1 引言
2013年11月，某市地铁B1供电分区接触网发生金属性接地短路，造成A站212断路器大电流脱扣保护、电流速断保护、电流上升率保护动作跳闸。同时，因212断路器在保护动作跳闸时，部分电弧从灭弧罩侧面飞出喷至柜体上，导致A站DC1500V母线对地短路，造成本站213、214及相邻B站211断路器远端电流变化率保护动作跳闸，且该故障引起A站电流型框架保护动作。
2 事故分析
我们可以通过事件记录还原故障发生的经过并进行事故分析。
图1 B1供电分区发生短路时电流示意图
根据电流流向短路点的原则，当B1供电分区发生接地短路时，短路电流主要来自A站和B站两个牵引变电所。不考虑A站212断路器喷弧至柜体的情况，假设A站牵引变电所提供的短路电流为I11，B站牵引变电所提供的短路电流为I22，则短路电流，其中。即在B1供电分区发生接地短路时，短路电流有三部分构成：A站牵引变电所提供的短路电流I11，B站牵引变电所通过B站211断路器、A2供电分区接触网、A站213断路器提供的短路电流I3及B站牵引变电所通过B站212断路器、B2供电分区接触网、A站214断路器提供的短路电流I4。
虽然各装置之间记录时间无参考价值，但是因为故障发生的时间相同，因此可以通过分析故障电流产生的时间进行对比，从而得到事件发生的经过。
2.1 故障发生过程
从A站212故障波形可以看出，自短路发生到断路器主触头成功分开的时间约为19ms，断路器分闸以后，由于断路器内主回路的电弧熄灭有一个过程，约为4ms，故障电流持续时间约为23ms。
分析A站213、214及B站211故障波形，发现A站213及B站211故障电流持续时间约为86ms，A站214故障电流持续时间约为90ms，其时间均远远大于A站212的故障电流持续时间。从现场检查的情况，已确定212断路器在保护动作跳闸时，部分电弧从灭弧罩侧面飞出喷至柜体上，根据现场喷弧痕迹可以看出，电弧是由连接断路器上端头的引弧角喷出，断路器上端头与主母排相连，相当于DC1500V母排对柜体短路。因此本次短路分为两部分：B1供电分区接触网短路及DC1500V母排对柜体通过电弧发生短路。这样故障切除依次分为三个阶段：
第一阶段：A站212检测到B1供电分区的短路电流，保护动作。此时A站213、214及B站211断路器均检测到故障电流，这三台开关检测到的故障电流并不大，约为1800A，保护还不满足动作条件，保护未动作。
第二阶段：212断路器切除短路电流过程中，由于212断路器与上端头相连的引弧角喷弧至柜体上，相当于主母排对地发生短路，从而使得A站213、214及B站211的故障电流仍然存在，且故障电流持续增大，直到这三台开关远端电流变化率保护动作跳闸切除故障电流。而远端电流变化率保护需要延时60ms才能动作，这就是A站213、214及B站211故障电流持续时间比A站212的故障电流持续时间久的原因。
第三阶段：由于212喷弧至柜体上，从而引起电流型框架保护动作，联跳A站211、212、213、214、215、216、201、202、106、107及B站211、212开关。
2.2 A站212断路器跳闸过程
图2 A站212断路器跳闸波形
(1)当发生短路的瞬间，由于在变电所近端，212断路器在短路发生的瞬间就迅速检测到电流变化率di/dt=810A/ms,大于近端短路INS段的整定值di/dt_ins=300A/ms，近端电流变化率保护启动，电流变化率保护启动后，直到检测到DI大于整定值di_ins=6500A，此时保护装置保护出口动作，作用于212断路器跳闸。
(2)在电流变化率率先出口断路器跳闸后，因断路器没有瞬间分闸及故障电流迅速上升的原因，短路电流I大于电流速断保护（大电流脱扣）定值I>>=9000A,大电流脱扣动作，作用于212断路器跳闸；同时电流速断保护启动，电流速断保护延时启动，当延时达到整定值t>>=2ms时，保护装置保护出口动作，作用于212断路器跳闸。
以上动作过程可以从212断路器的事件记录得到印证。
图3 A站212断路器事件记录
2．3 A站213、214断路器及B站211断路器跳闸过程
(1)A站213、214断路器跳闸过程
由于馈线断路器定义从母线流向接触网的电流为正值，反之为负值。因此流过A站213、214断路器的短路电流均为负值，其波形如图4和图5所示。
图4 A站213断路器跳闸波形
图5 A站214断路器跳闸波形
由于远端短路电流变化率整定值di/dt_del=20A/ms很小，A站213（214）断路器在短路故障发生前就检测到电流变化率大于远端短路DEL段的整定值di/dt_del=20A/ms，DEL范围内的电流变化率保护启动，同时得到计算电流增量DI的初始值，电流变化率保护回落到小于或等于整定值di/dt_del，延时开始启动，当延时达到整定值t_del=60ms时,检测到计算电流增量DI的终止值，从而计算出DI，此时DI大于整定值di_del=3000A，保护装置保护出口动作，作用于断路器跳闸。
图6 A站213断路器事件记录
图7 A站214断路器事件记录
(2)B站211断路器跳闸过程
流过B站211断路器的短路电流均为正值，其波形如图8所示。其保护动作的过程同A站213、214的动作过程。
图8 B站211断路器跳闸波形
图9 B站211断路器事件记录
2．4 B站212断路器保护未动作原因分析
远端电流变化率保护的原理是：在测量电流的变化率（di/dt）大于整定值di/dt_del 的情况下，远端电流变化率保护会被启动，启动时的电流被作为检测电流变化量（DI）的起始值。启动后电流变化率会随着故障的持续而逐渐减小，当电流变化率减小至与整定值di/dt_del 相等时，计数器开始计时，计时时间达到整定值t_del，计算电流变化量（DI），若超过整定值dI_del，则保护跳闸。
图10 电流变化率保护DEL范围保护原理示意图
通过分析保护动作波形，发现远端电流变化率保护的动作过程是：
（1）检测di/dt>di/dt_del，保护启动，同时得到测量DI的初始值；
（2）检测di/dt≤di/dt_del，延时开始启动，延时启动后，不会再检测电流变化率di/dt的值，延时的过程中也不会检测电流增量；
（3）延时时间达到整定值，根据此时得到测量DI的终止值，计算电流增量DI=。若DI>DI_del=3000A，则保护出口跳闸；否则保护及延时均返回。
当A站主母排发生短路时，A站214断路器和B站212断路器的故障电流是一样的，此时A站214断路器远端电流变化率保护率先动作，故障电流被切除。而由于远端电流变化率延时时间较长，且延时过程中不会判断电流增量，因此，就会出现B站212断路器延时时间到，但是此时故障电流已经被A站214断路器切除，导致其电流增量不满足动作条件而不动作。
通过以上分析，得到两个结论：
（1）由于di/dt_del =20A/ms，远端电流变化率保护前两个动作过程很容易发生，这时就会启动延时。
（2）在启动延时以后，保护不会再判断电流变化率及电流增量，直至延时时间到，才根据此时的电流值计算出电流增量值。在同一主回路中，故障电流相同，保护整定值也相同，此时保护不具有选择性，任一开关均可能动作，甚至会出现B站211、212动作而A站213、214不动作的情况。
3 事故思考
（1）从SCADA后台中能看到A站201、202断路器大电流脱扣保护也动作了，但是由于进线断路器采用的保护装置不具有故障录波的功能，而报到后台的动作时间由于经过DC1500V开关柜通信用PLC处理后，动作时间亦没有参考价值，因此，无法判断201、202具体的保护跳闸阶段。
（2）由于远端电流变化率保护启动条件比较容易满足，如果在延时时间刚到的时候出现正常负荷的峰值（例如列车启动电流），如果该峰值达到整定值DI_del=3000A，则会出现保护误动的情况。在大单边供电时，这种情况出现的概率最大。
（3）B1供电分区发生金属性接地短路，A站212断路器大电流脱扣保护、电流速断保护、电流上升率保护动作跳闸。
（4）A站212断路器跳闸过程中，部分电弧从灭弧罩侧面飞出喷至柜体上，导致A站DC1500V母线对地短路，造成A站213、214及B站211断路器远端电流变化率保护动作跳闸。同时该故障引起A站电流型框架保护动作。
（5）A站发生母线对地短路故障时，由于流过同一主回路的故障电流相同，因此此时保护不具有选择性。
4 结束语
当发生多个开关跳闸的情况时，依据电流均流向短路点的原则，越靠近短路点的开关，电流会越大。依据保护动作电流值及电流方向能有效判断故障范围。当发生多个保护动作时，应分析各个保护动作的时间关系及保护动作的因果关系，这样才能有效还原事故发生时的真实情景。
参考文献
[1] 于松伟等. 城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]. 成都：西南交通大学出版社，2008.
[2] 徐盛学. 继电保护基础[M]. 北京：清华大学出版社，2010.
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