摘 要：电力配电系统为铁路系统中除了牵引供电设备以外的所有其他设备提供稳定、可靠的电能，这些设备主要包括通信、信号、车站、客服等所有与铁路运输密不可分的部分。电力配电系统的组成一般分为配电和输电两部分，其中配电主要是指电力配电所，它起着电能的引入、调整和再次分配的作用，因此，它的运行状态直接关系到整个电力配电系统的安全和稳定。对京沪高速铁路近几年的2 起配电所进线高压柜（GIS 柜）的电压互感器烧毁故障进行分析和研究，判断此类配电所系统在架空进线、中性点接地形式以及电压互感器本身参数等方面存在的问题，并给出相应建议和措施。
关键词：高速铁路；配电所；中性点接地系统；电压互感器；谐振
中图分类号：U224
1 系统概况
京沪高速铁路正线全长 1 318 km，其中电力系统全线共设置 24 座电力配电所、49 座低压站房变电所、512 座箱式变电站，10 kV 电缆或架空线路长约为 9 500 km。
电力系统电源电压一般为 10 kV，其构成主要包括电网线路、电力配电所、箱式变电站、车站站房变电所、车站信号变电所、牵引供电系统中的 10 kV 设备以及贯通电缆或架空线路。电力系统主接线图见图 1。
外电源线路：一般利用电力电缆或架空线路或两者相结合的方式从电网中取得电源，经电力配电所汇流、调压和分配，供给铁路系统 10 kV 用电负荷。
配电所：从电网外部电源线路取得电源，一部分由配电所直接供给车站站房变电所、道岔融雪箱式变电站和保养点箱式变电站及其他用电设施；另一部分经配电所内调压器或旁路联络线路与并联在母线上的电抗器组合，把符合技术规范的电源供给区间箱式变电站、车站信号变电所和牵引供电系统中的 10 kV 设备等用电负荷。
车站站房变电所：从配电所或电网中取得电源，经 10 kV 变压器变换电压，为车站提供 220 V 或 380 V 电源，保证通信、信号、客服、空调等用电，并根据负荷的重要程度分为 3 个等级，根据不同的等级来增加电源的备用回路或提高优先级，以保证供电的有序和合理。
车站信号变电所及箱式变电站：二者从本质作用和布局来看是相同的，都是从配电所和贯通电缆或架空线路取电，经 10 kV 变压器变换电压，将 220 V 或 380 V 电源供给区间箱式通信机械室、车站站内通信机械室、警务站所及重要处所值守岗亭以及其他低压用电设施。
牵引供电系统中的 10 kV 设备：从配电所中取得 10 kV电源，经牵引供电所亭内的 10 kV 变压器变换电压，将电源供给牵引供电所亭的交流屏，与既有牵引供电系统中的 27.5 kV 变压器的低压电源相配合，形成互备关系，以提高牵引供电系统的安全性和稳定性。
贯通电力电缆或架空线路：是整个电力配电系统中所有设备组成的连接线路，电缆通常由 2 个回路构成，分别称之为 1 级负荷贯通电缆和综合负荷贯通电缆，敷设于沿铁路两侧的预制电缆槽内或直埋沟内。
2 故障情况
2.1 案例 1
2015 年 12 月 19 日，京沪高铁东光配电所架空线路1 路进线零序过压告警，贯通母线电抗器断路器失压跳闸（判单相电压值），贯通母线贯通馈线断路器失压跳闸（判三相电压值）。抢修人员到位后发现进线电压互感器 B 相有明显放电烧伤痕迹。东光配电所电源进线方式为架空线路，且架空线路处上跨有多处电网线路，电网系统为中性点不接地模式，天气情况为雷雨大风。图2 为进线保护装置的故障录波曲线，表 1 为保护装置采集的进线和馈线两侧的电压值。
2.2 案例 2
2016 年 2 月 28 日，京沪高铁静海配电所架空线路 2路进线保护装置零序过压告警，且长时间未恢复。相关人员到达现场后发现，架空线路 2 路进线电压互感器的 B相有明显烧伤痕迹（图 3）。静海配电所外电源进线方式为架空线路，电网系统采用中性点不接地系统模式，天气情况为大风天气。
3 故障分析
3.1 案例 1
由图 2 故障录波曲线图形可以看出，架空线路1路进线和馈线电压 A、B、C 三相在一段时间内电压角度同相位，所以，造成调压器低压侧三相电压极小，低于相关保护装置失压整定值，从而造成相关馈线断路器和电抗器断路器跳闸。
电源进线电压互感器变比为 ，且此系统进线正常相电压值应为 5.77 kV（二次相电压值为 57.7 V，为了比较方便，以下以二次值进行计算比较）。从表 1 可以看出，进线电压最大值为 B 相，电压值为 134.550 V，高于系统电压额定值的 133%。由于进线保护装置未设置过电压保护，故障状态会持续较长时间，因此，长时间的过电压会造成 B 相电压互感器绝缘击穿损坏。
另外，由图 2 还可以得知故障的起始状态发生时，进线和馈线侧 2 组不同的电压互感器同时显示的电压值都不正常且数值趋势大致相同，则可以证明故障的发生不是首先由某个电压互感器的损坏所造成，而是进线线路上发生了其他故障（经检查发现进线线路上跨电力线路断线，搭接在了本线三相线路上），从而导致了后续更为严重的故障发生。
3.2 案例 2
案例 2 静海配电所与案例 1 东光配电所的故障类似，不同之處在于故障是由于架空线路 2 路电压异常造成的严重后果。保护装置显示是架空线路 2 路 A相直接接地，造成保护装置零序过压告警，其他进线各相相电压大幅抬升，过电压造成 B 相的进线电压互感器绝缘击穿损坏，从而在 B 相电压互感器处形成金属性永久接地。
3.3 调查及分析
根据以上情况得出几个共同点：①电源进线架构形式都为架空线路形式，进线电源系统结构为中性点不接地系统，此方式易受外界环境干扰和影响；②故障都是从进线零序过压告警开始的；③造成电压互感器损坏；④故障发生的时间都为冬季，且天气情况都较为恶劣。
架空线路在恶劣天气的影响下，易受环境的干扰和影响。电网为了适应这种架设形式的特点，一般采用中性点不接地系统，以保证当架空线路某相发生单相接地时，也能保证非故障相正常供电 2～3 h，以尽量减小故障影响范围。但由于进线故障所造成的电压谐振，会使进线电压值大幅升高，有可能造成半绝缘形式的电压互感器击穿，从而形成永久金属性接地。
架空电力线路的电压谐振问题实际上也是电磁式电压互感器的铁磁谐振问题，铁磁谐振的条件为：①系统为中性点不接地系统；②非线性电感元件和电容元件组成 LC 振荡回路；③LC 振荡回路中的损耗要比较小；④要有相应的故障产生为诱因，即系统有某种电压量和电流量的突变，如系统内开关动作或系统内线路瞬间接地、瞬间短路和持续单相接地等。
鉴于以上 LC 谐振条件与京沪高铁发生的故障特点具有高度的重合性，可以证明架空线路的电压谐振实际上也就是电压互感器的铁磁谐振。架空线路的等效电路图见图 4。
3.4 结论
电磁式电压互感器的铁磁谐振产生后常常引起其自身烧毁、爆炸等异常故障现象，主要原因是电力系统中有大量的电感、电容和电阻之类的阻抗元件，如电压互感器、变压器、调压器、组合电抗器等电感元件以及电容器、线路对地电容等电容等效元件，这些元件会组成 LC 振荡回路。在正常的运行条件下时，系统内不会产生严重的 LC 振荡现象，但当系统发生故障或由于某种原因使系统参数发生了变化，就很可能发生 LC 振荡。例如在中性点不接地系统情况下，当发生单相接地故障时，其电力变压器或调压器和相间电容、电压互感器或和线路对地电容，都有可能形成 LC 振蕩回路，即形成电压谐振。
此电压谐振常会引起持续时间很长的系统过电压。电压互感器在正常工作电压下，通常情况铁芯磁通密度不高，不会形成磁饱和，但是在过电压条件下铁芯会严重饱和，等效电感值会迅速降低，当达到 LC 振荡条件时，就会与串联电容产生谐振，即铁磁谐振。
正常运行时，电磁式电压互感器开口三角形二次线圈电压值理论上是 U0 = 0 V，实际运行中开口三角形电压值一般为10～15 V。但当电力系统中发生单相接地时，开口三角形电压值 U0 将迅速升高，达到 30～120 V，形成过电压。当系统运行时，会在电磁式电压互感器中产生很大的谐波含量，导致电磁式电压互感器内部铁芯磁通严重饱和，造成二次侧输出波形严重畸变，当畸变量足够大时，就会形成铁磁谐振，进而有可能损坏电磁式电压互感器，从而造成事故扩大化。
4 应对措施
电力系统内的电压谐振大部分是由电磁式电压互感器的铁磁谐振所引起的，因此，如何消除或尽量避免电磁式电压互感器的铁磁谐振是解决此问题的关键所在。防止铁磁谐振的产生，应从改变供电系统电气等效参数着手，破坏 LC 振荡回路中发生铁磁谐振的所需参数匹配，这样就可以最大限度地防止电磁式电压互感器发生磁饱和，进而减少铁磁谐振发生的概率。另外，必须从保护参数配置的方面进行设置，以最大限度地保证系统安全。
4.1 改变相关电气参数
（1）配备专业的微机保护设备或增加相应的保护模块。当电力系统中发生单相接地故障时，为最大限度地破坏电磁式电压互感器的谐振条件，可通过微机保护装置来实现如下功能：微机保护装置采集系统电量信息，如电压、电流、阻抗角等，当保护装置判断系统内发生了 LC 振荡现象，自动将电磁式电压互感器的开口三角形线圈直接短接或通过阻尼电阻短接；当保护装置判断系统谐振消除后，发出命令，断开短接开关，使得电磁式电压互感器恢复正常运行状态。
（2）升级电磁式电压互感器的电气参数。升级电压互感器的抗谐振参数，提高励磁曲线的拐点参数；减少系统中电磁式电压互感器的数量，尤其是限制在中性点不接地系统中的电磁式电压互感器的使用数量。
（3）系统尽量每相对地加装电容器。通过在线路中并联电容、电阻和电感的组合单元，破坏或提高谐振发生的条件参数，从而使得谐振发生的概率降低。
4.2 消耗谐振能量
在电磁式电压互感器开口三角形侧并联阻尼电阻。当系统在正常运行时，电磁式电压互感器二次侧开口三角处绕组两端理论上不会有电压产生，或仅有极小的电压产生。当系统发生单相接地故障或其他非对称类系统故障时，由于在电磁式电压互感器开口三角形线圈侧并接有阻尼电阻，并且此处阻尼电阻阻值极小，开口三角形绕组线圈两侧近似于短接，从而起到了改变电磁式电压互感器抗谐振参数的作用，能防止电磁式电压互感器发生磁饱和，同时能有效地消耗系统内的谐振能量，防止系统内产生谐振过电压。
4.3 增设过电压保护
重新设定保护装置配置。可以在架空线路的进线保护装置中设置过电压保护，使其整定值为1.5倍的系统相电压，跳闸判据单相。当发生谐振，电压升高到电压整定值，断开进线断路器。
5 结束语
在普速铁路中，电力系统采用线路架空方式加中性点不接地系统是一贯的做法，本质上是为了提高整个系统抵抗安全风险的能力和提高供电的可靠性。但随着中国高铁的营运里程突破 2.2 万 km，且电力电缆的使用不仅是从规划方面考虑还是安全风险方面考虑，如果照搬既有成熟的模式，就会引发很多新的问题出现，因此，很好地统计和总结运营中出现的各种故障，对于中国高铁建立相应的标准有着很重要的意义。
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收稿日期 2017-09-26
责任编辑 冒一平