接触网支柱接地状态对支柱二次保护设备的影响试验研究

黄 维,郭海涛,王 林,曹晓斌,杜 浩

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司电气化设计研究院,武汉 430063； 2.中国铁路广州局集团有限公司供电部,广州 510088； 3.西南交通大学电气工程学院,成都 610031)

引言

我国拥有世界最大规模的电气化铁路网。随着铁路智能化技术的发展，电气化铁路牵引供电系统的设备全面实现了远动控制和在线监测。接触网供电线上网隔离开关用于连接牵引变电所(包括分区所、AT所、开闭所等)和接触网，上网隔离开关的控制方式包括通过综合自动化系统直接控制，通过RTU箱采用光纤进行远动控制和通过直流电缆直接控制3种[1-2]。近年来，由于一次系统短路引起接触网隔离开关RTU箱和操作机构箱烧毁的故障时有发生，甚至造成与之相连的牵引变电所二次设备烧毁的严重后果[3-5]。

在现有的研究中，为了避免一次系统短路引起二次设备损坏，电力系统设计时主要通过限制地网电位升实现，如我国国标GB50064交流系统接地中规定，地网的电位升不超过2 000 V，特高压系统中不得超过5 000 V[6-7]。长江水利委员会通过试验得到，屏蔽层剥掉4 cm的电缆可承受工频电压15 kV，一般继电器可承受工频电压5.5 kV，并验证了变电站接地网电位提高5 000 V是允许的[8-9]。近年来随着变电站容量的增大，转移电位造成二次系统过电压损坏逐渐得到重视[10-12]。湖北500 kV双河变电站单相短路接地试验证明，2 400 A短路电流由地网入地时，地网内部不同位置的电位差可达117 V。中国香港地铁变电站发生一起单相接地故障时，测到地电位升高达350 V。浙江省电力工业局曾因忽视了输电线路存在转移电位，使得临时接地线对地电压达到了200 V，造成1名工作人员触电身亡[12]。但上述研究均是针对变电站内发生短路故障的情况，未针对变电站外独立接地，但与站内二次设备存在电气连接的电气设备。

为了找出接触网隔离开关短路引起二次系统烧毁的原因，通过对中国铁路广州局集团有限公司的某牵引变电所进行了近端人工短路试验，测得了不同方式下牵引回流分配及过电压分布情况，研究了直供方式下接触网隔离开关操作机构箱和RTU箱内工频短路过电压的产生机理及影响因素。

1 接触网隔离开关短路试验

1.1 接触网隔离开关系统

接触网隔离开关用于隔离故障、分段作业及改变运行方式，其数量多、分布范围广，对其实施远距离集中监控并纳入远动系统[13]，已成为必要。接触网隔离开关接线如图1所示。

图1 接触网隔离开关示意

控制和信息传输稳定可靠、抗电磁干扰能力强是接触网开关监控的关键[14]。目前枢纽接触网开关监控系统的信息传输有“控制电缆方式”和“无线数据通信方式”及“光传输方式”，前者采用电缆传输信息，较容易受干扰，多在控制距离短的场合使用。“无线数据通信方式”克服了“控制电缆方式”的缺点，但无线数据通道的数据传输质量易受现场气候(如雷电)、地形、电磁干扰等因素的影响，同时还存在无线电频率占用的问题[15]。“光传输方式”采用光来传输信息，具有通道容量大、抗电磁干扰能力强、性能稳定等优点。接触网开关光纤监控装置的通信传输同时具备高速工业现场总线的电接口和光接口方式，以保证信息传输的高可靠性和应用的灵活性，是接触网开关监控的良好解决方案[16]。

接触网开关光纤监控装置是由远程监控单元、电源管理装置、电源及浪涌保护单元等设备集成，其各设备的硬件配置先进可靠，系统核心采用高性能的DSP确保系统的实时性、可靠性；电源输入过流、过压防护，以及所有对外端口处完善的EMC防护措施，确保装置的电磁干扰防护能力达到4级水平。该装置适用于各种类型的接触网隔离开关的监控环境中[17-20]。

1.2 短路试验方案

本次试验对象是时速250 km的高速铁路，供电采用的是直供加回流线的供电制式，并且设有综合地线。试验短路的对象是其中一个变电所的馈线上网开关。该线路的接触网上网隔离开关采用的是带RTU箱的光纤控制方式。为了防止变电所二次系统损坏，在变电所所内上网隔离开关操作电源出口处安装有1台1∶1的隔离变压器。变电所交流屏的220 V电源首先接入隔离变压器的原边，再从次边引出220 V电缆接到1号接触网上网隔离开关的RTU箱及控制箱，为其提供电源，并通过1根220 V电缆给相邻的2号接触网上网隔离开关提供电源。本次试验的接触网隔离开关操作机构箱如图2所示。

图2 接触网隔离开关操作机构箱

其中，A1是RTU工作电源空开、A2是操作机构供电空开、B1是操作机构电机电源空开、B2是操作机构二次控制回路电源空开，4个开关中任一开关跳闸，都会导致接触网隔离开关拒动。

试验地点回流接线情况如下。

(1)1号隔离开关安装支柱与回流线不相连，支柱接地极与综合地线相连。

(2)2号隔离开关支柱通过绝缘子与回流线相连，支柱接地极与综合地线相连。

人工短路方案如下。

(1)通过人工短路线，将1号GK靠变电所侧引线对地进行短接。

(2)在变电所外选取一点作为测量电压的参考点，电压参考点到变电所和铁路线路的距离约为50 m，周围无地下电缆及管道。

(3)从电压参考点分别引电压测量线至1号隔离开关，以及变电所内监测点。

(4)1号GK处测量支柱对参考点电压，220 V电缆对参考点电压及通过220 V电缆电流。

(5)变电所内测得变电所地网对参考点电压，

交流屏处220 V电缆对参考点电压，隔离变压器处次边220 V电缆对参考点电压。地回流电流、轨回流电缆电流和总电流。

(6)为了保证试验过程不影响所内其他设备，试验时除对应馈线外，其他馈线断路器均处于分位，并切除所有重合闸装置。

1.3 第一次短路试验

第一次短路试验模拟回流系统正常情况，接触网支柱与回流线的连接良好，试验完成后，所内外设备均无异常，未出现击穿现象。

综合自动化系统测得数据如表1所示。

表1 第一次短路保护数据

测得各部分回流数据如表2所示，其中总回流电流、综合地线回流电流和轨回流由实测得到，地网回流通过总回流减去综合地线回流电流与轨回流得到。

表2 回流系统分配数据

对比表1与表2可以看出，总回流电流与综合自动化系统测得的馈线短路电流基本一致，综合地线回流电流与地网回流占总电流的81.4%，轨回流仅占总电流的18.6%。

1.4 第二次短路试验

第二次短路试验时，模拟了回流回路不畅的情况，将1号隔离开关支柱与回流线断开。

本次试验后，所内设备正常运行；但在接触网端，1号隔离开关机构箱及RTU箱烧损，电源线相连的2号隔离开关机构箱及RTU箱烧损。

第二次短路试验中，综合自动化系统测得的数据如表3所示。

表3 第二次短路保护数据

与表1相比，两次短路试验的短路电流没有太大差别，但短路电阻从0.07 Ω上升到0.34 Ω，阻抗角81.1°下降到56°。

表4为第二次短路试验的回流分配数据，从表4可以看出，总回流没有太大变化，地网回流有从36.5%上升到40.2%，综合地线回流从44.9%下降到了38.7%。轨回流无大的变化。

表4 第二次短路回流系统分配数据

2 短路引起的电压升分析

2.1 第一次短路试验分析

1号隔离开关支柱处测得的暂态过电压波形如图3所示。

图3 1号隔离开关支柱接地暂态电压波形

图3中过电压最大波峰值为380 V，波谷最大值为880 V，总持续时间小于0.4 ms。

各测点电压如表5所示。

表5 第一次短路试验各测点电压 V

从表5数据可知，隔离开关支柱的电位升仅35 V，不会造成RTU箱与操作机构箱设备损坏。变电所电位升约为224 V，其中所内工频稳态电位差仅为1.4 V，因此不需要考虑所内地网电位差对二次系统的影响。

2.2 第二次短路试验分析

第二次短路时1号支柱的外引接地极测得的短路电流波形如图4所示。

图4 支柱外引接地极的短路电流波形

各测点电压如表6所示。

表6 第二次短路试验各测点电压 V

支柱的基础接地螺栓与10 m处贯通地线的相对工频电压峰值较小，不足100 V，但二者的暂态过电压峰值达到2 750 V。

RTU箱的220 V电源电缆芯线对支柱接地极的电压为2 200 V，暂态电压峰值为5 200 V。

支柱基础接地螺栓对参考点的工频电压最大峰值为3 000 V，暂态电压峰值为6 400 V。

通过波形对比，发现上述暂态过电压持续时间小于0.005 s，即小于1/4个工频周期，然后陡降，因此可推断在该时刻二次系统发生击穿。

3 设备烧损原因分析

第二次短路试验中，1号隔离开关与2号隔离开关的RTU箱及操作机构箱均烧损。经解体，发现2台隔离开关的RTU箱中的浪涌保护装置(SPD)均损坏，端子排引线烧断；2台操作机构箱的加热器内部击穿；1号隔离开关RTU箱的三孔插座背面击穿，引线烧断；加热器相连的电缆外绝缘层熔化。

3.1 回流情况分析

从表1与表3可知，两次短路试验稳态短路电流差异仅有17 A，系统短路电抗基本相同。

对比表3与表4可知，两次短路试验中，综合接地回流与地网回流占回流的主体，主要是因为试验时隔离开关高压端直接对地短路，而回流线对地采用绝缘架设，短路产生的过电压无法击穿回流线绝缘子，因此只有少量电流通过回流线回流。

结合设备击穿情况，可认为第一次短路时，短路电流主要通过1号支柱与综合地线的连接引线流入综合地线，再通过综合地线及大地流回变电所。

第二次短路发生时，由于1号支柱与综合地线断开，短路电流通过击穿其二次设备后，再通过220 V电缆传到2号隔离开关RTU箱及操作机构箱，击穿其二次系统绝缘后，通过其支柱与综合地线的连接线流入综合地线，再通过综合地线与大地流回变电所。

3.2 电压分布情况分析

第二次短路发生时，1号隔离开关的支柱电压快速抬升，从表6可知，其RTU箱中220 V电缆与支柱的暂态电压差达到5 600 V，超出SPD整定电压，SPD动作后由于电流过大烧毁，同时造成操作机构箱加热管和三孔插座绝缘击穿。

过电压通过220 V电缆分别传到变电所与2号隔离开关二次部分。变电所由于隔离变压器绝缘水平较高，且隔离变压器次边的SPD已断开，尽管其次边电缆上有2 286.4 V的高压，但未通造成绝缘击穿。隔离变压器原边对参考点电压为529 V的电压，但考虑到地网也有224 V电压抬升，原边实际对地网的电压仅为300 V左右，不会造成交流屏设备损坏。

3.3 二次设备击穿过程分析

综上所述，结合设备损坏情况，击穿过程如下。

(1)发生短路，1号隔离开关的RTU箱外壳及操作机构箱外壳电压上升。

(2)SPD动作，短路电流通过SPD进入220V电源。

(3)加热器、RTU箱内三孔插座内部击穿。

(4)SPD爆炸，端子排击穿。

(5)2号隔离开关加热器，RTU箱的电源端子排，SPD处端子排击穿，与综合地线形成短路电流通路。

(6)工频短路电流将上述各处接线柱熔断。

4 结论

通过接触网隔离开关对地短路试验以及通过对短路回流情况和过电压情况分析，主要结论如下。

(1)支柱接地回流不良是造成隔离开关操作机构，以及变电所二次系统损坏的主要原因。当回流路径通畅时，支柱接地极电压升差仅为35V左右，不会造成二次系统损坏及变电所强电侵入。

(2)支柱回流路径不畅时，短路电流首先全部通过支柱接地装置，造成支柱基础电压升高并击穿二次设备绝缘。操作机构箱内的加热管、三孔插座和SPD是绝缘薄弱环节，击穿电压在2200V左右。SPD通工频短路电流能力较弱，不能在隔离开关发生短路时起到保护作用。

(3)操作机构箱二次设备击穿后，牵引短路电流主要通过二次电缆回流，此时支柱基础的电压将下降。在二次电缆回路中加装隔离变能有效防止短路电流流入牵引变电所二次屏柜，造成二次系统大面积损坏。

(4)防止接触网隔离开关短路造成牵引变电所二次系统损坏的关键为：确保接触网隔离开关的安装支柱接地回流系统可靠，因此建议接触网设计与施工中将此列为关键控制环节与交接检查的重点项目；在运行维护过程中将此加入日常检测内容。

致谢

本文研究工作由中铁第四勘察设计院集团有限公司2019年度科研课题《牵引变电所低压控制装置防强电侵入技术优化研究及测试》(合同编号2019K052)全额资助，接触网隔离开关对地短路试验是在中国铁路广州局集团有限公司、中国铁道科学研究院集团有限公司、深圳铁创科技有限公司等单位的配合下得以实施，特向以上单位以及参加本次试验的所有人员致以诚挚的感谢!