牵引变电所回流对邻近配电室馈出线保护的影响及预防

李彦吉

（北京铁路局 石家庄供电段，河北石家庄050000）

牵引变电所回流对邻近配电室馈出线保护的影响及预防

李彦吉

（北京铁路局 石家庄供电段，河北石家庄050000）

通过对京广高速铁路牵引变电所内高压设备发生接地故障或接触网跳闸时、引起相邻或线路上配电室馈出线（综合贯通、一级贯通）零序过电流保护误动跳闸问题的分析，提出了设计阶段应该统筹考虑保护的配合、运营阶段应实测配电室可能出现最大零序电流对整定值进行修订以提高单相接地故障时零序过电流保护的灵敏度，简述了现场应用效果。

短路电流；配电室；零序过电流保护；误动作

高速铁路牵引供电系统变电所采用了220 k V或者更高电压等级的外电源系统、随着系统短路容量的加大，巨大的牵引短路电流通过各专业共同使用的综合接地系统，静电和电磁感应对周围10 k V配电和信号系统产生了一定的影响。

1 现状调查

京广高速铁路试运营、开通后的一年内，因为牵引供电系统的跳闸，先后多次、多地影响了10 k V配电系统的供电。

1.1 牵引变电所进线系统接地故障引起配电室零序过电流保护误动

2012年10月9日邯郸东变电所220 k V侧电流互感器B相烧毁爆炸，主变压器差动保护动作跳闸，同一时间邯郸东配电室262开关零序过电流保护动作跳闸，造成邯安区间（邯郸—安阳）一级贯通线路停电，故障报告如表1。

表1 邯郸东配电室262跳闸故障报告

1.2 牵引变电所馈线系统接地故障引起配电室零序过电流保护误动

2012年8月7日邯郸东变电所由于T线高压电缆故障造成214开关跳闸，T线故障电流12 361 A，同一时间邯郸东配电室272开关零序过电流保护动作跳闸，造成邯安区间综合贯通线路停电，故障报告如表2。

表2 邯郸东配电室272跳闸故障报告

1.3 接触网跳闸重合失败引起配电室零序过电流保护误动

2012年10月11日进行京广高速铁路高邑西—邢台东区间接触网短路试验，故障区段位于AT所至分区所段、永久性接地，高邑西变电所214断路器跳闸时高邑西配电室运行正常，在重合闸失败的瞬间高邑西配电室262开关零序过电流保护动作跳闸，造成高邢区间（高邑—邢台）一级贯通线路停电，故障报告如表3。

表3 高邑西配电室262跳闸故障报告

1.4 直供方式下接触网跳闸引起配电室零序过电流保护误动

2012年10月11日进行京广高速铁路高邑西—邢台东区间接触网短路试验，故障区段位于AT所至分区所段（接近供电臂末端），将线路上的AT全部退出运行，也就是直供方式下的永久性接地，高邑西变电所213断路器跳闸瞬间高邑西配电室262开关零序过电流保护动作跳闸，造成高邢区间一级贯通线路停电，故障报告如表4。

表4 高邑西配电室262跳闸故障报告

2 原因分析

从以上2个配电室4次跳闸情况来看，一级（综合）贯通零序过电流保护的误动与牵引供电系统的接地跳闸有着直接的关系，上述条款1.1，1.2，1.4为变电所跳闸的同时，1.3为接触网重合闸失败的同时。

2.1 近端短路引起地网电位升高

邯郸东变电所与邯郸东配电室为合建所，二者共用同一栋楼房、1楼为牵引变电所控制室、高压室以及配电室贯通母段的小电阻接地装置（600 A/10Ω），3楼为配电室的控制室与高压室，室外为牵引变电所的220 k V进线和主变压器设备区，所有高压设备共用同一接地网、实测接地电阻0.22Ω。

从表1中母线侧、线路侧电压Uab、Uca和表2中Uca的变化可以看出：在有短路电流流经地网时，接地网电位升高以致贯通调压器中性点发生了漂移，三相电压不平衡，产生零序电流，引起零序过电流保护动作，断路器跳闸。

2.2 牵引回流增加引起地网电位升高

京广高铁变电所正常运行时，采用AT供电方式，因为F线的存在、长回路内由于T线、F线电流相等、方向相反且为负载电流的一半，对外界产生的影响互相抵消。在变电所出口端不设自耦变压器的AT供电方式下，只要在AT所间或AT所与分区所之间不论发生T或F线接地故障，对于长回路来说，对外界的干扰值为零。但是在以下两种情况下，牵引供电系统对外界的影响是不能忽略的。

（1）变电所近端负荷

由于变电所出口处省略了AT，在近端（变电所的第一个AT所间）出现负载时，有相当一部分电流通过钢轨、PW线和大地流回变电所，通过在邯郸东变电所的实地测量，地中电流占到总回流的67%左右，比如观测到总回流742 A、此时地中电流达到499 A，较大的地回流也有可能引起地网电位的升高。文献［1］研究表明电力机车向变电所行进时，地网电位会冲击性地抬升，因其形成的地回流值相对较小、对邻近10 k V系统影响有限，在地网接地电阻合格的情况下、尚未见到由此引起的非正常跳闸。

（2）线路上AT解列时

京广高速铁路采用了全并联的AT供电方式，正常情况下接触网上下行并联供电，遇有故障时变电所馈线上下行开关同时动作跳闸、线路上AT所、分区所失压保护动作跳闸、AT退出运行，2s后变电所重合闸、若为瞬时性故障变电所重合成功，AT所、分区所检有压合闸投入AT、恢复全并联的AT供电方式；若为永久性故障变电所馈线重合失败，后加速动作瞬时跳闸，AT所、分区所将因线路无压不动作合闸。也就是说，在变电所跳闸后重合闸时、实际上是直接供电方式，若变电所重合失败时，接触网的短路电流将全部通过钢轨、PW线和大地流回变电所，较大的短路电流可能引起变电所地网电位的升高。

另外，在变更为直接供电方式时，因没有回流线，正常的负荷电流全部通过钢轨、PW线和大地流回变电所，据观测一列动车的负荷电流能达到1 100 A，如此大的负荷电流也能够引起地网电位的升高。

以上两种方式下牵引回流对10 k V馈线的影响需要运行中观察、确认。

2.3 感应电流

表2、表3中，零序过电流保护动作时，母线、线路的电压并没有发生变化，说明不是由于中性点漂移产生的零序电流。

单相工频牵引网对周围其他线路的影响包括静电感应和电磁感应两个方面，文献［2］对以上两种影响有详细的阐述。接触网正常供电、短路接地、重合闸、AT解列等状态以及几种状态转换过程中将产生不容忽视的感应电流。由于贯通线路与接触网并行距离长（能到达40～60 km），从实测数据来看、感应电流的影响要远高于地网电位升高产生的零序电流的影响。

3 解决方案

针对上述存在的问题，笔者以为在设计、运营阶段应该采取不同的应对措施。

3.1 设计阶段综合考虑各专业的影响

（1）设置零序过电流保护的动作延时

京广高速铁路配电室一级（综合）贯通零序电流是通过在套馈出线电缆上的零序电流互感器获得，由其启动的零序过电流保护动作延时为零，即保护不带时限。考虑到零序过电流保护误动只是发生在牵引变电所故障重合闸失败或所内接地的情况下，如果重合闸动作不成功，变电所馈线保护后加速启动，断路器瞬间跳闸。因此，可设置零序过电流保护的动作延时以躲过重合闸的动作时间，理论上躲过断路器的固有分闸动作时间即可。牵引变电所内断路器采用ABB公司生产的ZX1.5－R型高压柜，现场测试断路器的固有分闸时间为32 ms左右；在变电所馈线接地（如高压电缆）馈线保护距离I段动作时间为100 ms、差动保护亦为瞬时动作。

为避免上述故障时引起的零序过电流误动作、设计阶段可考虑增加动作延时的方案，比如按最大动作时间100 ms、加上断路器固有动作时间32 ms和测控装置判断时间，考虑到贯通线路单相接地时保护动作的快速性，该时间不能无限制延长，宜保持在200～500 ms。

10 k V配电室贯通母段经调压隔离变压器引出，与电源母段是相对独立的系统，且两个母段的运行方式不同，电源母段采用小电流接地系统，零序过电流保护只动作于报警，而贯通母段采用大电流接地系统，零序过电流保护动作于跳闸，因此增加保护的动作延时，也不会影响电源母段安全运行。

（2）适当提高零序过电流保护定值

配电室一级（综合）贯通零序过电流保护的整定值为0.1 A，零序电流互感器变比为50/1，折算到一次侧为0.1×50＝5 A，即零序过电流保护动作的一次整定值为5 A。

（3）零序过电流保护整定计算［3］

为了提高线路发生过渡电阻接地故障时保护动作的灵敏性，又保证保护在线路正常运行时不发生误动，应根据实际情况计算出每条馈线的电容电流，零序过流保护的整定值只需躲过其他线路发生金属性接地时，本线路所供出的电容电流就完全可以了。

据现场调查了解京广高速贯通线路采用型号为YLV22－8.7/10 k V的单芯全电缆线路，电缆截面为70 mm2，供电臂长度l约为60 km，电缆电容（导体与外皮之间）为C1＝0.22μF/km，通过以上参数计算非故障线路的电容电流（不考虑相间电容）为：

Krel为可靠系数，取1.5，这样零序过电流保护整定值应为

折算到二次值为：36.75/50＝0.735 A

虽然考虑到线路电抗器补偿的情况下，零序保护的整定值可以适当减小，增加零序保护的灵敏度，但相对于现定值0.1 A（二次值）仍有较大的提高余量。

3.2 运营中实测零序电流

运营阶段在变电所出线端短路接地时能够检测到由于地网电位的升高、中性点漂移产生的零序电流；在接触网跳闸重合失败时，同样能够检测到AT解列、供电方式转化为直接供电方式时，在贯通线路上由于静电感应、电磁感应产生的零序电流，运行中可以通过上述两种供电方式的实测值来校核零序过电流保护整定计算值，取较小者作为准确的运营定值、以进一步提高零序过电流保护的灵敏性。

4 结束语

2013年1月试验性地将邢台东配电室零序过电流整定值修改为0.3 A（折算到一次侧为15 A），在2月3日邢台东变电所213跳闸重合失败时，配电室零序过电流保护未启动跳闸，说明通过提高电流整定值来预防零序过电流保护误动的方案是可行的。

2013年3月经与设计院沟通，石家庄供电段统一将高邑西、邢台东、邯郸东配电室一级（综合）贯通整定值调整为0.3 A/5 s，5个月来先后经历了高邑西、邢台东变电所220 k V电流互感器爆炸、多次恶劣天气接触网跳闸重合失败等故障的考验，配电室未再次出现零序过电流保护误动问题，说明措施是可行而且正确的。期间模拟了电力线路单相接地故障、零序过电流保护均能准确动作，对既有配电室的运行是没有影响的。

上述零序过电流整定方式是参考地方供电系统和对京广高速铁路实地测试而确定的方案、在没有电抗器补偿、非电缆线路、三芯电缆线路其值将有较大的变化，需要根据运营需要进行整定和完善。

参考文献

［1］ 贾秀芬，等.牵引变电所地返回电流及接地网电位抬升研究［J］.电力系统保护与控制，2012，（10）：121-124，131.

［2］ 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统第二版［M］.成都：西南交通大学出版社，2007.

［3］ 刘学军.继电保护原理［M］.北京：中国电力出版社，2004.

Analysis and Prevention of Protective System False Action for Switch Room Feeder Because Traction Substation Return Current

LI Yanji
（Shijiazhuang Power Supply Depot，Beijing Railway Bureau，Shijiazhuang 050000 Hebei，China）

By analyzing the false operation of the feeder zero sequence current protection in switch room when traction substation or contact line bring earth fault in Beijing－Guangzhou high-speed railway，Introduces design phase should calculate protective match and operating phase should measure the zero sequence current，amends setting value for enhance sensitivity of zero sequence current protection in one-phase short-circuit，describes the applied circumstance.

short-circuit current；switch room；zero sequence current protection；false action

U224.2＋6

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.29

1008－7842（2014）01－0129－04

4—）男，高级工程师（

2013－08－22）