兰新客专电力供电系统问题研究及工程改造

勾永直

0 引言

兰新客专电力贯通线（分为一级贯通和综合贯通）直接为沿线铁路各车站电气集中设备及区间信号中继站提供可靠、不间断电源[1]。区别于多采用架空线路的普速铁路电力贯通线路，兰新客专电力贯通线路采用全电缆敷设方式，自2014 年开通运营以来，累计发生电力电缆绝缘击穿故障37 件，且呈逐年上升趋势。故障原因多为电缆头的制作工艺不达标、电缆敷设期间施工导致的本体损伤、电缆敷设工艺不标准等。因此，如何有效降低电缆故障率，是当前需要研究的课题。

1 兰新客专电力供电系统

1.2 电缆敷设方式

电力电缆选用交联聚氯乙烯绝缘非磁铠装单芯电力电缆，两回贯通线全部采用全电缆敷设方式，该管段辖区20 个站区电力电缆槽内存在变配电所电源线、站馈线、一级/综合贯通电力电缆、灯塔低压电缆、接触网隔离开关操作电源线同槽敷设问题；电力电缆与信号、通信电缆共用电缆井，井内存在交叉敷设问题；在正常平衡负载条件下，3 根单芯电缆“品”字形排列敷设。

1.3 高压电缆金属护层接地

35 kV 及以下高压电力电缆金属护层采用一端接地，另一端通过护层保护器的接地方式。

1.1 运行方式

管段内兰新客专设电力变配电所17 座，采用单母线分段接线，设置电源进线段、主母线段、贯通母线段。

2 兰新客专电力电缆故障分析

经统计，管段内兰新客专辖区自开通运营以来的37 起电力电缆故障主要分为电缆头和本体绝缘击穿两类故障。通过图1 所示的贯通线电缆故障趋势图可看出：电缆头绝缘击穿受制作质量不达标影响，开通之初集中爆发，随后趋于平缓，而后受电缆头绝缘不断劣化影响，自2020 年开始故障数趋于上升；电缆本体绝缘自开通不断劣化，故障数逐年趋于上升。

图1 兰新客专贯通线电缆故障趋势

2.1 电缆故障典型案例

案例1：2019 年二宫配电所G05“动车运用所馈线一”305DL 电流速断保护跳闸。现场检查存在两处故障点，一处位于1 号电缆对接箱内，另一处位于1、2 号电缆对接箱间的电缆中间接头。从两处电缆绝缘击穿故障判断，两处故障发生时间不同。1、2 号电缆对接箱间的电缆中间接头因两端电缆无裕度，在冬季极限气温影响下，电缆收缩，导致电缆中间接头接续处产生间隙，出现接续不良，长时间运行出现绝缘击穿，单相接地。在单相电缆发生绝缘击穿接地故障后，调度后台未能接收到相关告警信息，长时间带故障运行，非故障相电压持续升高，最终升至线电压，导致1 号电缆对接箱内套管绝缘击穿，该供电线路电流速断保护跳闸。

案例2：2021 年2 月11 日二宫配电所10 kV Ⅱ段母线零序过电压告警。通过调度后台查看，二宫配电所各站馈回路均未投入零序过电流保护，仅N27 馈线投入零序过电压告警，无法快速准确判断故障回路，耽误故障查找处置进度，并导致N30“机务、给水及车间环网干线二”430DL 电流速断保护跳闸。现场检查故障点位于电缆中间接头处，因电缆中间接头制作工艺不达标，电缆头一相绝缘击穿并经一段时间后，故障相接地点放电灼伤非故障相电缆，最终造成相间短路，配电所保护跳闸。

2.2 原因分析

以上两起电缆故障发生的原因和现象相似，在出现电缆单相接地故障后，既有的设备接线方式、保护设置不能及时准确上报相关告警信息，不能立即切断故障回路，导致故障线路长时间运行，不断扩大故障范围[2]，电缆故障由初期的单相接地发展为两相短路，直至最后跳闸。

3 运行保护分析

上述两起典型故障案例充分反映出管内兰新客专配电所站馈回路电缆运行存在较大安全隐患。

3.1 零序保护介绍

零序保护分零序电流保护和零序电压保护，通常会配以保护装置进行电路的保护。零序电流保护的原理是利用三相电流的矢量和进行保护，一般会在出线电缆上套入一个零序电流互感器（下文均称零序CT），正常情况下ABC 三相之间的电流矢量和为0，当某相发生单相接地故障，ABC 三相之间的电流矢量和大于0，此时零序CT 给微机保护装置发出信号，在一定的时间内使断路器跳闸，起到保护作用。零序电压保护也类似，对于高压而言，一般会在PT 柜里安装3 只单相电压互感器，二次侧的开口三角接线方式目的是监测系统的零序电压信号，当系统出现三相电压不平衡或单相接地后，零序电压发出信号，装置会使断路器跳闸。

零序电流保护的最大特点是只反映单相接地故障，因系统中的其他非接地短路故障不会产生零序电流，因此零序电流保护不受任何故障干扰。

在中性点直接接地的系统中，常采用三段式零序保护。零序Ⅰ段：瞬时零序电流速断，保护本线路全长的70%～80%；零序Ⅱ段：带时限零序电流速断，保护本线路全长及下一段线路一部分；零序Ⅲ段：零序过流保护，保护本线路全长及作为下一段线路的后备保护。

根据运行经验，在高压系统中，70%～90%的故障为单相接地故障，而大多数相间短路也是由单相接地故障发展而来，采用零序保护具有明显的优越性。

3.2 兰新客专配电所零序保护投入情况

结合两起典型案例，开展电缆专项排查整治，检查发现管内17 座配电所站馈回路电缆存在以下问题：

（1）靠近配电所一端未接入零序电流互感器，发生单相接地故障时，接地电流不仅可能沿发生故障电缆的导体表面流回，也可能沿非故障电缆的导体表面流回。故安装时必须将电缆头经零序CT 接地，才能保证故障相和非故障相的电容电流通过接地点，既能防止区外故障时保护装置误动作，又能保证故障时装置可靠动作。

（2）各馈线未投入零序电流保护、零序电压保护。继电保护设有零序电流保护，但仅作用于告警，在发生电缆单相接地时，不能采集到线路中的零序电流，只能依次查询各站馈线回路中的电流值来粗测故障线路，逐条进行停电验证。高压电力线路采用全电缆敷设，发生故障时，若不能立即切断故障回路，故障相电缆发热放电极易波及相邻电缆，扩大故障范围，且易造成火灾等次生事故。

4 解决方案

通过对几起典型电缆故障的深度分析，制订并实施以下几种解决方案。

4.1 零序电流互感器整治

为保证线路发生单相接地故障后PSCADA 系统能准确快速接收到告警信息，组织完成管内17座配电所站馈回路零序电流互感器接入，确保电缆经零序CT 接地，保证电缆发生单相接地时故障相和非故障相的电容电流通过接地点。

4.2 保护定值整定

结合现场检查发现的问题及配电所运行方式，将站馈线接入零序保护，并将大电流系统和小电流系统的零序保护皆设置为零序电压告警、零序电流跳闸的方式，保证发生单相接地故障时综合自动化系统能够准确、灵敏、快速地切除故障线路，缩小故障范围。在单相接地故障发生时，能及时跳闸隔离故障，即使电缆敷设未达标，也不会因混线造成故障范围扩大。

因零序电流保护是通过三相不平衡电流判断电缆是否出现单相接地故障，从保护的性能来分析，在不发生单相接地时，零序电流分量是不会出现的，因此零序电流保护具有较高的灵敏性。但是当出现以下几种情况时，零序电流保护可能会出现误动作：

（1）电流回路断线时，可能造成保护误动作。这是一般较灵敏的保护的共性弱点，需要在运行中注意防止。

（2）当电力系统出现负荷不对称运行时，也会出现零序电流，如变压器三相参数不同所引起的不对称运行、单相重合闸过程中的两相运行、三相重合闸和手动合闸时的三相断路器不同期、母线倒闸操作时断路器与隔离开关并联过程或断路器正常环并运行情况下，由于隔离开关或断路器接触电阻三相不一致而出现零序环流，以及空投变压器时产生的不平衡励磁涌流，特别是在空投变压器所在母线有中性点接地变压器运行的情况下，可能出现较长时间的不平衡励磁涌流和直流分量等，都可能使零序电流保护启动。

（3）地理位置靠近的平行线路，当其中一条线路故障时，可能引起另一条线路出现感应零序电流，造成反方向侧零序方向继电器误动作。

（4）由于零序方向继电器交流回路平时没有零序电流和零序电压，回路断线不易被发现；当继电器零序电压取自电压互感器开口三角侧时，也不易用较直观的模拟方法检查其方向的正确性，因此较容易因交流回路出现问题而使得在电网故障时造成保护拒动和误动。

综合以上保护误动作因素，考虑将接地距离保护与零序电流保护配合使用。接地距离保护是利用短路电压和电流的比值，即测量阻抗的变化来区分系统的故障与正常运行状态。接地距离保护的灵敏性高于零序电流保护，接地距离保护与零序电流保护相配合可以构成完整的接地保护。

在采用统一零序保护前，首先结合现场实际运行情况对继电保护系统保护定值进行核算修改，采集计算三相不平衡电流，确保零序过电流保护、零序过电压保护定值的正确。

4.3 暂态零模电流极性法选线

对于中性点不接地系统，当发生单相接地故障时，通过“暂态零模电流极性法”进行选线[3]。

图2 为有3 条站馈线的系统示意图，其中线路Ⅲ电缆的某一相发生了电缆头或本体的绝缘击穿故障，进而演变成单相接地故障。图3 所示为3 条线路通过零序电流互感器采集到的零序电流波形。

图2 站馈线单相接地故障示意图

图3 馈线零序电流波形

根据图3，对于非故障线路j，暂态零模电压u0(t)与电流ij0(t)满足如下关系：

式中，Cb0为所有非故障线路电容与母线及其背后系统分布电容之和。

可见，以暂态零模电压的导数为参考检测暂态零模电流的极性，即可判断出暂态零模电流的方向，实现故障选线：故障线路上暂态零模电流与零模电压的导数始终反极性，非故障线路零模电流与零模电压的导数始终同极性。图4 显示故障线路的零序电流、母线处的零序电压及其导数的取反波形。可见，零序电流和零序电压的导数波形反向，而非故障线路的零序电流和零序电压的导数波形同相。故障线路电压导数和电流波形始终反极性，避免了电流与电压极性关系在第一个半波后就变为相同的情况，因此，克服了首半波法选线原理只在首半波内有效的缺陷[4]。

图4 故障线零序电流和零序电压导数反向波形

最后，对于电力贯通线的谐波干扰严重的变电所，还加装了二阶高通无源滤波器，以消除谐波对保护的干扰。

目前已将17 个配电所站馈线全部改造完毕，零序过电流跳闸定值初设为0.3 A（变比50∶1），零序过电压告警定值初设为35 V。

5 结语

经对兰新客专贯通线电缆整治及零序保护的改造，2021 年上半年电缆故障数开始回落，证明改造效果良好。本项目对高铁全电缆电力贯通线的保护设置有重要参考意义，体现在以下几个方面：

（1）统一的零序保护方案保证了高铁电力变配电所在发生电缆线路单相接地时，继电保护系统能及时准确地切除故障设备，防止故障范围扩大，确保行车安全。

（2）此方案还可避免变配电所内半绝缘电压互感器长时间承受线电压造成电压互感器击穿。

（3）统一的电缆敷设方式（“品”字形布置）有效降低了金属护层上产生的感应电压，大大减少电缆绝缘击穿故障；配合防火涂料、阻火包、防火泥的合理采用，彻底消除了电缆火灾隐患。

（4）为科学管理高铁电力电缆积累了经验。随着电力技术的发展，电力系统同步在进行小电流系统保护的改造，对零序电流大的系统执行跳闸隔离的措施[5]，这些措施也在很大程度上降低了电力电缆故障发生的概率。