數字通信過電流選跳保護在地鐵大環網供電系統中的應用

劉曉暉 肖濤古 鐘建恩

(廣州市地下鐵道總公司，510165，廣州∥第一作者，助理工程師)

隨著城市軌道交通線網的逐步擴大，在后續建設的城市軌道交通線路中，33 kV 供電系統已逐步開始采用大環網供電方式，傳統的過流保護已無法滿足其對保護級差的要求。數字通信過電流選跳保護的應用，正好彌補傳統過流保護的這一缺點。在廣州地鐵6號線33 kV 大環網供電系統中，采用美國通用公司數字通信保護技術，主要包括選跳保護、母線保護和進出線后備保護等主要保護類型。

數字通信過電流選跳保護是近年來隨著計算機技術和通信技術的快速發展，在傳統電流保護基礎上開發的一種新型速動過電流保護。各裝置之間通過光纖進行通信，并對裝置之間傳遞的信息進行比較和邏輯判斷，克服了傳統電流保護需要時間配合的缺點，具有類似于差動保護相同的效果，解決了傳統定時限過電流保護選擇性與速動性之間的矛盾。

1 數字通信過電流保護原理

數字通信過電流保護應用綜合保護測控一體化單元，裝置設嵌入式R7C 光纖接口模塊。同一線路、同一段母線兩端相鄰裝置之間通過該光纖接口模塊實現直接通信，用于傳輸相鄰所間、同一段母線的保護聯跳及閉鎖信息、開關量信息、失靈保護聯跳信息等。當環網線路或饋線發生短路故障時，相關聯網的裝置通過開關信號比選、邏輯判斷，可快速判別線路故障區段，并且有選擇地快速切除故障線路。

選跳保護目前主要應用在地鐵供電系統環網電纜和所內母排保護，也可作為主保護與傳統過流后備保護配合應用。在開關柜母線保護方面，受母線保護造價昂貴，相應規范并未要求配置母線保護等因素的影響，前期線路均不設置母線保護。實際運營經驗證明，利用環網進出線開關過流后備保護切除母線或PT(電壓互感器)故障，其動作時限過長。在大環網系統中，尤其時間級差不滿足要求的部位，極有可能引起上級環網開關保護動作，從而造成較大危害。數字通信過電流母線保護利用各開關原有保護裝置相互進行通信和邏輯判斷，能很好地解決這類問題。通過數字通信方式實現進出線后備保護，有效避免了傳統后備保護速動性與選擇性之間的矛盾，若主保護失效，就能可靠切除故障線路。

2 數字通信過電流選跳保護

2.1 選跳保護特點

眾所周知，無論是線路差動，還是主變差動保護，其基本原理均是通過比較被保護對象兩端流過電流的大小和相位來實現的，是一種矢量保護。在這種差動保護中，由于要進行2 個電流的矢量和計算，因此它涉及到設備兩端電流互感器一次和二次接線的極性問題。極性必須依據保護裝置的要求來確定。對于單個設備的差動保護，例如變壓器，可以通過二次接線來實現;而對于距離較長的線路差動保護來說，由于線路本身損耗較大，因此，通常考慮利用站間光纖通信來解決。

選跳保護也是基于差動保護原理而實現的。不過，它與普通的差動保護還是有一定的區別。其具有以下兩個特點:

1)選跳保護只與電流的大小有關系，而與電流互感器的二次接線的極性無關。也就是說，該保護不是矢量保護。

2)各臺開關保護之間通過光纖或二次硬接線只傳輸跳閘信號(或裝置故障閉鎖信號)，并不傳輸電量信號。也就是說，裝置本身并不對每臺斷路器的電流進行計算。

2.2 選跳保護動作邏輯

數字通信選跳保護在各保護裝置之間只傳遞ON 或OFF 信號，由裝置判斷光纖通信狀態。光纖通信正常，若本側無過流啟動(OFF)，而對側裝置有過流啟動(ON)，則經延時T 后產生兩側保護動作;若兩側均有或均無過流啟動，則閉鎖動作。圖1 為典型電流選跳保護動作邏輯圖。

圖1 典型電流選跳保護動作邏輯圖

以圖2 作為示例，在城市軌道交通環網系統中選取3 個變電所，分析電流選跳保護動作原理。在圖2 中，正常狀態下環網各保護裝置均未采集到過流信號，則選跳保護不動作;若故障發生在B所出線環網電纜 D1 點，保護裝置 A1、A2、B1、B2 均采集到過流，保護裝置C1、C2 無過流，供電方向由A—C，B2 為環網最后一個有過流的開關，C1 為環網第一個無過流的開關，根據圖1 動作邏輯，經延時T，B2、C1 開關選跳保護動作;若故障發生在C所PT或母線 D2 點，保護裝置 A1、A2、B1、B2、C1 均采集到過流，而 C2 無過流，則經延時 T，C1、C2 開關選跳保護動作。

圖2 選跳動作原理分析示意圖

3 選跳保護運行案例

廣州地鐵6號線采用大環網供電系統，也是國內地鐵供電系統領域首條設計使用數字通信過電流保護的地鐵線路?，F作為案例，對其運行情況進行分析。

3.1 環網及保護配置

廣州地鐵6號線環網電纜保護以差動保護作為主保護，與選跳及傳統過流后備保護配合使用，另設有數字通信進出線后備保護;變電所內母線設備設有母線主保護，與母線后備保護及傳統過流后備保護配合使用。

3.2 運行事故案例分析

3.2.1 事故經過

2013年10月8日，因設備檢修作業需要，在燕嶺主變電所進行切換操作。切換操作開關為燕嶺主變電站322、324 開關(如圖3所示)。322 開關饋至天平架站101B 開關，324 開關饋至燕塘站101B 開關。本次負荷切換造成燕嶺主變電所322、324 開關，天平架站101B 開關和燕塘站101B 開關發生相選跳保護動作或啟動。

圖3 廣州地鐵6號線中壓環網部分分區圖

3.2.2 事故原因

僅以天平架站101B 開關與燕嶺主變電所322開關為例，結合現場保護設置類型、保護裝置F35 事件記錄及故障錄波等數據，分析相選跳保護啟動或動作過程的正確性及事故原因。表1、表2 為節選部分事件記錄，圖4 為保護裝置錄到的勵磁涌流波形。

在裝置通信正常狀態下，101B 開關保護裝置首次檢測到A、B 相電流越線，101B 開關相選跳保護啟動，同時在延時T 內接收到來自對側322 開關的相選跳保護啟動信號(表1 事件編號20560)，但不滿足相選跳保護只有一側過流啟動的動作邏輯，因此，相選跳保護啟動復歸。322 開關首次相選跳保護啟動及復歸過程與101B 開關類似，不再贅述。

表1 天平架站101B 繼電保護事件記錄

101B 開關在首次相選跳保護啟動復歸后，B、A相電流越線相繼恢復(表 1 事件編號 20564、20567)。但來自對側322 開關的相選跳保護啟動信號繼續保持，滿足本側相選跳保護啟動條件，在保護啟動后延時 T 內對側啟動信號(表1 事件編號20560)仍未復歸，其滿足相選跳保護動作邏輯，相選跳保護動作。

表2 燕嶺主變電所322 繼電保護事件記錄

322 開關首次相選跳保護啟動在接收到對側保護啟動信號后，不滿足動作條件，所以復歸;而故障電流持續，電流越限并未恢復，繼續保持向對側輸出相選跳啟動信號。與此同時，101B 開關發送的相選跳啟動信號復歸，滿足相選跳保護啟動邏輯，故322快關啟動第2 次相選跳保護;啟動延時15 ms(小于設定的T=20 ms)后，322 開關自身電流越限恢復，即322 開關、101B 開關均無過電流，故終止相選跳保護動作。

以上整個保護啟動及動作過程均符合設定動作邏輯。經檢查其他回路不存在故障后，考慮圖4 錄波波形為典型變壓器勵磁涌流波形，綜合現場保護定值設置情況分析，確定事故原因為兩側選跳保護過流啟動定值不匹配。在主變電站進行切換操作，站內多臺變壓器同時啟動時，變壓器勵磁涌流達到過流啟動定值，勵磁涌流持續時間超過保護延時T，從而造成兩側相選跳保護動作。

3.3 優化建議

1)數字通信選跳保護對啟動定值匹配度的要求較高，存在邏輯判斷的保護裝置之間必須使用同一啟動定值。在保證靈敏性及可靠性的前提下，同一供電分區甚至同一線網最好使用同一選跳保護啟動定值。

圖4 故障錄波典型波形實景圖

2)設計有差動保護與選跳保護配合使用的系統，可適度延長選跳保護動作延時。

3)當電流信號采集回路發生故障，投切變壓器時，勵磁涌流極有可能造成選跳保護誤動作。

4)可利用GPS(全球定位系統)數字時鐘對時系統以進一步提高對時精度，這對于分析事故過程尤為重要。

4 結語

數字通信過電流保護在地鐵中壓大環網供電系統中具有其特殊的優越性，可實現與差動保護相類似的效果，彌補了傳統過電流保護選擇性和速動性之間的矛盾，是大環網供電系統保護的發展方向。但在裝置間的通信方式、定值配置及與其他保護配合使用、保護延時及裝置對時等方面，仍有進一步優化的必要。

［1］高云霞，王立天.地鐵供電系統電流選跳保護及方案優化［J］.現代城市軌道交通，2011(4):1.

［2］張江.地鐵中壓供電系統選跳保護原理及試驗方法［J］.電氣化鐵道，2008(4):43.