西安地铁直流系统跳闸事件分析
2015-12-24张美
西安地铁直流系统跳闸事件分析
张美
(西安地下铁道有限责任公司运营分公司，陕西 西安 710016)
摘要：通过介绍西安地铁直流系统的一系列故障并提出处理方法，指出设计缺陷，针对后续线路的电缆敷设给出防范措施，为设备人员后续检修及故障处理提供了参考。
关键词：直流系统；跳闸；保护动作；故障处理
收稿日期:2015-05-12
作者简介：张美(1986—)，女，陕西西安人，助理工程师，从事供电研究工作。
1现象
8月25日下午，渭河车辆段牵混所控制室内信号盘下侧突然发出“噗噗”声，并伴有冒烟和火花，随即整流机组35 kV馈线开关106、107，直流进线开关201、202及直流馈线断路器同时跳闸。同时，值班员迅速断开交流屏两路进线开关。跳闸时，在试车线上网隔离开关附近的人员观察到，上网隔离开关(2111隔开)操作箱中有烟和火花冒出，此时试车线上有客车正在调试。
2故障详情
(1) 控制信号盘后方下侧烧灼情况较为严重，控制信号盘到2111隔开(试车线上网隔开)的控制电缆在电缆进入控制柜处烧断，灼烧情况如图1所示。
图1 控制信号盘下部二次电缆烧灼情况
(2) 试车线上网隔离开关2111操作箱下方及箱内的控制电缆均有严重的烧灼现象，个别线芯已经断裂。
(3) 35 kV馈线开关106、107，直流进线柜201、202及直流馈线柜均已跳闸。
3保护动作情况
(1) 负极柜FP框架泄漏电流元件动作：负极柜内电流型框架保护继电器动作，会造成全所直流牵引系统跳闸并闭锁，其动作值为80 A，并需要对电流继电器本体进行复归。
(2) 整流器柜面板显示屏显示整流器桥臂逆流保护动作，后台显示106、107直流柜逆流保护跳闸：导致35 kV断路器106、107跳闸。
(3) 整流变温控器故障报警。
(4) 211 DDL-Delta-Ⅰ动作：通过对直流馈线柜211断路器DDL-Delta-Ⅰ故障信息的提取，故障时最大峰值电流为5 527 A，时间23 ms。在直流馈线柜211断路器灭弧栅内可见明显的灭弧痕迹。
(5) 整流器温控器超温报警，超温跳闸：整流器温控器报告100 ℃超温报警及130 ℃超温跳闸信号，导致106、107断路器无法成功合闸。
4原因分析及故障处理
4.1211 DDL-Delta-Ⅰ动作
4.1.1 故障原因
首先对直流馈线柜211的DDL-Delta-Ⅰ故障信息进行分析，怀疑为直流电缆故障，故针对211开关的馈线电缆进行绝缘电阻测量，发现直流馈线柜211开关三根馈线电缆中的一根绝缘电阻摇不上去，可能存在短路情况。通过对电缆故障的测试和定位发现，电缆短路点位于试车线上网2111隔离开关所在支柱的下方，如图2所示。
图2 电缆故障位置
随后对电缆故障点进行了挖掘。检查发现故障点1 500 V电缆与控制电缆相搭接，1 500 V电缆击穿，控制电缆已被烧断。进一步检查分析发现1 500 V直流电缆由于受到锐器划伤绝缘强度降低，从而造成电缆的对地短路及对相接触控制电缆的短路。在短路点处一次故障电流通过控制电缆一方面流向控制信号盘，一方面流到2111隔开操作箱，并通过设备壳体接地线流入大地回流，因此造成控制信号盘和隔开操作箱处控制电缆烧灼。经分析确定此为造成211 DDL-Delta-Ⅰ动作的原因。
4.1.2 故障处理
更换了故障控制电缆；对1 500 V直流馈线电缆故障处进行了切割，做电缆中间接头，并进行了绝缘和耐压试验，然后将高压电缆和控制电缆分开布置，用软土覆盖。
4.2整流器柜面板显示屏显示整流器桥臂逆流保护动作，后台显示106、107直流柜逆流保护跳闸
4.2.1 故障原因
检查发现2号整流器逆流保护单元和通讯模块故障，分析后确定为直流一次电流沿2111隔开控制电缆金属铠装进入变电所接地系统，大电流通过PLC接地端引入元器件，从而造成2号整流器逆流保护单元及通讯模块损坏，整流器误发出逆流保护信号，联跳35 kV GIS的106、107断路器。
4.2.2 故障处理
更换了2号整流器逆流保护单元和通讯模块，故障复归后设备保护模块显示正常，保护装置与SCADA系统的通讯显示正常。
4.3整流变温控器故障报警
现场检查后发现整流变温控器无异常现象。经分析认为，故障发生后，值班人员为防止事故扩大采取切断了交流屏进线电源220 V交流电，导致温控器失电而发生报警。恢复220 V交流电源后故障消失。
4.4整流器温控器超温报警，超温跳闸
4.4.1 故障原因
试送电过程中整流器发生直流牵引系统高温跳闸，通过实时温度测量，温度正常，确认属于误报。为检验整流变压器及整流器工作情况，在拆除整流器温控器二次信号输出线的情况下，整流机组空载运行了24 h。该故障经分析认为有3种可能原因：一是温控器在本次故障中受过流影响损坏，二是温度传感器探头损坏，三是合闸过程中的交流电磁干扰导致温控器内继电器误动作。进一步检查发现，在温度传感器探头上直接加热时温控器正常发送报警和跳闸信号，同时温控器在整流器无35 kV输入时报设备运行正常，因此受到干扰的因素应为主因。
4.4.2 故障处理
首先更换了温控器控制单元，试送电中106、107合闸瞬间即刻又分断；接着检查温度传感器探头，发现2号整流器温度传感器探头外陶瓷损坏，正常情况下PT100温度传感器探头电阻应为110 Ω，而其电阻为130 Ω，根据温升电阻特性其已经具备输出超温跳闸信号的条件，对其更换后试送电再次跳闸；最后通过修改PLC内部程序增加软件抗干扰单元，即使PLC超温跳闸信号输出躲过送电时温控器继电器误动作信号。
4.5负极柜FP框架泄漏电流元件动作
现场情况：短路点处距钢轨4 m左右，距设备接地扁钢也仅有6 m左右，同时由于受大雨影响土壤环境潮湿，导电性较好，检查中还发现直流开关柜框架的对地绝缘电阻较低，只有0.2 MΩ，排查后发现端子柜下方有接地现象。结合短路电流回流路径(图3)进行分析，认为回流路径主要有A、B、C 3条，A是1 500 V直流电缆直接通过大地回流附近钢轨；B是短路电流流入控制电缆，一部分电流通过隔离开关外壳流入接地系统，另一部分则通过变电所控制信号盘控制电缆铠装层接地端流入接地系统，最后通过接地系统回流钢轨；C是故障电流直接流入附近的接地扁钢，由于直流开关柜框架通过一电流元件与接地系统相接且框架绝缘不好，则故障电流通过接地系统流入框架，再通过框架绝缘较低处流回钢轨。进一步进行数据分析可知，A、B两条路径的回流电阻相似，可视为相同的R，由于大地潮湿回流性能较好，则R即可视为钢轨对地绝缘电阻加上大地电阻，距离较近时可忽略；杂散电流防护要求新线钢轨对地绝缘电阻不得低于15 Ω·km，假设回流电流在钢轨2 m范围内(回流范围增大则钢轨回流电阻减小，但大地回流电阻增加)，那么钢轨对地电阻为15/0.002=7 500 Ω。可以得到C路径的回流电流为(200 000+7 500)I=(5 427-I)×7 500/2，最终得到回流电流即流经框架电流元件的电流为96 A，可导致电流型框架保护动作。
图3 短路电流回流路径示意图
5总结及建议
(1) 由于采用无金属铠装的直流高压电缆，绝缘层耐受外力的强度较差，且电缆隐性故障不易暴露，因此建议选用带金属铠装的直流高压电缆，以提高电缆抗外力的强度和电缆绝缘测量的准确性。
(2) 可在上网隔开下方电缆预留处设置电缆井放置电缆，并将高压电缆和控制电缆分开敷设。
(3) 对于设备的各保护模块，尽量选用抗外部干扰较强的控制保护装置，并增加软件抗干扰单元，今后如有必要可更换抗干扰能力更强的整流器温控器。
(4) 由于直流系统框架对地绝缘较差引起的设备故障较多，且不易排查，因此建议对直流系统框架底座进行彻底清理，清除绝缘螺栓孔中的金属碎屑，以防止直流系统框架多点接地。
(5) 加强全线直流开关柜框架绝缘的安装、试验及检查，保证框架绝缘满足1 000 V/1 MΩ的标准。
6结语
本次故障中电缆短路同时导致整流器内部元件烧毁、温控器误动作等状况，表明设备在设计中还存在很多不足与缺陷，因此对运行中设备状况的检查必须抓住问题不放过，深入分析，协同厂家与施工单位落实整改，确保设备隐患及早解决。同时在设备招标阶段及时介入，提出需求，防止类似问题再次发生。我们要通过高强度的故障演练使变电员工熟悉设备故障状态、操作方法及处理方案；并在演练的基础上，通过技术比武的手段提高技术人员对突发故障的应变和快速分析出故障原因的能力，建立起一支素质过硬的技术队伍，保证供电系统的稳定可靠运行。
[参考文献]
[1]缪自强，余正海.变电运行事故分析及处理[M].北京：中国电力出版社，2004.
[2] 刘玥.直流系统运行与维护[J].黑龙江科技信息，2010(21) .
[3] 严璋，朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京：中国电力出版社，2002.
