高铁GIS开关柜故障时供电运营探讨

张 宁

高铁GIS开关柜故障时供电运营探讨

张 宁

介绍了一次典型的高速铁路牵引供电设备 GIS开关柜发生故障后的应急处置案例，通过对越区供电方式及主变压器低压过流保护动作引发的保护定值调整进行分析，从完善GIS开关柜预警功能、增设母线隔离柜、调整逻辑关系与保护定值、增设F线隔离开关等方面，对高铁供电设备运营提出了建议。

高速铁路；供电；开关柜；设备故障

0 引言

我国高速铁路建设与运营发展迅速，至 2014年底高铁运营里程已达到1.6万公里，运营安全面临着极大的挑战，供电设备安全对于高速铁路运输保障重要性凸显。GIS开关柜（气体绝缘金属封闭式组合电器开关设备）是一种新型的铁路供电设备，集成了断路器隔离开关流互压互母线等元器件，虽然节约了占地，减少了维护，但复杂性也大大增加，一旦发生故障，很难及时检修、更换。近年来仅由于穿墙套管开裂造成的开关柜损坏就在京沪高铁发生过5起，哈大高铁发生过2起，郑西客专发生过1起。通过研究案例，对于高速铁路供电设备故障情况下的供电专业运营分析，能够起到借鉴作用。

1 问题的提出

2015年1月27日，京沪高铁周立营变电所发生一起GIS开关柜故障，212断路器GIS开关柜发生绝缘击穿，201断路器跳闸。故障发生后，由于现场判断该变电所211、212断路器无法恢复使用，决定采用越区方式恢复供电。考虑到供电能力、电能质量及行车运输压力，采取了本所越区供电的方案，周立营变电所213、214馈线通过闭合所外接触网分相隔离开关向211、212馈线送电。在当日越区供电运行中，周立营变电所主变压器又发生了后备保护误动作，是一起典型的高铁供电设备故障案例。周立营变电所一次设备接线见图1。

图1 周立营变电所一次设备接线简图

2 原因分析

2.1 采用本所越区方式恢复供电的原因

当日在越区状态下，1#进线经过101断路器、3#变压器、203断路器供给变电所低压侧母线T2、F2，再通过213、214断路器给上海方向上下行供电，而北京方向则是通过远动闭合所外接触网上隔离开关w10、w30、w20、w40实现越区供电（图2）。

采用本所越区供电方式的优点：两侧供电臂都在近变电所端，能够提供更好的电能质量，避免在越区末端产生过大的电压降对动车组运行产生干扰。而且在越区末端分区所能够实现上下行并环运行，有效改善电能质量。本所越区供电方式的缺点：一旦发生接触网线路上的故障，馈线保护装置无法判断故障的方向性，不利于抢修指挥。考虑到京沪高铁的运输行车压力，密集时段列车追踪间隔时间已经达到了5 min，如果采取常规的邻所越区方式恢复供电，需要对越区和被越区的相邻供电臂50 km 范围登记行车限制，由于京沪高铁实行300 km/h的运行速度，就要求将列车追踪间隔时间扩大到10 min以上，这样，势必会对运输秩序产生极大的干扰，造成动车组大面积晚点。

图2 周立营变电所外接触网开关示意图

2.2 越区供电期间主变后备保护动作原因

查阅周立营变电所变压器后备保护定值，得到该所变压器低压过流保护原理图3。

图3 周立营变电所变压器低压过流保护原理图

经查阅当日调度监控，发生变压器低压过流保护跳闸时，周立营变电所供电范围区段有4列动车组，总功率达到73 600 kW，变压器高压侧电流超过整定值340 A。

经分析得出跳闸原因：主变压器低电压过电流保护的启动条件是低压侧α相（T1、F1）或β相（T2、F2）母线电压降低超过整定值，且主变压器高压侧负荷电流增大超过整定值。但是，本次越区供电后，由于 211、212馈线所在的α相母线停电无压，而3YH、4YH仍接在α相母线上，检测电压值为0，低电压条件便已经满足，当4个供电臂上动车组实际负荷电流总和超过主变压器的整定值，便启动低电压过电流后备保护，造成101、203断路器跳闸。

3 运营优化建议

3.1 完善GIS开关柜故障前的预警功能

周立营变电所投入运营的该类 GIS开关柜气室内采用 SF6作为绝缘气体，其额定充气气压为130 kPa，正常运行时气压在128～150 kPa范围内浮动，出厂设定为当气压低于120 kPa时触发绝缘报警。虽然故障时内部SF6气体泄漏、压力下降，保护设备能够记录气体压力异常信息，但往往是与事故同步产生信号，运营中很难起到提前预警功能。针对这种新型设备如果能够对气体压力进行实时监测，供维护人员与正常条件下气压值进行对比，或在运行中设置多级气压监测并提供自动分级预警功能，当气体压力下降到一定值时便启动音响报警，提示维护人员及时采取相关措施，如补充气体或开启保温设施，则可以避免故障发生。

GIS开关柜产品保护设计优化方面，可以将气室压力传感器的电弧故障信号结合过流信号触发跳闸，确保在电弧产生初期快速切除故障，降低对柜体的损坏程度。

3.2 GIS开关柜增设母线隔离柜或母线气箱

该次故障采用了越区供电方式，由1台变压器带4条馈线运行，主要原因是由于该类GIS开关柜将母线穿入其中并密封在柜体之内，未单独设置母线隔离柜或母线气箱，因此212开关柜故障连带影响到211开关柜正常运行。在产品设计时，如能够考虑多种故障情况下的应急方案，能够隔离或抽出故障气室，增加母线部分可更换设计，做到能够切除故障部分，恢复母线带电，则不必采取越区供电方案，而可以采用上下行环供方式恢复供电运行，这样，一方面提高了运行变压器的供电能力，另一方面在线路发生故障时由于多投入了馈线保护而能够将故障范围限制在较小范围。

3.3 及时调整保护启动逻辑关系与保护定值

当供电运行方式发生变化后，应当对继电保护启动逻辑关系进行校核调整。当日周立营变电所发生故障，临时采用1台变压器向4条馈线供电后，保护启动的逻辑关系便需要再验证，复核监测项目与新的运行方式是否匹配。该案例中，在变压器低压过流跳闸发生后，现场临时将3YH、4YH采集值并到β相母线后，由于β相母线电压为正常运行电压，大于保护启动值，起到了对保护逻辑闭锁的功能。

当采取临时方案导致实际负荷发生变化后，应当对负荷进行监测，对主变压器保护整定值及时提出调整措施，采用更加合理的保护定值配套方案。周立营变电所单台变压器容量为50 MV·A，进线电压为220 kV，得出高压侧额定电流为227 A，开通运行时，设计院给出的过电流整定值采用主变压器额定电流的1.5倍（即340 A），允许持续时间1.3 s。在越区供电情况下，1台变压器代替2台变压器向4条供电臂进行供电，实际负荷成倍加大，可以采取临时增大过电流整定值同时缩小整定时限的方法，保证主变压器运行的可靠性。

3.4 变电所外增设越区供电F线隔离开关

此次故障中，该变电所外接触网分相处只设置了连接T线的单极远动隔离开关，通过本所网上越区只能导通T线，如果设置成能导通T线和F线的双极远动隔离开关，则可以实现通过本所外接触网越区的AT方式供电，进一步改善电能质量。

4 事故经验总结

对于关键设备的重要零部件应当提高标准加强性能检验，确保设备可靠性满足运输要求。同类产品出现同类故障，应该从产品的设计、质量上查找原因，因此，建议厂家将产品结构、配件质量作为分析重点，进一步优化质量，避免出现同类问题。该类GIS开关柜产品中，穿墙套管由环氧树脂浇注金属导电棒，紧固件与屏蔽层构成，而环氧树脂与金属棒收缩比率不同，套管在温度快速交替变化下会出现较大内应力。高速铁路负荷变化比较快，在冬季外部低温情况下，负荷电流产生的温升效应与外部低温作用，使套管因内应力产生微小密封裂隙，放电击穿致气体泄漏，开关柜烧损引发27.5 kV母线短路，导致上级断路器201跳闸。经查此批设备在出厂时，已对环氧树脂穿墙套管每支做了局放和超声波 X光检测，但还应当提高要求，参照国际IEEE-386标准对其进行100%高低温循环试验，检验是否出现耐压超标，将不合格产品剔除在出厂检验环节，避免隐患设备上线投入运营。

在越区供电情况下，4个供电臂连接在一起后，应当加强对供电负荷的监测，验证设备的供电能力是否能够满足运输需求，是否会出现主变压器过负荷、接触网电流过大发生器件烧损、网压过低等情况。越区过程中，通过监测，验证牵引供电系统的供电能力，确定高铁越区供电的最佳方案。根据越区范围，及时核对动车组运行密度，调阅运行图和调度监控系统，查找可能出现最大负荷的时间段，加强与行车指挥的沟通，确保对动车组的行车限制要求落实到位，同时，做好负荷监测和记录，为合理修正主变压器过电流保护整定值提供参考。

5 结语

供电设备运营单位应准备多种预案，监测重点设备如GIS开关柜的运行状态，做好设备发生故障时的应对措施，并减少次生故障的发生。通过该次故障剖析，提出了多角度的完善的优化建议，对于高速铁路运营管理有一定的借鉴意义。抢修原则应为综合利用远动（SCADA）和综合视频系统，结合运输、天气情况，准确判断故障性质，根据设备特性，缩小故障供电范围，压缩故障停电时间，快速响应，高效抢修，以最快的速度恢复供电，最大程度上减少对运输秩序的影响。

[1] TG/01-2014 中国铁路总公司《铁路技术管理规程（高速铁路部分）》[S].

[2] TG/GD104-2012 铁道部《高速铁路供电调度暂行规则》[S].

[3] TG/GD106-2014 中国铁路总公司《高速铁路接触网故障抢修规则》[S].

[4] 李学伟，郭竹学. 高速铁路普适安全理论及其实践研究[J]. 中国铁路，2014，（8）：6-11.

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[6] 罗学琛．SF6气体绝缘金属封闭组合电器(GIS)[M]. 北京：中国电力出版社，1999.

[7] 高中杰，涂大石. 高速铁路开关设备选型问题研究[J].铁道机车车辆，2014，（10）：113-119.

The paper introduces an emergency rescue of a typical GIS failure of traction power supply equipment, on the basis of analyzing the adjusting of protection setting value caused by over-zone power supply and low voltage over-current protection operation of main transformer, puts forward the proposals for high speed railway power supply operation in terms of improving pre-alarm function of GIS, adding bus bar bays, adjusting logic relations and protection settings, adding F wire disconnectors.

High speed railway; traction power supply; switchgear; equipment failure

U224.2

：B

：1007-936X(2015)04-0028-03

2015-02-12

张 宁.中国铁路总公司运输局，工程师，电话：18701558734。