许继电气徐东坡、吴梦丽等：一起地铁气体绝缘金属封闭开关设备跳闸故障原因分析

针对一起地铁气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）跳闸导致的该线路多个地铁站整站失电事件，许继电气股份有限公司的徐东坡、吴梦丽、朱军红、梁建涛，在2022年第12期《电气技术》上撰文，分析故障现象、故障波形特征和故障原因，并基于实时数字仿真（RTDS）系统搭建仿真试验模型，重现现场故障现象。分析表明，开关柜跳闸的原因是地铁电缆绝缘层击穿，发生接地故障，保护动作跳闸，且故障期间相邻电缆受接地环流的影响，相关电流保护动作跳闸，最终导致多个地铁站整站失电。

随着我国经济的不断发展，地铁在城市建设中越来越普及，1965年7月我国第一条地铁北京地铁1号线开工建设，2021年底我国城市轨道交通运营里程达到8741km。地铁采用电力牵引，电能的供应和传输是地铁安全、可靠运行的重要保证。地铁供电系统结构复杂，其服务对象除车辆外，还包括车站信号、通信、通风换气、空调设施、自动扶梯、自动售检票、屏蔽门、消防设施及照明等一、二、三级负荷。

可以说，供电系统是地铁的“大动脉”，是基础能源设施；而电力电缆更像是“血管”，将上下设备连接起来，承担着输送电力和传输信号的功能。一旦电缆出现故障，会导致电力中断或信号传输中继失效，对地铁运营造成重大影响，若处理不及时，甚至会出现故障范围扩大化。

本文介绍一起地铁气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）跳闸导致的该线路多个地铁站整站失电事件，通过对故障现象、故障波形特征和故障原因进行分析，并基于实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）系统搭建仿真试验模型，重现现场故障现象。

1  故障概况

1.1  地铁供电系统

在城市轨道交通35kV或10kV中压供电系统中，一般将全线车站变电所的母线通过电缆以“手拉手”的方式形成开放式环形供电，又称大分区供电。一座110kV变电站一般挂接4～6座变电所负荷。本文所述35kV地铁供电系统如图1所示。

图1  35kV地铁供电系统

1.2  故障过程描述

某日04:23:30.654，B站Ⅱ段母线B23馈线间隔保护装置零序Ⅰ段动作出口跳闸，04:23:30.853，B23馈线间隔保护装置启失灵联跳保护动作出口，04:23:30.875，B10分段间隔、B21进线间隔、B22出线间隔保护装置启失灵联跳保护动作但不出口跳闸，04:23:30.963，B23馈线间隔保护过电流Ⅰ段动作，04:23:31.003，B22出线间隔保护装置失灵联跳保护动作出口跳闸，并联跳对侧C站Ⅱ段母线C21进线间隔断路器；04:23:31.019，C站Ⅰ段母线C11进线间隔保护装置动态加速零电流T1、动态加速过电流T1动作出口跳闸，并联跳本段母线C12出线间隔及下级站D站Ⅰ段母线D11进线间隔。最终导致C站、D站整站失电，B站B22出线间隔、B23馈线间隔失电。

1.3  现场检查

经检查发现，C站C12出线间隔B相电缆头击穿，且该相电缆金属护层两端均未接地，B站B23馈线间隔A相电缆金属护层两端同时接地，且该电缆金属护层接地线接地时未穿回CT。

根据GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》相关要求，当线路不长，且感应电势能满足标准要求时，单芯电缆金属护层接地线应采取在线路一端或中央部位单点直接接地。根据GB 50168-2018《电气装置安装工程电缆线路施工及验收标准》相关要求，当金属护层接地线随电缆芯线穿过CT时，接地线应穿回CT后接地。现场检查情况如图2所示。

图2  现场检查情况

2  故障分析

2.1  现场故障波形分析

现场C站Ⅰ段母线C11进线间隔保护装置动作录波如图3所示。现场35kV供电系统经小电阻方式接地，采用大分区供电方式。对该供电分区而言，正常无车辆通过时，相当于单电源无负载系统。从故障波形分析，正常状态下，三相电压为额定电压，电流基本为0。故障发生后，A相、C相电压升高，B相电压降至0，A相、C相电流基本不变，B相电流增大，故障特征与单侧电源经电阻接地系统发生B相电源近端接地故障特征一致。

图3  C站Ⅰ段母线C11进线间隔保护装置动作录波

现场B站Ⅱ段母线B23馈线间隔保护装置动作录波如图4所示。正常状态下，三相电压为额定电压，电流基本为0。故障发生后，电压基本不变，B相、C相电流基本不变，A相电流增大，与单侧电源经电阻接地系统的典型故障特征均不相似，与单芯电力电缆两端接地时电缆金属护层环流特征基本一致。

图4  B站Ⅱ段母线B23馈线间隔保护装置动作录波

2.2  故障原因分析

结合故障现象及现场故障波形分析该次事件的原因是C站C12出线间隔B相电缆金属护层两端均未接地，造成电缆头在强电场作用下绝缘逐步降低，电缆头击穿继而引发B相接地故障，保护动作跳闸出口。B站B23馈线间隔A相电缆金属护层两端同时接地，故障电流流过相邻电缆时，受电磁感应的影响，在该相电缆金属护层中形成环流，又因该电缆金属护层接地线未穿回CT，故电缆金属护层中的环流即为采样电流，导致保护装置动作跳闸出口。

3  仿真分析

3.1  仿真模型搭建

建立35kV地铁供电系统仿真模型如图5所示。

图5  35kV地铁供电系统仿真模型

因RTDS电缆模型的局限性，RTDS电缆模型最多允许12根耦合导体建模，即十二根导体可以为每根具有两层导电层的六根耦合电缆，或为每根具有四层导电层的三根耦合电缆。本次建模与实际35kV地铁供电系统稍有差异，如B站B22出线间隔A相电缆金属护层两端同时接地与B23馈线间隔A相电缆金属护层两端同时接地，在相邻电缆流过电流时，有相似的环流现象，故暂不考虑各站馈线间隔的建模；再者本次建模至少需考虑两回电缆线路（6根单芯电缆）间的电磁感应现象，故每根电缆仅能有两层导电层，与实际电缆结构有差异。

综合上述原因，本次仿真仅定性分析C站C12出线间隔B相发生接地故障时，C站C11进线间隔保护安装处及B站B22出线间隔保护安装处的故障特征，不再做定量分析。RTDS仿真模型中电缆参数见表1，各变电所间电缆长度见表2。

表1  电缆参数

表2  电缆长度

3.2  仿真结果分析

模拟C站C12出线间隔B相发生接地故障，故障波形如图6所示，U1a、U1b、U1c、I1a、I1b、I1c分别为C站C11进线间隔保护安装处电压、电流一次侧波形，U2a、U2b、U2c、I2a、I2b、I2c分别为B站B22出线间隔保护安装处的电压、电流一次侧波形，I2ax为电缆金属护层接地处电流一次侧波形。

故障发生后，C11进线间隔保护安装处A相、C相电压升高，B相电压降至0，A相、C相电流基本不变，B相电流增大，与现场故障波形基本一致，B站B22出线间隔保护安装处的电压、电流与故障前一致，考虑到现场该处A相电缆金属护层接地线未回穿过CT，故现场实际A相电流应为电缆金属护层接地处电流，对比I2ax与现场A相电流波形，特征基本一致，验证了2.2节中所述故障原因的正确性。

图6  C站C12出线间隔B相接地故障仿真波形

4  结论

本文介绍了一起地铁GIS跳闸事件，开展了故障现场检查、故障波形及故障原因分析，并通过RTDS系统搭建仿真试验模型，重现了现场故障现象。最后得出开关柜跳闸是因地铁电缆绝缘层击穿，发生接地故障，保护动作跳闸，且故障期间相邻电缆受接地环流的影响，相关电流保护动作跳闸，最终导致多个地铁站整站失电这一结论。

本次事件暴露出许多问题，值得电力施工人员、运维检修人员及二次保护设计人员引以为戒。对于电力施工人员，应严格按照设计施工要求，保证电缆各部件连接的可靠及施工的正确性；对于运维检修人员，应严格执行运检要求，有效保证运营环境及设备的安全可靠；对于二次保护设计人员，应丰富保护原理知识，通过有效手段提前暴露一些隐藏的安全隐患，优化保护功能逻辑，防止事故扩大。

本文编自2022年第12期《电气技术》，论文标题为“一起地铁气体绝缘金属封闭开关设备跳闸故障原因分析”，作者为徐东坡、吴梦丽 等。