牵引回流过大对配电室馈出线零序保护的影响分析

王 宁

摘 要：动车组受电弓与接触网接触受流后，电流会通过轨道、回流线和大地流回至牵引变电所的变压器中性点。青连铁路联调联试期间，在动车组检测车途经10 kV配电所后发生贯通馈出（综合贯通）线零序过电流保护误动作跳闸，经过分析该问题由牵引变电所回流过大所致。本文提出因杂散电流过大引起零序电流误动作的应对措施，在进一步论证该线采用消弧线圈接地方式具更好可靠性的基础上，提出了不同接地方式下保护整定值的配置、整定原则，及在联调联试期间采用多种运行模式对整定值进行修订和调整，以进一步提高牵引供电系统的可靠性。

关键词：牵引变回流；接地方式；零序电流保护；保护整定

1 概述

青连铁路牵引供电系统采用直供+回流线的供电方式，外电源系统采用220 kV，牵引变压器输出27.5 kV电压，电流沿接触网输送给电力机车，然后经轨道流回至牵引所。因高速铁路轨道绝缘和大地存在一定的泄漏电阻，沿轨道流回的电流相继泄入大地，因轨道与地的过渡电阻较大，电流大部分又通过牵引所地网返回牵引所，少部分通过轨道返回，但最终均流回牵引所的接地箱。

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定义3 ε-差分隐私.给定值域为Range(A)的随机算法A:Rn×m→Rn×m，当输入两个相邻的评分矩阵R、R′和非负实数ε，若对于任意S⊂Range(A)，都有

图1为接触网牵引回流示意图，电力机车取得电能后，首先通过钢轨，再分别通过钢轨、回流线、大地3种方式流回牵引所的接地箱（JDX）。正常情况下，在双电气化区段，回流线回流和钢轨吸流的回流效果约占75%～85%，当上述回流不畅时，地回流将成为主要的回流方式。

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在牵引变电所的主接线中，主变压器采用20 MV·A变压器，其二次侧设置接地箱（JDX），将回流线、钢轨、接地网和综合地线统一汇集，牵引回流统一返回至变压器中性点，具体如图2所示。

2 现场情况分析

通常情况下，轨回流和回流线回流要大于地回流，电流通常按照设计的径路流通。但实际中，经常出现地回流过大，主要原因是轨回流不畅，泄漏到钢轨的电流无法通过金属性连接流回变电所；或者存在迂回路径，造成回流阻抗过大，回流不得不通过地下回流。

图1 接触网牵引回流示意图

图2 接地箱接线示意图

青连铁路在联调联试期间，电力机车、动车组综合检验车在通过10 kV配电所过程中，多次影响10 kV供电系统，具体如下：

（1）2018年11月9日9：00～14：00，电力机车通过董家口35/10 kV变电所过程中，综合贯通馈出柜N32董奎线高压开关出现零序过电流保护动作，造成董奎区间综合贯通线路停电，事故报告见表1。

表1 董家口35/10 kV配电室N32柜贯通跳闸事故报告

电压互感器10/0.1 kV电压互感器10/0.1 kV电流二次值/A(50/5)零序电流二次值/A(50/1) 母线侧线路侧 UabUbcUcaUabUbcUcaIaIbIc启动出口返回 100.1100.1100.199.7299.8399.660.810.330.50.630.42 UabUbcUcaUabUbcUcaIaIbIc启动出口返回 99.0999.8399.8599.599.5799.470.51.10.710.50.680.41

（2）2018年11月10日和17日，电力机车通过奎山10 kV变电所过程中，综合贯通馈出柜N32奎赣线高压开关出现零序过电流保护动作，造成奎赣奎区间综合贯通线路停电，事故报告见表2。

表2 奎山10 kV配电室N32柜贯通跳闸事故报告

电压互感器10/0.1 kV电压互感器10/0.1 kV电流二次值/A(50/5)零序电流二次值/A(50/1) 母线侧线路侧 UabUbcUcaUabUbcUcaIaIbIc启动出口返回 96.7396.496.6496.4396.1396.310.91.30.360.50.640.41 UabUbcUcaUabUbcUcaIaIbIc启动出口返回 99.0996.0596.7596.0695.7695.4495.760.81.10.360.50.54

（3）电力机车通过青连区间时，10 kV配电所综合贯通馈出柜（N32）高压开关出现零序过电流保护动作，且均发生在机车往小里程运行过程中。

3 原因分析

从以上2个配电所4次跳闸的情况来看，贯通线出现零序过电流保护误动作与牵引供电系统的回流有直接关系（一般出现在列车经过10 kV配电所前后十几秒的时间范围内）。

3.1 牵引回流不畅

电力机车取得电能后，电流首先通过钢轨再分别通过钢轨、回流线、大地等方式流回牵引所。实际出现的回流过大往往与扼流变压器中性点连接缺失或吸上线的布置不合理有关，造成牵引回流迂回，沿大地绕回牵引所中性点[7]。

在牵引回流流回牵引所过程中，牵引过电流流入10 kV配电所接地网，造成上述现象。

3.2 钢轨对地的泄漏电阻较大

为缓冲列车对轨道板的冲击，钢轨与轨道之间敷设有绝缘垫板，钢轨对地存在泄漏电阻，从电力机车泄向钢轨的电流在返回变电所的过程中，一部分会通过泄漏电阻泄入大地，形成地中电流，而在靠近变电所区域，一部分通过泄漏电阻重新流入钢轨，而另外一部分则从变电所的接地网返回至牵引变压器。

按照上述分析，通过泄漏电阻泄入大地的电流在电力机车通过10 kV配电所的过程中达到最大，尤其在电力机车向牵引变电所行进时，接地网中的返回电流和地网的电位抬升均会增大[5]。

因10 kV配电所的接地电阻不大于1 W，实测为0.45 W，因此，电力机车在行进至配电所过程中，其牵引回流也会涌入至10 kV配电所，造成配电所零序互感器动作。

3.3 感应电流沿贯通线引入

根据上述数据，零序过电流保护动作时，母线和线路的电压并未发生变化，说明不是由于中性点漂移产生的零序电压。

青连区间贯通线个别区段采用架空线，沿正线两侧护栏内敷设，距离铁路正线最近位置仅为 19 m。而单相27.5 kV的牵引供电网会对周围线路产生电磁感应，即产生感应电。由于青连正线距离较长，从实测数据看，感应电流涌入10 kV配电所对系统的影响也不容忽视。

江苏省防汛防旱监测预警系统从2011年开始在江苏省防办投入使用，在汛期该系统已产生了数千条预警信息，预警及时。

感应电测试方法：当10 kV线路停电，在不接地的情况下，用绝缘工具、仪表分别测试A、B、C三相对地电压值，测试结果如下：（1）在架空线路末端，未接地的情况下，测试感应相电压值为197、203、207 V；（2）在架空线路末端，分别接地的情况下，测试感应相电压值为54、59、55 V[2]；由于贯通线与接触网并行敷设，且架空区段占全线的1/3，区间感应电流会产生一定影响。

3.4 牵引回流引起地网电位升高

青连铁路正常运行时采用带回流线的直供方式，在接触网支柱上架设一条与钢轨并联的回流线（NF）。因接触网与回流线之间的互感作用，使流经钢轨的电流可能由回流线流回牵引变电所，但电力机车在经过10 kV配电所过程中，产生地回流流经10 kV配电所的综合接地网（对于青连铁路而言，以16辆编组列车为例，速度为350 km/h时，牵引回流有1 000 A，通过理论分析大约有200 A的地回流流经10 kV配电所综合地网），造成地网的电位升高。地电位升高引起10 kV电网中性点发生漂移，产生不平衡电流，流经中性点。

3.5 接地电阻对回流的影响

由于青连铁路位于沿海地区，土壤电阻率较低，接地电阻小，增加了钢轨和轨道之间的泄漏电流的流通路径，使得牵引回流流向大地。增设贯通地线后，其较小的泄漏电阻会使泄漏到大地的电流增大，导致地回流增大。

此外，回流过大的另一个主要原因是扼流变压器中点的横连线缺失，造成与吸上线连接失效。

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3.6 牵引回流过大造成电力配电系统短时过电流

3.6.1 传统单相接地故障分析

当电网受到雷击或发生单相电弧性接地时，中性点电位将上升到相电压，对10 kV系统的绝缘和设备的正常运行产生危害。

正常情况下三相平衡，中性点的对地电压为0，即UN = 0，各相对地电压为相电压，三相对地电压之和及三相电容电流之和均为0，此时电网中没有零序电压和零序电流[1]。

当发生单相接地时，接地相（如A相）的对地电容被短接，则A相电位UA变为0，此时大地的电位不再与电网中性点等电位，而B、C两相的对地电压升高，此时电网中性点电压UN = -EA，各相对地电压分别为，，，此时电网将出现零序电压：

由于UA = 0，电网中所有线路A相对地电容电流为0，而非故障相B和C相由于电压升高其电容电流不为0，出现了零序电容电流，即。

综上，当发生单相接地故障时，相电压升高为线电压，电网出现零序电压U0，约等于故障前电网的相电压。

3.6.2 感应过电压引起的电源波动

方案C──结构性玻璃钢复合材料。整体预制成玻璃纤维增强塑料管，现场采用钛钢螺栓压接在筒壁上。该方案具有良好的防腐性能，对施工环境的适应性强；但在结构负载下的风险较大，由于其受力所需，难免要增加材料的厚度和用量，因此大幅提高了建设成本，并且施工难度较大，施工工艺复杂，高温下老化快。

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经过现场实际测量，正常情况下，贯通馈出柜基本保持三相平衡，无流过，系统基本处于平衡状态，未检测到零序电压。

当现场有电力机车通过时，经过实测，贯通馈出柜N32柜的零序电流互感器电流峰值可达到36 A左右，但零序电压的值未出现明显变化，说明不是由于中性点飘移产生的零序电流。现场实测数据显示，消弧线圈互感器的感应电流发生变化，其一次侧感应电流最大值达到2.8 A左右，主要为消弧线圈抵消感应容性电流后的有效值，若无消弧线圈，该值还将更大。

每学年选择一个月专门进行科技创新活动。学生根据自己的兴趣爱好参加兴趣小组，由专业教师对其创新项目进行相关专业知识的辅导，最终将其创意转化为产品，为此学校应该对兴趣小组配备专业教师，支撑兴趣小组长足的发展。通过学生兴趣小组创新产品展示，再通过选拔，决出科技创新优胜者，予以表扬，为参加省级及国家级科技创新大赛选出竞赛作品。另外，学校可围绕兴趣小组的创新研究，专门开设和开发校本课程，这样也为培养学生的创新意识和创新思维奠定基础。

4 产生的危害

根据中国铁科院出具的实验报告，青连铁路系统接地电阻为0.88 W，而10 kV配电所接地电阻在0.45 W以下，因地回流过大，造成部分接地回流涌入10 kV配电所的接地网，造成一定的安全隐患。

（1）接地网中长期流过电流，对变电所的安全运营造成影响。当接触网有负荷电流时就会产生地回流，引起继电保护装置误动作，严重影响铁路运营。

（2）对二次设备的影响。当电力机车运行至10 kV配电所附近，接触网发生单相接地短路故障时，强大的短路电流在流回牵引所的过程中会涌入10 kV配电所的接地系统中，造成接地网的电位差随地回流的增大而升高，配电所内电位升高，所内电气设备接地端带电，危及二次设备的安全。经实际测量发现，短时零序过电压值达到46 V，超过了规定的40 V。长期带电运行，将危及综合自动化装置和远动交换机装置的运行安全。

⑨陆游有诗题《初入西州境述怀》，其《遣兴》有“西州落魄九年余，濯锦江头已结庐”，其《叙州》之《锁江亭》有“浣花行乐梦西州”；《秋日怀东湖》云“边州客少巴歌陋”，《泸州使君岩在城南一里》云“云间刁斗过边州”《醉中感怀》云“只今憔悴客边城”。

（3）地网腐蚀的影响。随列车开行密度的增加，接地网有电流长期流过，造成接地装置的电化学腐蚀，导致接地扁钢腐蚀过快而断线，使接地电阻升高。根据文献[6]所述，接地网长期有电流流过会造成其接地电阻升高，最大可达到7.3 W，超过设计值。

5 解决方案

5.1 接地电阻对回流的影响

因该10 kV配电所距离线路较远，大于《铁路电力设计规范》（TB 10008-2015）规定的20 m范围，因而未接入贯通地线。而10 kV配电所接地电阻小于0.5 W，牵引回流很大程度上被配电所综合接地吸收。综合考虑本项目的实际情况，若将10 kV配电所的综合接地与贯通地线连接，有利于附近泄漏至大地的电流通过10 kV配电所的综合地网返回至钢轨，可减少部分回流电流。

5.2 消弧线圈接地方式零序电流保护整定原则

《铁路电力设计规范》（TB 10008-2015）第4.3.10条，《城际铁路设计规范》（TB 10623-2014）第13.2.6条及《高速铁路设计规范》（TB 10621- 2014）第12.2.10条规定：“1.当系统单相接地故障电容电流不大于10 A时，应采用不接地系统；2.当系统单相接地故障电容电流不大于150 A时，可采用低电阻接地方式或消弧线圈接地方式”。因青连线路初步设计批复为混架线路，且电缆占供电臂的比重为2/3，为了减少因非永久性故障对供电可靠性的影响，以及根据上述规范要求，采用消弧线圈接地的方式，可以带故障运行2 h，并且可以有效消除故障点的电弧，使故障点电流降至10 A以下，有利于防止电弧过零后重燃，使接地电流迅速消除而不至于引起过电压。

当10 kV供电系统采用不接地系统时，发生单相接地故障时的故障电流值不大，3相线电压仍然保持对称，对负荷供电短时无影响。针对线路方向发生单相接地，根据故障线路零序电流的大小及零序电流流入流出母线的方向，设置零序电流保护。

图2是位温误差与垂直速度的关系,可以看出,与水平方向误差特征类似,垂直方向误差也是集中在对流区域(图2a、b),这进一步说明了在对流区域及其附近误差容易快速增长。从时间演变来看,误差最大值仍然是在飑线强盛时期(24日00时),中心值可达5 K(图2b),随后误差大值区范围不断扩大而不局限于对流区域(图2c、d)。整个飑线模拟过程中,在离对流区域不远的地方也有小振幅的误差存在,这可能是由于湍流的内部作用引起的。

当10 kV供电系统采用消弧线圈接地系统时，为避免发生串联谐振情况，一般采用过补偿的方式，即补偿电感电流大于容性电流，流经故障线和非故障线的电流均为本线路的电容电流，方向为母线指向线路，其大小差异也不大，此时采用不接地系统构成的单相接地保护方式已不适用。另外，还需增加一个继电保护判断环节，引入零序电压保护来检测消弧线圈运行方式下保护整定值的设置[1]，具体如下：

（1）增设保护功能。参考电力行业标准DL/T 584-2007《3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》，增设零序电压闭锁功能。因发生单相接地故障和感应故障的原理不同，单相接地故障发生后，中性点漂移会产生过电压，而感应故障中无电压波动，可在综合自动化装置中设置一套保护程序，重新编写代码，当过电压超过30 V时，继电保护才动作。

考虑到真正的消弧线圈保护也需在继电保护方面增加一套电压检测条件，其零序电压值等于故障前的电网相电压，整定值考虑略大于30 V即可。

1) GE水煤浆煤气化装置在正常运行过程中，气化炉激冷室底部和洗涤塔底部产生的黑水经角阀后进入高压闪蒸罐，黑水角阀后设置筒体，用以减缓高压黑水对闪蒸罐的冲击，高压闪蒸压力设定为0.8 MPa。由于该角阀前后压差较大，且黑水中含有大量的固体颗粒，约240 ℃的高温黑水出角阀后瞬间发生汽化，角阀筒体内介质流速瞬间增大，加剧了角阀筒体的磨损，严重时角阀筒体被黑水磨穿，角阀筒体磨穿后大量黑水外溢，外溢黑水不但影响系统的正常运行，还严重影响现场工作环境[4]。

（2）设置零序过电流保护的动作时间。适当提高零序过电流的保护整定值，将零序电流延时时间整定值调整为30 s，当发生永久性（金属）单相接地故障时，可以经选线装置或微机接地保护检出故障线路后，作用于跳闸；也可以使电网在一定时间内带故障运行，待调度部门转移负荷后延时跳开故障线路，自动消除电网瞬间单相接地故障的影响，使电网具有较高的运行可靠性。

5.3 对试验测量的建议

实际测试过程中，在选择回流测试点时，应选择距离牵引所较近、股道数量不多、钢轨导流分流较少、贯通地线分流较少的位置进行测量。此外，还应与站前专业配合，根据线路专业的轨道表、测试点的位置选择地下金属管线较少、贯通地线分流较少的位置进行测量。

虽然贯通地线承担了一部分牵引回流，可降低轨道电压，但在实际过程中，还应核实检查区间贯通地线是否存在断线造成牵引回流出现迂回导致接地轨电流过大的情况。

5.4 设计角度的建议

改善牵引回流是一项系统性工程，涉及牵引供电、变电和信号等专业，为进一步改善牵引回流，应从设计环节完善相关内容，加强回流设计的系统性、完整性和正确性。

针对设计速度为200 km/h的铁路，采用ZPW-2000轨道电路时，相邻完全横向连接设置间距不宜大于1 500 m，吸上线（CPW线）均可连接至完全横向连接对应的扼流变压器中点。根据上述要求，信号专业根据变电所所址等资料，提供完全横向连接（扼流变）位置给接触网专业，由接触网专业完成吸上线（CPW线）及N线连接（图3）。

图3 牵引变电设施处回流连接示意图

当扼流变距离牵引所位置较远时，接触网专业应根据上述相关专业提供的资料，与信号专业积极沟通，落实扼流变连接牵引变电设施的电缆导线长度，应尽量短，以减少因电缆较长造成的电流损失。

5.5 综合接地的必要性

牵引供电系统属强电系统，是电磁感应干扰、静电感应干扰和传导干扰的源[4]。钢轨与地绝缘不良会对地产生泄漏电阻。普速电气化铁路钢轨对地泄漏电阻较低，列车牵引电流较小，但对于高速铁路，牵引回流和牵引侧最大短路电流较大，应将所有牵引供电系统、电力配电系统、信号系统和通信系统的接地设计为一个整体，形成统一的地，并使其电阻尽量小。建议新建配电系统的接地均与综合接地系统联结，进一步完善《铁路电力设计规范》（TB 10008-2015）中20 m范围的规定。

6 结语

本文通过对新建铁路动态验收过程中出现的跳闸现象，对接地系统相关文献和规程进行研究分析，总结了出现过电流的原因、解决方案并提出合理化建议，提高供电系统可靠性。

对接地回流过大的原因进行了探讨，并提出了回流过大的解决方案。针对回流较大，应重新核对变电所附近站场范围内扼流变压器中性点是否可靠与钢轨连接，吸上线设置是否合理，是否有偷盗现象和施工未完成的情况，从施工的角度重新检测是否存在断线。

提出铁路10 kV配电所针对牵引回流较大应采取的必要措施，防止非接地故障引起零序电流误动作，从二次整定值、继电保护以及增加贯通地线物理连接等方面采取措施，减少牵引回流过大对配电所的影响。

对测量回流的方法提出改进建议，提出测量位置应尽量选择距离牵引所回流位置较近处；进一步梳理在设计阶段牵引变电所附近的站场范围内扼流变和吸上线的布置方法，核实设置资料是否完整；从施工角度进一步优化专业整合，落实牵引变电专业设置的接地线是否与贯通地线可靠连接，落实接触网N线是否与扼流变中性点可靠连接，核实贯通地线是否出现断线等情况；铁路电力施工单位应做好贯通线的接地，按照设计要求做好铁路电缆接地，全单芯电力电缆应做好单端接地，三芯电缆应做好两端接地；若为混架线路，距离铁路正线的距离不但需要满足杆高加3.1 m的要求，在经济性允许的条件下，架空线路应尽量远离铁路正线，最好位于铁路栅栏以外。

10 kV配电所选址应尽量远离牵引变电所，防止牵引回流涌入对配电所接地网、10 kV供电系统的地电位、配电所内继电保护整定值产生影响，尤其是27.5 kV系统在发生单相接地故障时，最大短路电流超过20 kA的情况下，将对配电所内二次设备的安全产生破坏性影响。当配电所位于站场范围内，无论是否距离正线20 m，均应与贯通地线进行可靠连接，并综合考虑站场范围内的站房、雨棚等的设置位置，统一连接至贯通地线，使流入铁路配电所的牵引回流分流至贯通地线。

例2.The dim sum are also must-tries.(China Daily,2015-07-24)（点心）

提出消弧线圈运行模式下10 kV综合贯通馈出柜的继电保护设置需增加电压闭锁功能；在运行时间和真假故障电流的判断上，针对感应电流过大，提出消弧线圈运行模式下整定值的设置原则。

参考文献：

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[8] Edson R. Detjen, Kanu R. Shah. Grounding Transformer Applications and Associated Protection Schemes. IEEE Transactions On Industry Applications, Vol. 28， No. 4，July/August 1992.

Abstract: After the pantographs on EMU make contact with the catenary and collect the current, the current will flow into the neutral point of transformer in traction substation through rails, return wires and the earth. In period of commissioning of Qingdao-Lianyungang railway, miss action protection caused by zero sequence current was occurred on through feeders (integrated through feeders) after the EMU inspection car was passing through 10 kV power distribution station, it was concluded that the higher traction return current is the main causes on the basis of the made analysis. The paper puts forward relative measures on prevention of miss operation caused by the zero sequence current due to the higher stray current, and basing on the illustration of that the earthing mode by application of arc suppression coil shows better reliability, puts forward the configuration and setting principles for setting values under different earthing modes, as well as the revision and modification of setting values under several operating modes during commissioning period, so as to improve the reliability of traction power supply.

Key words: Traction return current; earthing mode; zero sequence current protection; protection setting

中图分类号：U223.8

文献标识码：B

文章编号：1007-936X(2019)03-0025-05

DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.03.007

收稿日期：2019-02-12

作者简介：王 宁.中国铁路设计集团有限公司，工程师。