摘要：高铁枢纽电力系统主变中性点接地方式采用的是不接地方式，从近年来的运行情况来看，存在较大的局限性，本文主要介绍了高铁枢纽电力系统电力线路特点及运行中遇到的问题，阐述了主变中性点不接地系统在高铁枢纽电力系统中的局限性，提出改善和建议，给高铁枢纽地区电力运行管理工作提供一定的参考。
关键词：高速铁路；电力系统；中性点不接地；小电阻接地
随着高速铁路不断发展，高速铁路电力系统线路特点也发生了巨大的变化。集团公司管内高铁枢纽电力系统主变均采用中性点不接地方式，虽然在一定程度上确保了这一区域的供电安全，但是实际运行中也存在一些问题或隐患。下面就高铁枢纽电力系统电力线路特点以及近年来运行中常出现的问题进行分析，阐述了中性点不接地系统的局限性，针对这一不足，提出改善和建议，给高铁枢纽地区电力运行管理工作提供一定的参考。
一、高铁枢纽电力系统运行现状
1.高铁枢纽电力系统介绍
高铁枢纽电力系统常采用10kV配电所与220kV牵引所合建，10kV电源由牵引所动力变二次侧引接，所有电力线路全部采用电缆敷设，220/10kV主变及10kV母线不接地，一贯综贯全电缆线路区间采用调压器中性点经小电阻接地方式。
以虹桥牵引所10kV配电所（系统简图（仅画一段母线）如图1所示）为例：220KV变电所电力主变中性点不接地，馈出线路包括：站房南北辅楼、动车所、加压泵变、保养点箱变等双电源负荷，其中京沪高虹桥-昆山南、沪杭虹桥-松江南区间的一贯和综贯电源采用母线分段经调压变供电，调压器中性点经小电阻接地。
10kV配电所的中性点不接地部分的馈出回路，均采用电流保护：电流Ⅰ段（速断）和电流Ⅱ段（过电流保护，时限为0.5S）的保护方式。区间一贯和综贯采用电流Ⅰ、Ⅱ段及失压和零序电流保护。
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图1 虹桥牵引所10kV配电所供电系统简图
主变中性点不接地方式，结构简单、投资省、运行维护方便，故障电流小。单相接地时，故障相电压降为零，其他两相电压升高倍，而线电压大小维持不变，所以不影响三相设备的正常运行，根据规程规定，系统仍可带故障继续运行1-2小时，便于运行管理人员作出处理，因此，一定程度上提高了供电的可靠性。近年来，虽然确保了这一区域的供电安全，但是在保护的选择性、可靠性等方面也存在一些问题或隐患。
2.运行中出现的问题
高铁枢纽电力系统故障以电力电缆故障为主，近年来，由于施工工艺、敷设方式、电缆中间接头制作工艺、运行环境等因素，频繁爆发电缆故障，且多为单相接地。发生单相接地后，电弧燃烧时电流不断变化，电流保护可能动作也可能不动作，不能满足迅速切除故障的要求，直到接地电弧的电流突然上升到电流保护整定值时，才保护动作跳闸。
2016至2018年，南京南220/10kV变配电所至南京南站东北、西南所两路电源线共计发生电缆故障5次，每次电缆故障均同时出现3至6处同相或异相故障点；2010年至今，上海虹桥220/10kV变配电所至虹桥动车所两路电源线共发生电缆故障6次，每次电缆故障均同时出现2至8处同相或异相故障点。
高铁枢纽地区电力电源电缆主要沿动车走行线两侧电缆槽敷设，出现电缆故障时，不仅查找困难，而且必须在有限的天窗时段内上下道和故障处理，故障处理周期长，严重影响高铁供电安全稳定。
经过分析与总结，电缆多点故障主要原因包括：
（1）电缆中间接头质量差，电缆接头的制作工艺不符合施工规范和技术规范相关要求，电缆中间接头的缺陷是造成单相接地或短路故障的主要隐患点。
（2）因施工不当，造成电缆外护套破损，破损点进水潮湿，导致铠装层与大地形成环流，铠装层的感应电压持续对地放电，最终导致电缆主绝缘被击穿。
（3）10kV系统为中性点不接地方式，接地电容电流较大，电缆故障初期一般为单点单相接地故障，且接地情况复杂，主要包括直接接地、间隙接地、弧光接地等。不接地系统中故障线路带病运行，未能迅速切断故障，非故障相电压升高，且电压连续波动，加速了非故障相电缆的绝缘老化，绝缘受损，导致多点故
障。
3.高铁枢纽电力系统线路特点
高铁枢纽电力电源电缆均为单芯铜质非磁铠装电缆，线路存在敷设距离长、负荷电流大、中间接头多、接地方式不统一、受牵引供电线路运行状况影响大等问题。主要呈现出以下特点：
（1）受外部因素的影响很小，发生瞬时接地机会小，一旦发生接地故障，通常是永久性故障。
（2）对地电容电流很大，电弧不能自行熄灭。
在中性点不接地系统中，若大长电缆线路发生单相接地，接地电流为流过故障相电缆的容性电流，为各馈出回路电缆线路总的对地电容电流（忽略电力设备容性电流的影响），其值Ic为：
Ic=0.1UnLz
Un为电网额定线电压
Lz为各回路电缆总长度
近似计算以后，每公里电缆线将有1A上下的电容电流，以虹桥动车所为例：若北辅楼电源发生接地，考虑同一母线上其他馈出电缆电容的影响，其接地电容电缆将达到：Ic=0.1UnLz=0.1*10*（1.9+5.7+0.4+0.9+0.4+3.7）=13（A），也将远大于设计规范规定的系统单相接地电流不大于10A的要求。
（3）单相接地后，电容电流急剧上升，由单相电弧接地故障引起和激发的过电压可能性显著增加，高频过电压出现的可能性增加，直接导致老旧电缆绝缘击穿事故概率上升，不利于电网安全运行。
（4）电缆的绝缘是有机绝缘，一旦发生绝缘击穿，将为永久性故障，绝缘无法自行恢复，如果未及时断电，故障处绝缘将被迅速烧毁并发展成为相间故障，从而扩大事故范围。因此，电缆击穿故障需要快速切除故障。
（5）故障排查和抢修用时长，由于高铁枢纽地区电力电源电缆主要沿动车走行线两侧电缆槽敷设，出现电缆故障时，不仅查找困难，而且必须在有限的天窗时段内上下道和故障处理，故障处理周期长，严重影响高铁供电安全稳定。
（6）全电缆电力线路如采用消弧线圈接地，很难使残余电流小于10A，因为很难兼顾残余电流小于10A、中性点位移电压小于相电压的15%以及合理的补偿脱度这三个条件。
4.中性点不接地的局限性
结合高铁枢纽电力系统运行现状和其电力线路特点，高铁枢纽电力系统中性点不接地有一定的局限性：一是由于高铁枢纽电缆发生单相接地故障概率多，不能及时迅速的切除故障，全电缆线路接地电容电流大，故障处绝缘会被迅速击穿，从而加大电缆相间或多点故障的概率；二是在中性点不接地方式下，中性点绝缘，电网对地电容中贮存的能量没有释放通路，在发生弧光接地时，电弧会反复熄灭并重燃，这也是向电容反复充放电过程，加大的过电压危险，电缆薄弱环节绝缘击穿事故可能性增加，不利于电网安全运行；三是根据规程规定，中性点不接地系统在发生单相接地故障时允许带病允许2小时，并不能为高铁枢纽故障排除和抢修提供充足的时间。
借鉴客运专线和高铁线路区间一贯综贯全长大电缆线路目前采用的调压器中性点经小电阻接地的运行方式以及目前城市电网中部分10kV电力系统采用经小电阻接地方式运行经验来看，中性点经小电阻接地系统在全电缆线路系统中占有一定的优势。
二、高速铁路区间变配电所中性点接地方式借鉴
高速铁路铁路区间变配电所根据一贯综贯电力线路特点，全电缆线路均采用调压器中性点经小电阻接地系统，一贯和综贯调压变中性点通过小电阻接地，相当于在系统对地电容上并接一个电阻R。
1.小电阻接地系统的介绍
（1）小电阻接地方式
目前，经小电阻接地方式基本有两种：主变二次侧为△接，无中性点引出，利用一台Z型变压器接在母线上，构成人为中性点加接接地电阻，如图2（a），电源侧变压器为Y接，中性点直接引出接地电阻，如图2（b），目前高速铁路区间调压器中性点经小电阻接地均采用如图2（b）的方式，枢纽站场电力系统主变均为Y/△接线，需采用图2（a）的方式。
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图2（a）人为中性点加接接地电阻 图2（b）中性点直接引出接接地电阻
（2）保护设置
由于小电阻接地系统的中性点以很小的电阻接地，任意一相接地故障，都会产生很大的接地电流，甚至可以达到数百或数千A。必须快速、可靠地切断，因此，需要设零序电流保护装置。
单相接地电流是三相不平衡电流，可以使用零序电流互感器轻松测量。零序电流可以通过两个方式测量。零序继电器的两种接线方式如图3所示。两种的接线方式不同，效果也不相同。图3（a）通过三相电流互感器每相连接到零序继电器。这种方法只需要在现有的电流互感器上添加一零序继电器即可。图3（b）是在电缆出口端通过一个特殊的零序继电器获得接地故障时的零序电流。
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图3（a）每相AT连接零序继电器 图3（b）电缆AT连接特殊零序继电器
在使用图3（a）所示的方式时应考虑两个问题。①系统处于正常工作状态时，直流整流设备、大型计算机站等用电设备工作时是否会产生严重的零序电流。②在电力负荷切换的过程中，是否会产生很强的非周期性电流分量。当设备正常工作时，零序电流和各种非周期电流中包含的零序电流会通过零序继电器，将导致继电器误动作。特别是在投切大容量变压器、用电设备时。采用图3（b）所示的方式会更好，因为非单相（或两相）接地故障不会发生较大的动作电流，也就是说,上述用电设备正常工作时产生的零序电流是不会使零序继电器动作的。
2.小电阻接地系统的优点
小电阻接地系统对于全电缆线路电力系统具有一定的优越性。
（1）限制过电压
中性点通过电阻接地，由于电阻不仅是耗能元件，而且还是电容电荷的释放元件和谐振阻尼元件，对电弧每次起弧或重燃后的高频振荡可以有效抑制，这对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压具有优势。在设备选型上，可以选择绝缘等级较低的设备，提高经济性。降低了电缆发生相间短路或多点故障的可能性，提高供电的可靠性。
（2）快速切除故障
当发生单相接地故障时，流经故障点的电流较大，通过与继电保护装置配合，可准确判断出故障线路并快速切除。一方面，防止电缆的进一步损伤，另一方面故障电流大，零序过流保护有很高的灵敏度，可以比较容易地切除故障线路而避免发生因带电线路导致的人身触电事故，提高供电的安全性。
三、高铁枢纽电力系统可靠性的措施和建议
考虑到高铁枢纽电力系统为全电缆线路、线路长且薄弱环节多（中间接头多、受环境制约运行环境差等）、极易发生接地故障且多为单相接地（单芯电缆）、故障排除时间长等特点，必须迅速切除故障线路，可从以下几个方面进行改善和治理。
1.引入中性点经小电阻接地系统
高铁电力系统的主变压器通过Y/D11连接，没有中性点。必须使用图2（a）所示的方法在10kV母线段中增加一个接地变压器和一个小电阻接地装置。当发生单相接地故障时，通过零序保护使故障线路跳闸，避免扩大故障范围。每个馈线回路增设零序电流互感器，调整零序电流保护定置，以达到及时自动切断故障线路的目的。但是投资大，需要根据高压柜空间条件，接地装置尺寸和零序电流互感器安装条件制定整改方案。并需与微保厂家进行协调，在实施前做好调查、设计、安全评估等工作。
2．增设零序保护元件，加装小电流接地选线装置，及时判别和告警
全电缆线路中性点不接地电力系统，如果无法改变中性点接地方式的情况下，可以增设零序保护加装小电流接地选线装置，来加以改善。
增设零序电流保护，设置为跳闸，在发生接地故障时，及时切断电弧，不至于使电缆较长时间带故障运行，能有效保护回路中其它电缆，避免故障范围扩大。时限可以考虑设置为0.5s甚至更短，这样虽然增加了线路的跳闸次数，但电缆故障一般为永久性的，且高铁变配电所一级负荷或重要用户均为双电源或者采用环网供电，影响较小，可靠性仍然能得到保证。
因为接地时故障线路的零序电流大于非故障线路的零序电流，保护设置时，整定的零序电流只需躲开本线路正常运行时的电容电流即可，正常运行时电容电流数值较小，所以保护的灵敏度比较高。
增设零序电压保护元件，设置为告警。零序电压测量通过母线电压互感器的开口三角形测量。单相接地后，将产生零序电压。零序电压动作值通常设置为15-20V，仅作告警，及时提醒调度和后台维护人员采取措施。
加装小电流接地选线装置及时判别故障回路和告警，帮助调度和运行管理维护人员迅速正确的找出故障回路。在中性点不接地系统中，正常情况下，系统三相电压平衡，线路三相电容相等，各馈出回路零序电流互感器中无零序电流流过，当某回路发生单相接地故障时，电压互感器开口输出零序电压，各回路的零序电流互感器中均有零序电流流过，因故障相和非故障相回路所通过的零序电流大小和方向不同，可根据其这一特性进行故障判断，从而正确判别故障回路并加以告警。这样即使电流互感器中的零序电流因为某些因素未达到保护的启动值而拒动，也能通过小电流接地选线装置，及时提醒调度或运行人员采取措施（直接切除或转移负荷后再切除故障线路），从而大大的提高供电运行的安全性和可靠性。
4．积极做好电缆的防护和管理。
及时更换既有受损电缆，并尽量减少中间接头。将同沟不同回路的电缆分开放敷设或隔离。目前，由于地理环境制约等因素，高铁枢纽的电力线馈出回路部分电缆大多同沟敷设或直埋敷设，对高铁电力的安全运行造成了隐患。因此，在实际运行管理中应逐步有条件地进行整改，应尽量分开敷设，即使不能分开放置，也应尽可能采取物理隔离措施，以提高电缆运行的可靠性。
5.做好日常监测和维护
除了依靠零序电流保护快速切除故障线路外，在日常的运行管理中，要加强日常检查，利用在线监测等手段，及时掌握设备状态和电流电压等运行数据，确保全电缆不接地系统中避雷器的性能良好等，加强对电缆头、电压互感器、变压器、高压熔断器等日常维护，注意收集所内跳闸数据，积累运行经验，做好应急措施，尽力减少接地过电压对高铁供电的影响。
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