京沪高铁德州东牵引变电所一起雷击故障的分析

李 瑞，肖世辉，王军博

（中铁电气化局 工程师 天津 300380）

1 背景介绍

京沪高铁德州牵引变电所承担着为京沪高铁正线（里程为k289—k340）的供电任务。德州牵引变电所主接线形式如图1所示。

图1 德州东牵引变电所主接线形式示意图

德州东牵引变电所结构设备包括主变压器接线方式为VX形式，单台变压器容量为50MVA，电压变换等级为220kv/2×27.5kv；高压侧CT（电流互感器）变比为1000/1，低压侧CT变比为2500/1；进线侧电压等级为220kv，馈线侧电压等级为2×27.5kv；微机保护装置型号为成都交大许继的TA21综合自动化系统。其接触网网上隔离开关接线分布如图2所示。

图2 德州东牵引变电所网上隔离开关分布示意图

2 故障情况

德州牵引变电所于2013年07月29日，13时07分1#主变低压侧201DL跳闸，13时52分2#主变低压侧202DL跳闸。天气情况为雷雨大风。

2.1第 1次跳闸主变201DL动作情况

1）13时07分36秒，α相过流元件动作，201断路器跳闸，IA=1008A，IB=971A，IC=41A，Iα=8288A，Iβ=358A，Uα=8.60KV,Uβ=27.83KV；

2）13时23分，远动断开212DL超时拒动；

3）13时27分，值班员手动断开212DL；

4）13时41分，变电所由1#、3#主变系统倒切至2#、4#主变系统运行。

2.2 第2次跳闸主变202DL动作情况

1）13时52分36秒，α相过流元件动作，202断路器跳闸，IA=1005A，IB=988A，IC=19A，Iα=8272A，Iβ=164A，Uα=8.67kv，Uβ=27.76kv；

2）13时59分，经确认K313+800km上行22#支柱AF线肩架悬式绝缘子折断，如图3所示。

3）14时06分，远动操作牵引变电所网上隔离开关（网隔）W02F，操作失败；

4）14时36分，打开W02F网隔，退出F线；

5）14时37分，变电所212T线恢复正常供电，F线退出运行。

图3 22#肩架绝缘子折断示意图

3 保护原理

3.1 距离保护动作特性及原理分别如图4、图5所示。

图4 距离保护动作特性

测量阻抗计算：

其中：VS、VC—基波电压正弦、余弦分量；

IS、IC—基波电流正弦、余弦分量；

R、X—测量电阻和电抗。

对于AT供电方式，电流为T线、F线电流差的一半，即：

电压U&为母线电压，阻抗：

图5 距离保护原理框图

3.2 电流速断保护原理如图6所示。

图6 电流速断保护原理框图

3.3 低电压启动过电流保护原理如图7所示。

图7 低电压启动过电流保护原理框图

3.4 电流增量保护原理如图8所示。

图8电流增量保护原理框图

3.5 主变低压侧低电压启动过电流保护原理如图9所示。

图9主变低压侧低电压启动过电流保护原理框图

4 故障分析

初步分析：2013年7月29日13时07分201断路器第一次越级跳闸的原因，是由于雷击造成德州东站22#正馈线绝缘子碎裂，正馈线F线瞬时形成接地短路点，馈线212DL拒动，馈线211DL保护未启动造成越级跳闸；13时52分202再次发生越级跳闸，原因为绝缘子击碎后未接地，后在雷雨和大风作用下正馈线F线与PW线距离不足放电，形成短路故障点，馈线212DL拒动，馈线211DL保护未启动，再次造成越级跳闸。

本次故障变电方面存在的主要问题有四个：一是馈线212DL保护为什么拒动？二是馈线211DL保护为什么未启动？三是主变低压侧201DL和202DL保护为什么会越级启动？四是网上隔离开关W02F为什么拒动？笔者就此逐一分析：

1）馈线212DL保护拒动的原因

一是馈线212DL保护装置CPU板损坏造成馈线保护拒动。现场检查馈线212DL保护装置告警灯常亮，内部保护板指示灯无显示。经分析原因是馈线212DL保护装置保护CPU板损坏，造成馈线保护装置失效，保护和测控功能失灵。

二是馈线212DL保护装置CPU板损坏。通过调阅保护装置动作记录和事件记录，馈线212DL最近一次跳闸了生在2013年1月20日，到此次事故发生时未再发生跳闸。通过对CPU板检查，发现保护板U8逻辑运算器有发热烧损迹象。初步分析为雷击原因造成开入回路过电压引起逻辑运算器烧损，造成CPU板故障。

2）馈线211DL保护未起动的原因

馈线211DL共设有距离保护、电流速断保护、低电压启动过电流保护、电流增量保护。根据故障线路长短，利用上下行电流比法来估算分析馈线211DL、212DL馈出电流大小，如图10所示。

图10 雷击故障及故障电流分布示意图

故障点发生在22#支柱处，公里标为K313+800，即馈线212DL距故障点公里标为1.756km，211DL离故障点绕过AT所后总距离为23.2km，距离比为13.21∶1。依照上下行电流分布原理，第一次跳闸211DL故障电流应为8280÷14.21≈582.69A（201DL、202DL二次跳闸α电流取平均值8280A）。

通过上下行电流分布原理和本次故障估算，馈线211DL故障电流约为582.69A。

一是馈线211DL电流速断保护未动作。故障发生前，馈线211DL和212DL处于全并联供电运行状态，故障点发生在k313+800处，当馈线212DL的接触网上的22#支柱F线绝缘子被击碎时，由于电流速断定值二次值为2.46A（一次值为6150A），582.69A小于保护动作电流值，根据原理框图6，可以得出电流速断保护不会动作。

二是馈线211DL低电压启动过电流保护未动作。低电压启动过电流保护定值二次值为1.1A（一次值为2750A），582.69A小于保护动作电流值，根据原理框图7，所以低电压启动过电流保护不会动作。

三是馈线211DL电流增量保护未动作。电流增量保护给定的定值为0.29A（一次值为725A），时间为2S，可以看出馈线211DL突变量并未达到电流增量起动值，且定值延时为2S，而1S后主变低压侧低压起动过电流保护已出口，根据原理框图8，所以电流增量保护不会动作。

四是馈线211DL距离保护未动作。距离保护定值为：躲涌流偏移角85度、线路阻抗角75度、容性阻抗偏移角15度、距离电阻63Ω、距离电抗值188.1Ω、延时0.1S，保护范围如图4所示。

通过对201DL跳闸信息的分析可知，母线电压折算至二次侧数值约为31.4V。按照距离保护的启动条件图5所示，如果线路发生短路故障时，负荷阻抗角一般在60～70度之间，在此取阻抗角为65度，母线电压为31.4V时，根据公式和距离保护向量图得知阻抗需小于188.1÷sin65°=207.55Ω才能启动距离保护，即阻抗电流需要大于31.4÷207.55=0.151A才会导致距离保护动作。而在AT供电模式下，利用公式2可得，馈线211DL的T线二次电流必须达到0.302(一次电流值为756.44A)才会使距离保护启动。而馈线211DL的T线电流值为582.69A，小于动作值756.44A，所以距离保护不会动作。

由此可见，当α馈线段出现故障时，并不意味着馈线211DL、212DL必定会同时跳闸。假设当时馈线212DL出现拒动故障，则会导致馈线211DL始终保持故障电流582.69A，所以馈线211DL距离保护不会启动。

综上所述，馈线212DL因为CPU板损坏造成拒动，馈线211DL由于未达到跳闸条件所以保护没有动作。

3）主变低压侧201DL、202DL保护启动的原因。201DL、202DL的低电压起动过流保护定值为：一次电流3425A，一次电压定值为19.8kv，时限设为1S。故障发生时201DL、202DL电流为8288 A（8272A），母线电压为8.60kV(8.67kV)，根据原理框图9可知，1S后出口跳闸，低电压过电流保护应该启动出口。

4）网隔W02F拒动的原因。德州东牵引变电所W02F网隔29日13时07分所内后台报电机失电报警，因此实际为网开关由于失去控制电源和电机电源而拒动。原因分析：雷击22#F线绝缘子距W02F网开关机构箱仅1400m，由于雷击感应电压的影响，造成W02F网上隔离开关电机空气开关跳闸，机构失电造成W02F网开关拒动，如图10所示。

5 调查结论

2013年7月29日13时07分由于雷击造成德州东站22#正馈线绝缘子碎裂，同时受感应雷电影响W02F电机空气开关跳闸，雷击还造成地电位升高致使雷电电流通过上隔W02浪涌保护器（SPD）串入到直流控制回路中，烧毁馈线212DL保护装置保护板，造成馈线212DL保护拒动，从而使得主变低压侧201DL、202DL越级跳闸。

6 结束语

牵引供电系统中的接触网是向高速列车供电的唯一方式，其故障将影响高速列车的安全运行，造成较大的经济和社会影响。由于铁路牵引变电所的特殊运行工况，近年来，全国铁路牵引变电所发生了多起类似于德州东牵引变电所的强电侵入二次系统事故，事故造成了牵引变电所设备的损失，也给铁路运输秩序造成一定影响。因此，要按照中国铁路总公关于《牵引变电所二次系统防强电侵入优化技术方案指导意见》要求，进一步优化综合自动化直流电源供电回路，完善直流电源失电后应急保护装置，落实牵引变电所附近供电线架设避雷线和非接触网合架单独供电线支柱接地等要求，增强牵引变电所防雷击能力，为高铁运输安全提供可靠保障。