地鐵供電系統零序保護問題探討

摘要：文章首先簡要介紹了地鐵供電系統中性點接地方式及零序電流保護的工作原理，探討了零序保護設計中存在的一些問題，提出改善變壓器零序保護的措施，并應用實例進行分析，從而為地鐵供電系統零序保護的研究積累了經驗。

關鍵詞：地鐵供電系統；中性點接地；零序保護；電流傳感器；電流互感器

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）01-0077-03

對于地鐵來說，地鐵供電系統是其全部動力的來源，它的主要作用是為地鐵車輛的行駛提供電力牽引。如果在地鐵的行駛過程中，供電系統出現故障，不僅會影響地鐵的正常運營，還有可能威脅到乘客的生命安全。所以，在地鐵運營時，必須采取必要的措施保證供電系統合理利用，從而使地鐵的安全可靠運行得到保障。本文主要對地鐵供電系統零序保護出現的問題和應對措施進行探討。

1地鐵供電系統中性點接地方式及變壓器零序保護的工作原理

1.1地鐵供電系統的重要性

采用獨立的主變電所向沿線和降壓變電所牽引供電，是目前我國地鐵供電系統的主要方式。由于電壓等級和電網制式不同，這就致使中性點接地方式也不盡相同，目前，我國電力系統中中性點接地方式主要有以下幾種：如果出現單相接地短路，一般會采用零序電壓保護和檢測的三相三線制電網（6～10kV）；電網發生故障時，調節和調整連接方式的三相三線制電網（35～66kV）；相關故障容易被繼電保護設備檢測出的三相三線制電網（110～154kV）；三相三線制電網（220kV及以上）。

1.2中性點接地方式及零序電流保護的工作原理

1.2.1中性點接地方式。我國目前地鐵供電系統中普遍采用的接地方式是中性點直接接地，中性點直接接地的特征是電壓值為零且大地與中性點直接相連，電壓相對地電壓值在不出現任何故障的情況下是不變的，但是若出現故障，單相保護會立即啟動起來，與此同時，斷路器也會發生跳閘，故障得以排除。

1.2.2零序電流保護的工作原理。在電力系統正常工作的情況下，零序電流不會在中性點直接接地時產生，但是，零序電流會在中性點接地短路時產生很大的電流。

為了符合系統保護的需求，零序電流可以分為以下四個階段：零序電流速斷保護階段，在非全相運動狀態下，單相故障切除后電流產生閉鎖現象，保護的范圍在動作電流小時反而較大；零序電流限時速斷保護階段，零序電流限時速斷保護階段的起動電流需要配合下一段線路的零序電流速斷保護階段進行保護；零序過電流保護階段，這一階段的主要作用是保護相間短路過電流，零序過電流保護階段一般作為后備來使用；方向性零序電流保護階段，零序電流的實際流向是故障點流向各個中性點接地的變壓器，所以，在電網中的變壓器接地較多的情況下，必須考慮零序電流保護動作的方向性。

2地鐵供電系統零序保護存在的問題與改進措施

2.1零序保護存在的問題

在目前我國地鐵供電系統零序保護中存在著以下兩個方面的問題：變壓器中性點在中性點有效接地系統中，對地偏移電壓被限制在一定的范圍內，中性點間隙保護的作用得不到發揮，這樣會造成間隙放電及保護存在一定程度的偶然性，并且由于間隙擊穿過程中諧波的產生，也不利于變壓器匝間絕緣；對于保護變壓器中性點絕緣來說，在沒有零序過電壓保護的情況下只設置間隙電流保護是不夠的，放電電流在間歇性擊穿時出現中斷，間隙電流保護的作用得不到實現，中性點不接地，變壓器將無法脫離故障電網。

2.2零序保護改進措施

針對我國地鐵供電系統零序保護中存在的問題，提出以下零序保護改進措施：為了確保供電系統為有效接地系統，并保證電源端變壓器中性點有效接地，設置變壓器中性點間隙電流和零序過電壓保護；在設計階段，對于將來可能帶電源或者電源端變壓器，應考慮包括母線開三角零序電壓保護、中性點間隙電流保護以及中性點零序過電流保護在內的完整的中性點間隙保護；增大原先裝設的中性點間隙距離，從而為避免出現中性點間隙搶先放電的情況。

3實例分析

深圳地鐵一期工程35kV供電系統采用的電流保護采樣元件是電流傳感器，此元器件自投運以來共發生5起零序電流保護誤動作，從而導致地鐵出現大面積停電事故，這5起零序保護動作具有如下共同特點：每次零序保護動作都是故障相電流呈下降趨勢，電壓變化很小，試送電均能成功；進線故障相電流比對應饋出量總和小；其中一相電流比正常兩相電流較小，一般小于10A；此現象具有隨意性、短時性、離散性；此故障特征主要表現在傳感器電流回路。造成以上的原因主要是：深圳地鐵一期工程一號線和四號線33kV開關設備采用ABB的ZX2型號開關柜，電流、電壓互感器使用組合傳感器采集系統電流、電壓信號，保護使用REF542+繼電保護裝置，由于系統電源的直流分量較大，導致三相的電流不平衡，有時會造成零序保護動作。

深圳地鐵續建工程已進行相關改進，電流保護回路不再采用電流傳感器，而是采用保護CT，針對此保護誤動作制定了3種方案，以下為零序保護整改的3種方案：

方案一：在進線柜或出線柜的電纜側（電纜層）增加3個穿心式電流互感器代替目前使用的電流傳感器；繼續使用目前電壓傳感器但是增加了電流互感器；保護裝置更換REF542+模擬量卡，換為4個傳感器和4個AT口的模擬量卡；增加了端子排及相關回路的二次布線，現場停電時間為5h/臺。優點：能有效解決目前發生的零序保護誤動作事件，可靠性較高；缺點：工作量較大，整改周期長。

方案二：采用電壓閉鎖電流模塊的方法（此方案只能在出線柜使用），沒有增加電流互感器，使用更改程序的辦法進行解決，對程序進行修改，同時需要根據系統單相接地的情況，計算出電壓閉鎖值的范圍，現場需要對該定值進行定值校驗，現場停電時間為3h/臺。優點：工作量相對較少，容易實施，且能可靠防止出線柜的誤動；缺點：工作量較小，整改周期長，對進線柜的可靠性差。

方案三：一次部分保持不動，二次部分更換帶電顯示器，電壓閉鎖信號采用帶電顯示裝置的出口信號代替，需要對現場的程序進行修改，增加閉鎖信號回路接線和帶有電閉鎖型的帶電顯示器，現場停電時間為5h/臺。優點：簡單、費用少，無需改動一次部分；缺點：工作量較大，整改周期長，可靠性一般。

在深圳地鐵會展中心1號線站H22柜于2005年6月5日增加低壓閉鎖零序電流保護功能方案，此方案運行至今未發生保護誤動，對于會展中心1號線站采用如下方案：為了避免因電磁干擾引起零序電流保護誤動作，增加低電壓閉鎖零序電流保護功能，零序電流保護只有在低于整定的閉鎖電壓值時，其保護出口才能啟動；若線電壓高于閉鎖電壓值，實際的零序電流再大也不能有保護出口。

4結語

本文以深圳地鐵一期工程35kV供電系統為例，該供電系統采用ABBZX2開關柜和中性點直接接地方式，這種連接方式在非故障相電位變化較小的情況下會產生較大的接地電流，在運行過程中，一旦發生單相接地故障，不能準確有效地保護供電系統。通過上面分析地鐵供電系統零序保護存在的問題與改進措施以及深圳地鐵會展中心1號線站已試點部分防止零序保護誤動作方案的應用，我們可以看到，零序保護能使地鐵供電系統的正常運行得到

保證。

參考文獻

[1]敖昌平，李勇．110kV變壓器中性點保護與零序保護優化配置[J]．南昌航空工業學院學報（自然科學版），2005，19（3）：100-102．

[2]羅偉祺．地鐵供電系統零序保護問題探討[J]．技術與市場，2011，18（10）：57-58．

[3]趙尊華，薛素琴．淺論零序保護在電網中的應用[J]．科技信息，2010，（29）：359、368．

[4]李燕．110kV系統中性點零序保護配置的探討[J]．甘肅科技，2010，26（16）：108-109．

[5]張默．談地鐵供電系統中的變壓器保護及故障解決[J]．企業科技與發展，2010，286（16）：188-189．

[6]杜凌云．城市配網中性點接地方式的選擇[J]．湖北電力，2008，32（3）：24-25．

作者簡介：鄭聃（1985-），男（土家族），重慶酉陽人，供職于深圳市地鐵集團有限公司，研究方向：電氣工程及其自動化。

（責任編輯：周瓊）q