障特征均不相似，與單芯電力電纜兩端接地時電纜金屬護層環(huán)流特征基本一致[10-12]。

圖4 B站Ⅱ段母線B23饋線間隔保護裝置動作錄波

2.2 故障原因分析

結(jié)合故障現(xiàn)象及現(xiàn)場故障波形分析該次事件的原因是C站C12出線間隔B相電纜金屬護層兩端均未接地，造成電纜頭在強電場作用下絕緣逐步降低，電纜頭擊穿繼而引發(fā)B相接地故障，保護動作跳閘出口。B站B23饋線間隔A相電纜金屬護層兩端同時接地，故障電流流過相鄰電纜時，受電磁感應(yīng)的影響，在該相電纜金屬護層中形成環(huán)流，又因該電纜金屬護層接地線未穿回CT，故電纜金屬護層中的環(huán)流即為采樣電流，導(dǎo)致保護裝置動作跳閘出口。

3 仿真分析

3.1 仿真模型搭建

建立35kV地鐵供電系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。

因RTDS電纜模型的局限性，RTDS電纜模型最多允許12根耦合導(dǎo)體建模，即十二根導(dǎo)體可以為每根具有兩層導(dǎo)電層的六根耦合電纜，或為每根具有四層導(dǎo)電層的三根耦合電纜。本次建模與實際35kV地鐵供電系統(tǒng)稍有差異，如B站B22出線間隔A相電纜金屬護層兩端同時接地與B23饋線間隔A相電纜金屬護層兩端同時接地，在相鄰電纜流過電流時，有相似的環(huán)流現(xiàn)象，故暫不考慮各站饋線間隔的建模；再者本次建模至少需考慮兩回電纜線路（6根單芯電纜）間的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故每根電纜僅能有兩層導(dǎo)電層，與實際電纜結(jié)構(gòu)有差異。綜合上述原因，本次仿真僅定性分析C站C12出線間隔B相發(fā)生接地故障時，C站C11進線間隔保護安裝處及B站B22出線間隔保護安裝處的故障特征，不再做定量分析。RTDS仿真模型中電纜參數(shù)見表1，各變電所間電纜長度見表2。

圖5 35kV地鐵供電系統(tǒng)仿真模型

表1 電纜參數(shù)

表2 電纜長度

3.2 仿真結(jié)果分析

模擬C站C12出線間隔B相發(fā)生接地故障，故障波形如圖6所示，1a、1b、1c、1a、1b、1c分別為C站C11進線間隔保護安裝處電壓、電流一次側(cè)波形，2a、2b、2c、2a、2b、2c分別為B站B22出線間隔保護安裝處的電壓、電流一次側(cè)波形，2ax為電纜金屬護層接地處電流一次側(cè)波形。

故障發(fā)生后，C11進線間隔保護安裝處A相、C相電壓升高，B相電壓降至0，A相、C相電流基本不變，B相電流增大，與現(xiàn)場故障波形基本一致，B站B22出線間隔保護安裝處的電壓、電流與故障前一致，考慮到現(xiàn)場該處A相電纜金屬護層接地線未回穿過CT，故現(xiàn)場實際A相電流應(yīng)為電纜金屬護層接地處電流，對比2ax與現(xiàn)場A相電流波形，特征基本一致，驗證了2.2節(jié)中所述故障原因的正確性。

圖6 C站C12出線間隔B相接地故障仿真波形

4 結(jié)論

本文介紹了一起地鐵GIS跳閘事件，開展了故障現(xiàn)場檢查、故障波形及故障原因分析，并通過RTDS系統(tǒng)搭建仿真試驗?zāi)Ｐ?，重現(xiàn)了現(xiàn)場故障現(xiàn)象。最后得出開關(guān)柜跳閘是因地鐵電纜絕緣層擊穿，發(fā)生接地故障，保護動作跳閘，且故障期間相鄰電纜受接地環(huán)流的影響，相關(guān)電流保護動作跳閘，最終導(dǎo)致多個地鐵站整站失電這一結(jié)論。

本次事件暴露出許多問題，值得電力施工人員、運維檢修人員及二次保護設(shè)計人員引以為戒。對于電力施工人員，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計施工要求，保證電纜各部件連接的可靠及施工的正確性；對于運維檢修人員，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行運檢要求，有效保證運營環(huán)境及設(shè)備的安全可靠；對于二次保護設(shè)計人員，應(yīng)豐富保護原理知識，通過有效手段提前暴露一些隱藏的安全隱患，優(yōu)化保護功能邏輯，防止事故擴大。

[1] 陳海勇, 劉建友, 郭志波. 中國地鐵設(shè)計理念的演化歷史及發(fā)展方向[J/OL]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, https:// doi.org/10.13238/j.issn.1004-2954.202206200002.

[2] 王順, 尹小清. 佛山地鐵2號線35kV中壓環(huán)網(wǎng)繼電保護方案分析[J]. 電氣化鐵道, 2022, 33(1): 63-66, 73.

[3] 李利. 地鐵區(qū)間電纜故障原因分析及應(yīng)急處置[J]. 工程機械文摘, 2022(4): 12-14.

[4] 王彩麗, 胡寶, 胡明會, 等. 一種地鐵大分區(qū)保護介紹及測試[J]. 電工電氣, 2020(8): 52-56.

[5] 閆石, 鐘素梅. 地鐵35kV供電系統(tǒng)繼電保護分析[J].電氣技術(shù), 2019, 20(12): 79-82, 87.

[6] 電力工程電纜設(shè)計標(biāo)準(zhǔn): GB 50217—2018[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2018.

[7] 惠勝達, 張軍強. 基于ATP-EMTP電纜金屬外護套的感應(yīng)電壓分析計算及相關(guān)保護設(shè)備選型[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(增刊1): 69-72.

[8] 張嘉樂, 吳耀輝. 多回輸電線路下單芯電力電纜護套感應(yīng)電壓和環(huán)流計算分析[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(8): 50-54, 73.

[9] 電氣裝置安裝工程 電纜線路施工及驗收標(biāo)準(zhǔn): GB 50168—2018[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2018.

[10] 鄒宏亮, 孫云蓮, 張弛, 等. 多回路電力電纜不同敷設(shè)方式對環(huán)流的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(8): 2426-2433.

[11] 王航, 周文俊, 陳杰, 等. 波紋金屬護套高壓單芯電纜線芯護層互感的解析解[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(16): 3369-3376.

[12] 嚴(yán)有祥, 朱婷, 張那明, 等. 交直流電纜共溝敷設(shè)電磁環(huán)境影響因素[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(6): 1329-1337.

Cause analysis of a metro gas insulated switchgear tripping fault

XU Dongpo WU Mengli ZHU Junhong LIANG Jiantao

(XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

Aiming at the power loss event of multiple subway stations along the line caused by the tripping of a subway gas insulated switchgear (GIS), this paper analyzes the fault phenomenon, fault waveform characteristics and fault causes, and builds a simulation test model based on real-time digital simulation (RTDS) system to reproduce the on-site fault phenomenon. The analysis shows that the switchgear tripping is caused by the breakdown of the insulation layer of the cable, and relay protection works when the ground fault occurs. During the fault, the adjacent cables are affected by the grounding circulating current, and the relevant current protection acts to trip, which eventually leads to the power loss of multiple metro stations.

metro; cable; insulation breakdown; grounding circulating current; real time digital simulation (RTDS)

2022-09-06

2022-09-23

徐東坡（1989—），男，河南蘭考人，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護產(chǎn)品、電力電子產(chǎn)品的研發(fā)測試工作。