地鐵35kV供電系統縱差保護分析

孫利杰

（廈門軌道交通集團有限公司，福建 廈門361000）

0 引言

地鐵電力系統是地鐵安全運營的基礎，要求供配電安全可靠，同時，由于運營中采用大量自動運行監控系統，對于電能質量要求高，還要考慮長期使用的經濟性。但地鐵電力系統結構復雜，供配電設備眾多，運行情況變動大，因此受到外界供電系統影響和地鐵運營客流的變化，都可能造成各種不同的故障和不正常運行狀態。在地鐵供配電系統運行最常見的故障中，對供電系統危害最大的是各種形式的短路，它有可能引起整個供電網絡的崩潰，造成巨大的經濟損失和不良社會影響。為此，地鐵供電系統設置了復雜高效的繼電保護設備。為實現遠程集中調試控制，還設置了電力設備遠程監控系統，以實現對電力系統的分層控制和集中調試，確保電力系統的安全可靠運行。

1 地鐵35kV供電系統

1.1 供電系統簡介

地下車站35kV主接線形式采用單母線分段運行的方式，正常時兩進線分別為2臺變壓器獨立供電，母聯開關在自投位置，2臺回路分列運行，同時供電。任意一進線發生故障停電時，進線開關在保護裝置的控制下動作跳開，母聯開關自動投入使用，保證全所在一路進線有電的情況下能夠承載全站一、二級負荷。35kV采用交聯聚乙烯電纜輸電，電纜敷設在上下行隧道間隔墻的電纜支架上。35kV供電系統的中性點接地設置110／35kV主所內，自接地變壓器的中性點引出經過接地電阻接地，其中接地變壓器兼所用電變壓器。

1.2 接線方式

圖1為標準站變電所接線方式，其中，QF1、QF2為2路主進線開關，QF4、QF5為2路出線開關，QF3為母聯開關。QS為三工位隔離接地開關，FV為防雷保護器。交流開關柜選擇可靠性高、體積小的SF6氣體絕緣金屬封閉開關柜（GIS），斷路器采用真空斷路器。

圖1 標準站變電所接線方式

1.3 繼電保護

35kV繼電保護必須滿足可靠性、選擇性、靈敏性、速動性要求，同時在設計上還應采用簡單高效的配置。35kV進線開關的繼電保護有線路差動保護、過電流保護、零序電流保護，其中35kV進線電纜主保護采用光纖縱差保護，后備保護由上級的階段式電流保護完成。

2 差動保護

2.1 縱聯保護

單一測量點的繼電保護系統不可能進行精確的距離保護，特別是本線路末端和下級線路的始端，如同時采集本線路始末端的數據，再進行對比分析，就可以區分出是保護區內還是區外故障，從而實現速動性和選擇性。此種保護必須在保護區的始末端安裝相同的采樣檢測裝置，同時還要將兩側數據進行傳送，存在著縱向的信息聯系，保護裝置據此進行對比分析，才能進行正確的判斷。

2.2 縱聯保護通道

縱聯保護所利用通道有4種：導引線縱聯保護、電力線載波縱聯保護、微波縱聯保護、光纖縱聯保護。光纖保護通道采用專用的光纖線路，與輸電線之間完全獨立，當電力系統發生任何故障時，都不會對光纖通道的信息傳輸造成干擾。光纖通道帶寬很大，可以讓信息的傳送更快速及時，能夠容納更多的信息量，可以實現兩側電流波形的對比，使保護裝置的判斷更加準確。

2.3 縱聯電流差動保護

縱聯電流差動保護通過設置在線路始末端的檢測器，同時采集本側電流的波形和相位，通過光纖通道分別傳送到對側保護裝置，每側的保護裝置根據本側和對側的數據進行對比分析，判斷出是保護區內還是區外故障。保護裝置判斷的依據不是已設定的電流定值、延時時間、電流方向等，而是根據基爾霍夫電流定律：∑I·＝0，流入1個節點電流向量和等于0。這類保護在每側都直接比較兩側的電氣量，類似于差動保護，因此稱為差動縱聯保護。其有良好的選擇性，能靈敏、快速地切除保護區內的故障。為了保證差動算法的正確性，保護必須比較同一時刻兩端電流值，這要求線路兩端對各電流數據進行同步處理，要保證2個異地時鐘的統一與同步，常用數據通道同步方法與全球定位系統GPS同步時鐘同步方法。

2.4 縱聯電流差動保護的制動特性

根據基爾霍夫電流定律，在正常運行時，流入被保護的線路的電流等于流出的電流，而在線路內部發生短路故障時，兩側保護裝置將會檢測到不同電流，這個差值就是內部的故障電流。電流互感器存在一定的誤差和飽和，當被保護線路流過保護區外的短路電流時，兩側保護裝置會產生較大的不平衡電流，可能引起誤動作。為防止這種情況的發生，一般縱聯電流差動保護都帶有比率制動特性，動作特性如圖2所示。

圖2 動作特性

四線段比率差動的動作方程如下：

可以看出，縱差保護動作特性由四線段組成。這種動作特性的優點是：在區內故障電流小時，它具有較高的動作靈敏度；而在區外故障時，它具有較強的躲過暫態不平衡差流的能力。

2.5 動作邏輯

動作邏輯如圖3所示。從長期的運行經驗可知，合理設置保護的各定值，圖2所示的動作特性可以完全滿足保護的靈敏度及可靠性要求。

圖3 動作邏輯

2.6 TA斷線監視

差動保護設置“TA斷線監視”功能，正常運行過程中，若差電流長時間存在不返回，則TA斷線動作閉鎖差動保護，防止再發生區外故障時差動保護誤動。

2.7 保護定值

進線柜差動保護定值如表1所示。

表1 進線柜差動保護定值

3 故障時性能分析

3.1 差動保護區外部故障時的性能分析

3.2 差動保護區內部故障時的性能分析

設在保護區內，即進線線路上發生單相對地短路，35kV系統接地采用經過接地變壓器初級線圈中性點經小電阻接地，參數計算如下：

（1）接地變壓器的阻抗：（

2）線路阻抗：

輸電線路電阻忽略不計，線路阻抗為0.04Ω／km。

式中，X0為每千米線路阻抗值（Ω／km）；L為線路長度（km）。

（3）接地電阻：

接地變和線路阻抗遠小于固定的接地電阻，所以接地短路電阻以100Ω計。

式中，UK（%）為變壓器短路電壓百分值，取6.09；UN為變壓器的額定電壓，取35kV；SN為變壓器容量，取500kVA。

代入公式計算：

4 結語

由以上分析可知，進線差動保護對負荷電流和外部短路電流不反應，只反應被保護線路兩電流互感器之間電氣設備故障時的短路電流，因此進線差動保護不必和其他保護在時限上配合，可瞬時動作。

［1］何仰贊，溫增銀.電力系統分析［M］.第3版.武漢：華中科技大學出版社，2002

［2］劉學軍.繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，2004

［3］中鐵電氣化勘測設計研究院.廈門市軌道交通1號線一期工程供電系統初步設計［Z］，2013