京沪高铁10 kV配电所避雷器烧毁分析及改进措施

张玉平



京沪高铁10 kV配电所避雷器烧毁分析及改进措施

张玉平

依据京沪高铁固镇10 kV配电所避雷器故障的故障报文、事件记录、运行曲线信息，进行故障分析并提出改进措施，可供铁路供电维护单位参考。

避雷器；故障；原因；措施

0 引言

京沪高铁固镇10 kV配电所楼固线地方电源引自地方楼东110/10 kV变电站，线路全长 12.05 km，其中架空线路6.142 km，直埋电缆 5.9 km。架空线路较长，跨越城区、乡村、田野等复杂区段，大风雷雨天气下经常发生线间和对地短路故障。

2017年5月5日，固镇配电所楼固线电源进线及计量柜（西门子NXPLUS C型）故障，开关柜气室烧穿，开关柜高低压和控制电缆、电缆终端头、避雷器、计量表烧毁，并造成配电所楼固线侧高低压设备SCADA通信全部中断。

本文综合分析配电所故障信息，还原故障情景，进行故障影响因素分析并提出改进措施。

1 故障概况

1.1 故障经过

2017年5月5日17：34，蚌埠维管段调度接到铁路局供电调度通知，固镇10 kV配电所楼固线侧设备故障，进线及计量柜气体压力异常告警，电调台与配电所楼固线侧高低压设备远动通信中断，无法监视、控制电力设备。供电调度通过远动倒闸由电源二带全所负荷运行。

18：10，工区人员前往现场确认，固镇配电所进线及计量柜电缆仓盖板烧损，SF6气压表指示红色区域，楼固线侧所用变压器交流馈线开关断开，电缆仓内电缆头及避雷器烧损，通信交换机电源电缆烧损失电。

5月6日，抢修人员重新敷设交流盘至楼固线侧开关柜间电力电缆，交换机恢复用电，通信正常。

1.2 故障分析

固镇10 kV配电所楼固线侧一次主接线图（局部）见图1。

图1 固镇配电所楼固线侧主接线（局部）

正常运行时，10 kV外部电源经固镇配电所进线及计费N01柜引入I段母线，经电源N05柜向III段母线负荷供电，1011、1031、1051GK常闭。外部电源停电时，N05柜105DL失压跳闸，所用变压器一低压侧馈出停电。

固镇10 kV配电所开关柜故障通信管理机电源线烧损后，SCADA通信中断，综合自动化系统后台无开关动作及监测数据信息，但通过交流屏进线电源投切情况可辅助判断外部电源停送电情况，加以其他信息可大致还原事故情景。

1.3 报文和记录

继电保护装置故障报文和交流屏电源自动投切信息如下：

14：00：07：782，固镇配电所母线低压保护动作，动作信息：A相电流0.001 A，B相电流 0.002 A，C相电流0.002 A；A相电压1.270 V，B相电压3.385 V，C相电压2.245 V；零序电流 0.000 A。

14：00：08：898，固镇配电所进线低压保护动作，动作信息：A、B、C相电流均为0.000 A，A相电压0.166 V，B相电压0.104 V，C相电压0.103 V；零序电流0.000 A。

14：00：11：875，交流盘进线电源一开关FQ1分闸，交流屏进线母联开关FQ3合闸。

14：02：56：426，交流盘进线电源一开关FQ1合闸，交流屏进线母联开关FQ3分闸。

15：07：22：863，交流盘进线电源一开关FQ1分闸，交流屏进线母联开关FQ3合闸。

15：07：26，故障电源侧进线、馈线、调压器、无功补偿等7个保护装置通信中断。

15：56：54：673，交流盘进线电源一开关FQ1合闸，交流屏进线母联开关FQ3分闸。

16：03：02：618，N01进线及计量柜SF6欠压报警。

17：30：33：212，交流盘进线电源一开关FQ1分闸，交流屏进线母联开关QF3合闸。

1.4 故障还原

查阅电源进线负荷曲线和开关动作记录，确认14：00楼固线外部电源停电；查阅故障侧交流屏电源开关动作情况，确认14：02故障侧外部电源恢复，15：07故障侧电源停电，固镇所楼固侧通信中断，15：56故障侧电源恢复，17：30故障侧电源停电。

查阅继电保护装置进线电压监测数据，15：07起，1 min电压采样查询数据保持在10.1 kV不再变化。查询SOE事件记录，15：07起，故障侧运行数据通信中断。15：56故障侧电源恢复，通信依旧中断。SOE事件记录显示，16：03，N01进线及计量柜SF6气体欠压。

综上认为，5月5日14：00，固镇配电所楼固线10 kV地方电源故障失电，14：02外部电源恢复，15：07停电，15：07起通信交换机失电导致通信中断，此时进线及计量柜低压间已经起火，导致电力电缆烧损，供电中断。15：56电源恢复，16：03进线及计量柜SF6欠压告警，此时气室应已烧损。17：30进线电源停电。电缆仓内避雷器故障时间在14：02～15：07之间。

2 故障现象分析

固镇配电所进线及计量柜采用欧式肘型插拔电缆头和后插式避雷器，对比设备烧损情况，发现C相避雷器（型号CJBKP10）的烧损程度较另外两相严重，C相左侧的柜体铁板烧损严重，判断故障源头为C相避雷器，燃烧蔓延至A、B相，高温引燃低压间电力、控制电缆和通信网线。

查阅故障前固镇配电所进线电源A/B/C相相电压波形图，A相最小相电压为0.00 V，发生时刻14：02；B相最大相电压为9.86 kV，发生时刻13：29；C相最大相电压为10.37 kV，发生时刻13：05，符合三角接线中性点不接地系统单相接地故障特性，第一次接地发生至避雷器烧损时间间隔不少于57 min。

3 故障影响因素分析

3.1 避雷器选型

避雷器为吉熙安硅橡胶预制后插式避雷器，无串联间隙，型号为CJBKP10-630，额定电压15 kV，直流1 mA下参考电压24 kV，2 ms方波通流 150 A，符合使用要求。

3.2 避雷器产品质量

避雷器发生故障前最近一次预防性试验日期为2016年10月9日，试验数据如表1所示。

表1 固镇配电所避雷器故障前试验数据

以上参数均符合标准要求，说明试验时避雷器性能良好。

3.3 避雷器安装质量

故障发生前，2017年4月23日进行了避雷器接地电阻测试，接地电阻值为0.025W，接地良好。烧损后接地线仍连接牢靠。

3.4 避雷器阀片老化

相关研究表明，110 kV避雷器抗冲击阈值约为1 500次，35 kV氧化锌避雷器抗冲击阈值约为850次。10 kV避雷器无抗冲击阈值研究数据，但次数更少。

架空线路可恢复接地故障，其瞬态过电压可导致弧光过电压和系统谐振，一般认为弧光过电压可达到额定电压值的3～4倍，系统谐振时电压叠加峰值较大，谐振过电压及弧光过电压均对避雷器阀片造成冲击，阀片绝缘性能降低，温度升高，长期运行导致烧损。

综上，该故障与设备选型、设备质量、安装质量无明显联系，外部电源暂态接地故障、弧光过电压及谐振过电压加速了阀片绝缘劣化，电效应和热效应导致避雷器炸裂。

4 预防措施

（1）改善避雷器性能参数。GIS柜伏—秒特性较平坦，无电晕，无间隙，避雷器陡坡响应好，陡坡残压降低对GIS保护有利，高铁均采用无串联间隙避雷器。相关研究表明，无串联间隙避雷器在放电试验中流过避雷器的电流很小，大多数情况下甚至无电流。依据《交流系统用复合外套无间隙金属氧化物避雷器》（JB/T 8952-2005），避雷器额定电压为17 kV，持续运行电压不小于13.6 kV，直流1 mA下参考电压为25 kV。

（2）避雷器运行状态监测。装设避雷器在线监测装置，通过记录避雷器动作次数及泄漏电流情况（在0.75倍直流参考电压下，通过避雷器的泄漏电流一般不超过50 μA）判断避雷器劣化状况，便于提前更换，预防故障。

（3）增加电源缺相故障预警。接入进线电源电压互感器次边开口三角形绕组，通过继电保护装置低压减载保护功能，上传告警信息至综合自动化系统后台及供电调度，及时反映外部电源缺相故障情况。

（4）改用阻燃电缆。高铁设计规范要求选用阻燃型电力电缆，运营线可结合技术改造大修情况，在关键部位安排线缆更换，避免火势蔓延中断临近设备供电。低压电缆一般选用ZR-KVV22型。

（5）开关柜设备间隔防火补强。开关柜一、二次设备间补强防火隔离措施，避免火势蔓延。

（6）加强调度协调风险联控。设备维护单位及时掌握设备运行异常信息，检查设备状态，建议供电调度调整运行方式安排检修试验。

5 结语

京沪高铁固镇10 kV配电所避雷器烧损事故具有代表性，分析故障综合信息，可还原故障，方便事故分析决策。电源线暂态接地故障、弧光过电压和谐振过电压加速了避雷器阀片老化，绝缘降低导致烧损。通过改善避雷器性能、运行状态监测、电源缺相故障预警、改用阻燃电缆、设备间隔防火补强、加强风险联控等措施，可避免类似设备故障，减小事故影响，降低经济损失。

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The fault analysis is executed on the basis of fault messages, event logging, operation curves of lightning arrestors in Guzhen 10 kV distribution substation on Beijing-Shanghai high speed railway, and the measures for improvement are put forward accordingly, providing references for railway power supply maintenance departments.

Lightning arrestor; fault; cause; measure

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.03.025

U226.7

B

1007-936X(2018)03-0081-03

2017-08-15

张玉平.中铁电气化局集团有限公司京沪高铁维护管理公司，工程师。