牵引变电所保护装置误动现象的分析与思考

2012-06-22赵瑞清李文起张玉龙

电气化铁道 2012年1期

赵瑞清，李文起，张玉龙

0 引言

京九线电气化铁路于2009年12月28日开通运行，其中北京局管内牵引变电所综合自动化系统选用型号为DK3500的保护测控装置，该装置二次额定电流为1 A，额定电压为100 V，工作电源DC 110 V。相应室外110 kV电流互感器（下文简称流互）和室内27.5 kV断路器小车流互二次额定电流均选择为1 A。由于设备二次额定电流为1 A，相关保护定值也较额定电流为 5 A的保护装置小很多，为牵引变电所运行安全带来隐患，对检修试验工作提出了更严格的要求。本文以石家庄供电段管内一起差动保护装置误动故障为例，对保护测控装置二次额定电流选择 1 A的不利因素进行分析和探讨，并从工程施工、设计等方面提出完善建议。

1 故障现象和处理措施

1.1 故障现象

2010年8月11日8时34分，京九线肃宁变电所1#主变压器（下文简称主变）差动保护装置发出“采样异常”告警信号，装置显示：A相差动电流为0.00 A，B相差动电流为0.00 A，C相差动电流为0.39 A。随后该装置“比率差动保护动作”，故障信号动作，最后装置发出“断路器跳闸失败”信号。故障报告显示故障数据见表1。

表1 肃宁变电所1#主变压器差动保护动作故障数据统计表单位：A

由于当时肃宁变电所 II回进线、2#主变压器（下文简称主变）系统处于运行状态，Ⅰ回进线1#主变系统处于热备用状态，因此差动保护装置误动作未影响接触网线路正常供电。

1.2 故障处理措施

变电检修人员查看1#主变差动保护装置报警、故障记录后，发现有6次采样异常报警和1次比率差动保护动作均是由于 1#主变差动保护装置 C相高压侧差电流造成。随即检修人员对1#主变差动保护装置二次C相回路进行检查，当检查到B相流互本体时（京九线北京局管内牵引变电所主变采用V/v接线方式，其高压侧电源B相为公共相，而差动保护装置程序设计默认C相为公共相，因此B、C相流互二次回路在接入差动保护装置时进行了交叉），发现电缆基础地基下陷严重，二次电缆芯线已被拉至接线盒外，且其他设备电缆基础均有不同程度的沉降。待检修人员打开 B相流互接线盒后发现二次接线已严重受力，其中B431、N421、N411、备用芯线等绝缘由于受拉力破坏已产生绝缘破损和接地现象。检修人员立即采取措施：将电缆从基础土层中清理出来，使二次接线恢复松弛状态；将绝缘受伤的芯线进行绝缘防护处理；对芯线及地间进行绝缘测试正常；并对电缆基础进行初步的防沉降处理，使 B相流互二次电缆恢复安全状态。

为检验该差动保护装置（型号：DK3530A）是否正常，检修人员利用微机保护测试仪对1#主变差动保护装置进行了主要项目的试验，测试数据见表2。由试验数据可以看出该装置动作正常。

表2 DK3530A装置整定值与试验值比较表

2 差动保护装置误动作原因分析

经分析，该差动保护装置动作原因如下：

（1）京九线部分牵引变电所施工工期短，且又有高填方地基，变电所设备基础没有经过自然沉降或人工逐层夯实，没有按照《客货共线铁路电力牵引供电工程施工技术指南》（TZ 10208-2008）中第4.2.8条“当牵引变电所基础位于尚未沉实的土层上时，应将基础坑底挖至原土表面0.5 m以下，然后夯实并砌筑垫层至基础底面设计高程处。”的规定进行施工。铺设电缆时地基未进行夯实处理，施工完毕仅地面表层进行灰土捣固并铺设碎石子，雨季下雨积水导致地基连同电缆下沉，电缆下沉中将电缆芯线拉出并破坏其绝缘层，使差动保护二次回路发生多点接地现象。

如图1所示，正常情况下，按照《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）中第4.8.9条规定，在差动保护二次回路中，110 kV和27.5 kV流互二次接线须在控制室保护测控盘端子排上进行单点接地。现场B431线在高压区发生F点非正常接地且N431在控制室保护测控盘D点保护接地。在牵引变电所内由于瞬变电流、泄漏电流和地回流的影响，地电位不一定为0 V，因此地网中的各点往往存在电位差。由于2处接地点会产生不同的接地电位，加之地线形成环路，使芯线中产生干扰电流流过差动保护装置C相线圈，当电流达到0.37 A且持续延时达到5 s后发出“采样异常”告警信号，当电流达到0.44 A时，差动保护装置无延时动作出口，启动相应开关跳闸并发出故障信号。据不完全统计，目前已开通的石太客运专线和京九线牵引变电所由于基础沉降导致电缆芯线绝缘降低或接地，造成主变断路器跳闸故障有4次，累计停电延时28 min，严重影响了铁路正常的运输秩序。

图1 差动保护装置接线示意图

（2）设计选型未结合实际情况，使保护测控装置抗干扰能力减弱。根据京九线施工设计，牵引变电所综合自动化装置二次额定电流为1 A，相应一次设备流互二次额定电流为1 A。肃宁变电所主变选型为S-QY-25 000+20 000/110 V/v接线，容量为（25+20）MV·A；110 kV 流互设计选型为LRGBJ-110，变比为400∶1，保护线圈准确度等级：10P；变压器低压侧 27.5 kV断路器选型为ZN12-27.5B，小车流互型号LZZB-27.5B，变比为1 200∶1，保护线圈准确度等级为10P。

保护装置定值如表3所示，由于京九线肃宁变电所 110 kV和 27.5 kV流互二次额定电流均为1 A，即高压侧流互变比为400∶1，低压侧流互变比为1 200∶1。经过整定计算，保护装置定值普遍较小，如肃宁所比率差动保护整定值仅为0.28，0.23和0.44 A。整定值的减小，导致保护装置抗干扰、抗保护误动的能力减弱，增加了保护装置对电磁干扰的敏感度。因此有前述 B相流互二次电缆芯线绝缘破坏时差动保护装置C相线圈流过0.44 A的非正常电流，致使差动保护装置误动作。

表3 肃宁变电所和衡水变电所保护整定值对比表

3 综合自动化装置二次额定电流的选择

3.1 对保护定值影响的对比分析

表3是肃宁变电所和衡水变电所相应保护整定值的对比关系表，其中后者保护装置和一次设备流互二次额定电流均为5 A，可以看出在变压器容量相同的情况下，前者保护整定电流要远小于后者。由于额定电流 1 A的保护装置保护整定值偏小，在电缆芯线出现多点接地，而装置抗干扰能力又弱时，易发生保护装置误动现象。

3.2 对运行安全的影响

（1）增加了流互二次开路电压。电流互感器的磁势平衡方程式：

综合自动化保护装置二次额定电流选择 1 A后，相关的流互二次额定电流也选择为1 A。流互在一次绕组通有电流的情况下，如二次绕组开路，则由于二次反磁势不存在，一次磁势将全部变成励磁磁势，铁心急剧饱和，磁通波形畸变为矩形波。由于二次绕组感应电动势与磁通变化率dΦ/dt成正比，因此在一个周波内磁通过零瞬间即由正到负或由负到正时，二次绕组将感应产生很高的尖顶波电势，对于大变比（如馈线流互变比为1 200∶1）的流互其数值可达数千伏以上，因此从降低流互二次开路电压的角度考虑，设备的二次额定电流选择5 A更有利于运行安全。

（2）增大了保护装置误动的几率。例如前述肃宁变电所差动保护装置误动现象，若二次额定电流为5 A，保护定值整定为3.8 A，则0.44 A的非正常电流不会引起差动保护装置误动。因此从预防保护装置误动的角度考虑，额定电流5 A的装置更适应牵引变电所。

3.3 对计量仪表的影响

在牵引变电所中，综合自动化装置二次额定电流选择1 A后，流互变比增大，由于各种外部电磁干扰的存在，使得保护测控装置中电流变换器的输入/输出端电量实际并不为 0，另外加上 A/D集成元器件的零漂影响，使得保护测控装置在备用状态时仍检测到电流的存在。图 2为霸州变电所 23B馈线保护测控装置在备用状态下检测到4.8 A（流互变比1 200∶1，二次电流0.004 A）的电流波形曲线。

图2 备用状态下流互4.8 A电流波形图

3.4 对测试仪器的影响

综合自动化装置二次额定电流选用1 A后，对保护测试仪的精度要求更加严格。额定电流为5 A的保护测控装置测量电流要求误差为±0.2%，电流测量范围为0.1IN～2IN，当二次电流为0.5 A时，误差应小于等于0.001 A；额定电流为1 A的保护测控装置测量电流误差和测量范围同前者，当二次电流为0.1 A时，误差应小于等于0.000 2 A（即0.2 mA）；可见后者对保护测试仪的精度要求更高。因此靠指针式仪表指示的传统仪表测试仪就无法满足测量要求，必须采用精度达0.1 mA的数字式测试仪才能满足测试精度要求。

4 整改措施及建议

4.1 设备基础

（1）对京九线所有设备基础下降的变电所亭进行基础夯实整治。具体做法：将有沉降的电缆及电缆护管挖开并移开原来位置，然后将电缆位置的基础用三七灰土逐层垫起并进行夯实，再将电缆经电缆护管埋设到原来位置，其中埋设于土层中的电缆护管与设备混凝土支柱侧的电缆护管焊接牢固，并在支柱上用抱箍固定，防止发生类似故障。

（2）当变电所基础地面位于尚未沉实的土层上时，明确当电缆采用直埋或电缆护管埋设在土层中时，应采取措施防止电缆和电缆护管发生沉降。

4.2 施工设计

在使用电磁式互感器的牵引变电所中设计综合自动化系统时，应谨慎选择二次额定电流1 A的保护测控装置和一次高压设备，优先选用二次额定电流为5 A的设备，提高保护测控装置抗干扰的能力，避免保护测控装置发生误动现象。

条件允许时应考虑采用先进的数字化变电站设备，例如：电子式互感器。电子式互感器目前已经有成熟可靠的运行产品，它由串行感应分压器、电磁感应原理的Rogowski线圈、分流器、采集器、光柱、合并器等组成，其中采集器将模拟信号就地转换成数字信号。互感器的采集器与保护测控装置合并器间的数字信号传输及激光电源的能量传输全部通过光纤来进行。它有利于新型保护原理的实现及提高保护性能，有望解决牵引变电所差动保护谐波制动效果差、差动保护误动的问题。