1、供变电 电气化铁道 2023年第3期 46 DOI：10.19587/ki.1007-936x.2023.03.010 变电所室外电缆起火烧损二次系统事故分析 张 宁 摘 要：铁路牵引变电所有较为完善的防雷设计，但高压电侵入变电所损伤二次系统的事故仍时有发生，影响变电所设备安全运行。针对一起铁路牵引变电所因室外电缆起火烧损二次系统设备的典型案例，从接地不规范、电缆隐患排查入手，结合环境和布局影响，分析原因，提出对策建议与解决方案。关键词：牵引变电所；二次设备；高压电缆 Abstract:The railway traction substation has relative comprehen
2、sive lightning protection design,however,the accident of burning of secondary system caused by the intrusion of high voltage power into the substation occurs frequently and it will interfere the safety operation of substation equipment.With regard to a typical accident that the secondary system equi
3、pment is burnt due to the substation outdoor cable fire,the causes of the accident are analyzed on the basis of investigation of non-standardized earthing and hidden hazards of cables with consideration of influences of the environment and layout,and counter-measures and solutions are put forward ac
4、cordingly.Key words:traction substation;secondary equipment;high voltage cable 中图分类号：U226.7 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2023)03-0046-03 0 引言 牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的心脏，是电力机车和动车组运行的能量源，是保证铁路运输安全的关键。牵引变电所一次系统设备是负责变电、输电、配电的高压控制设备；二次系统设备是对一次系统进行控制、调节、保护及检测的设备，一般包括控制、测量、信号、保护装置，其中综合自动化系统是二次系统的核心。目前，牵引变电所防雷技术比较成熟，但因
5、接地不良和电缆击穿造成高压强电侵入烧损二次系统设备的事故还屡有发生1。1 案例介绍 2022 年 11 月某日，某枢纽牵引变电所馈出至开闭所的高压电缆发生电弧性短路起火，短路大电流串入所内外开关机构箱、控制室、高压室，造成交直流系统、保护装置、高压电缆、GIS 柜等高低压设备大面积烧损，直至地方 220 kV 变电站跳闸，短路电流才得以切断。事故导致牵引变电所及合建的电力变配电所全所停电退出运行，影响接触网、信号设备及车站供电，造成较大的直接经济损失。事故变电所现场图示见图 1，1#、2#支柱高压电缆金属层分段接地示意图见图 2。作者简介：张 宁.中国国家铁路集团有限公司调度中心，高级工程师。
6、变电所中间接头护层保护器接地 起火源头2#支柱馈出回电缆直接接地 护层保护器接地 至开闭所直接接地馈出回电缆1#支柱 图 1 事故变电所室外高压馈线电缆走向示意图 护层保护器 护层保护器 护层保护器 01#支柱02#支柱直接接地 直接接地 接地保护装置 接地保护装置 中间接头 400 m400 m400 m400 m 图 2 1#、2#支柱间高压电缆金属层分段接地示意图 2 原因分析 2.1 接地不规范导致泄流不畅 事故发生后，对图 1 所示的两组馈出电缆虚线蓝圈接地点接地电阻进行遥测，发现有 7 处严重超标，2 处击穿烧毁。倒查运营记录，曾监测到回1#支柱处护层保护器温度异常升高。现场检查
7、1#支柱接地极安装不规范，缺少垂直接地体，水平接地体埋深 200300 mm（设计要求埋深 800 mm）。现场检查发现接地母排未安装固定牢靠，接地引线穿电缆沟壁侧未设绝缘防护，接地引线交织在一起，与金属构架直接接触，馈线电缆接地极电阻超标，引下线与地网的连接方式、线径、埋深及搭接度不达标2。现场检查 2#支柱高压电缆及其附件垂直接地体长度、埋深与设计文件接触网接地与回流安装图（通化 2009-1009-29）的对照见表 1。变电所室外电缆起火烧损二次系统事故分析 张 宁 供变电 47 表 1 支柱的垂直接地体现场检查与设计文件对照 m 技术参数 设计 现场 接地体长度 2.5 1.6 接地体
8、埋深 3.3 1.65 接地系统看似简单，但实际工程中，由于接地施工细节不规范极易导致事故，产生严重危害3。案例中，接地不良容易造成短路大电流不能及时泄入大地，无法得到有效扩散而导致回流不畅，当电缆护层保护器积累电荷不能得到有效释放，发热起火引燃高压电缆中间接头，造成高压电缆绝缘击穿引燃高压电缆，短路电流串入 1#支柱隔开控制箱，侵入牵引变电所内部，致使变电所接地网瞬间出现高压，因变电所内二次系统电气设备均与接地网存在电气连接，设备绝缘被击穿造成多处闪弧和起火，对周围的低压设备形成绝缘反击并烧损二次设备，由于高压配电柜的保护装置和操作电源因瞬间高电压侵入失去作用，断路器不能切断短路电流，致使事
9、故扩大。2.2 电缆存在安全隐患 案例中，现场检查发现高压电缆未分层敷设而是堆放在沟内地面，电缆头也无保护盒，接地引线互相缠绕，并搭接在金属构架上。牵引变电所主控室至室外高压设备之间存在大量馈线电缆和控制电缆，一方面部分电缆属于隐蔽工程范围，在电缆沟底因地表沉降产生损伤后难以察觉，另一方面由于年久运行可能产生电缆头放电、电缆击穿，甚至遭受感应过电压，产生大电流反窜回牵引变电所二次系统控制回路。在雷雨天气，电缆头内部绝缘缺陷可进一步加速造成主绝缘击穿。2.3 电缆护层保护器选型与安装不规范 本案例中，变电所馈线高压电缆截面积为 300 mm2，根据电气装置安装工程电缆线路施工及验收标准（GB 5
10、01682018）4，电缆接地线应采用铜绞线或镀锡铜编织线。现场检查电缆中间接头处护层保护器接地安装零乱，电缆护层保护器容量偏小，型号规格与电缆不匹配，主要技术参数不合格，从产品源头质量把关未落到实处。电缆外护套长期承受较高电压，短路电流冲击后，产生残余电荷多，护层保护器异常发热起火引燃高压电缆，短路大电流侵入变电所烧损所内二次保护等低压设备，导致保护功能失效，进而烧损变电所其他高、低压设备。现场电缆护层保护器选型关键指标与标准文件5对照见表 2。表 2 电缆护层保护器选型关键指标对照 电缆截面积/mm2 接地引线 截面积/mm2 2 ms 方波 通流容量/A 标准 150 25 600 现场
11、 300 16 200 护层保护器安装及与接地系统连接应可靠、耐久并接触良好，而现场及资料检查发现，馈出电缆中间接头的护层保护器接地引线之间相互缠绕、与金属构架直接接触、高压电缆互相交叉堆叠。2.4 设备布局不合理 随着大城市“米”字型开通线路的增加，在部分枢纽地区大型牵引变电所不断进行扩容改造，馈线单元越来越多，甚至变配电所进行合建，致使变电所设备布局越来越复杂且密集，一旦发生故障很难做到细分供电单元、缩小供电范围、压缩故障停时。案例中，交直流设备、保护装置烧损失效，短路电流不能切除，继续烧损电缆夹层、GIS 柜，直到主变匝间短路喷油，地方 220 kV 变电站跳闸，短路电流才得以切除。变电
12、所规模过大，单一所馈出供电臂达 16 条，致使越区方案复杂，牵引供电恢复时间长。同时电力配电所与牵引变电所合建，起火范围波及电力变压器，造成枢纽地区电力供应无法保障，影响生产与行车秩序。3 对策建议 3.1 接地整治 良好的接地系统对于牵引变电所二次系统防强电侵入至关重要，牵引变电所内外 500 m 范围内的供电设备接地均要进行优化整治，对二次设备共用交直流屏、主控室均压地网敷设、二次设备接地等进行排查。接地网采用均压效果较好的方孔接地网，合理设置水平均压带，避免地电位不均造成损伤。在隔离开关所在支柱上增设分支贯通地线直接连通综合接地网，当牵引供电系统发生近端短路时，将故障大电流通过与其电气连
13、接的接触网支柱直接注入到综合接地系统中，具有良好的分流效果，可防止交流控制回路设备损坏，大大降低由反击过电压导致的系统风险6。运营管理中应每年组织开展一次高压电缆运行时局部放电试验检测，强化高压电缆接地阻值、测温等日常设备维修工作安排，定期检测电缆、电缆附件、护层保护器温升变化。对隐蔽工程进行检查时，重点排查接地极长度不足、接地线材质不一、供变电 电气化铁道 2023年第3期 48 接地电阻与实测不符等问题。3.2 电缆隐患排查、验收与监控 对照 高速铁路接触网运行维修规则7规定，电缆终端接地线及端子应采取绝缘包扎并固定在电缆上，不得与金属构架直接接触；电缆上、下行间敷设应无交叉，供电线、正馈
14、线电缆间无交叉（特殊区段用绝缘板隔离），并按规定采取隔热及阻燃防护措施。尽量将各供电单元电缆分开敷设，对电缆夹层隐患进行排查，采用增加电缆沟、电缆排管方式补强电缆阻燃措施。电缆护层保护器安装在电缆保护接地一端护层与地之间，选型和安装须符合电力工程电缆设计标准（GB 502172018）8的规定，施工时须派专人盯控。电缆沟内电缆支架应焊接牢固并进行良好的防腐处理。当电缆桥架超过一定长度时应有伸缩装置，跨越建筑物伸缩缝处应设置伸缩装置。常见施工条件下电缆桥架伸缩量见表 3，伸缩量与桥架长度及材质膨胀系数成正比关系。表 3 常见施工条件下电缆桥架伸缩量 电缆桥架材质 膨胀系数/(-1)桥架 长度/m
15、 环境温差/伸缩量/mm 钢 0.000 012 30 50 18 铝合金 0.000 024 15 50 18 电缆中间接头宜采用阻燃包带或中间接头保护盒封堵，接头两侧及相邻电缆长度 2 m 范围内应涂刷防火涂料或缠绕防火包带。验收时检查电缆应排列整齐，接地点与接地网接触良好，接地电阻值符合要求，施工原始记录应载明接头安装关键工艺工序及安装日期。对于变电所辅助监控系统，可设置针对电缆 3接头、护层保护器、隔离开关引线等位置的视频和红外热成像监控措施，及时发现设备隐患，实现告警联动，提高运营信息化水平。3.3 合理配置隔离措施 在牵引变电所所用交流电源系统操作电源回路设置隔离变压器，实现将户外
16、接触网隔离开关电源回路侵入的浪涌电压进行隔离。为避免隔离开关和断路器操作过电压产生的电磁干扰，可采用光耦隔离措施将开关量采集回路接入综自系统。为提高供电可靠性，适宜在牵引变电所二次系统的电源回路、控制回路、开关采集回路、通信网络、GPS 天线等处装设浪涌保护器（SPD），有效吸收突发巨大能量，防止浪涌大电流烧损低压二次系统设备。为了防止 SPD 老化损毁对系统可靠性的影响，在 SPD 之前加装过流保护装置作为后备保护，同时做好不同级 SPD 之间的能量配合，将大电流能量逐级泄放，使浪涌能量不至于损坏设备，同时也可以保护用电设备免受系统内部瞬态过电压影响。变电所二次系统配置 SPD 层级配合见图 3。自用变低压侧 第一级SPD 第二级SPD 第三级SPD 总接地体连接带 PE PEN 图 3 二次系统配置 SPD 浪涌保护层级配合 3.4 设备合理布局 在进行枢纽地区大型牵引变电所设计时，需要充分考虑枢纽地区供电方式复杂、越区供电困难、停电运输干扰大等特点，应适度控制规模，合理划分设备布局，将电力变电系统与牵引变电系统分列布局，重要电力负荷应具备第 3 路电源9。高压电缆排布注意分列，减
