光纖縱差保護對地鐵35kV供電系統的保護效果分析

劉超　魏沖

摘 要：維持地鐵供電系統的穩定，保證地鐵電力系統的正常工作對地鐵的正常運作有重要的意義。簡單地介紹了地鐵35 kV供電系統，全面分析了電纜供電線路的光纖縱差保護，證明了光纖縱差保護在地鐵電力系統中的線路保護效果，以期為相關單位提供參考和借鑒。

關鍵詞：地鐵；供電系統；縱差保護；故障停電

中圖分類號：U231.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.090

隨著我國經濟的不斷發展，地鐵在城市建設中越來越普及，地鐵對電力系統的要求也隨之提高。但因供電系統易發生各種各樣的短路事故，影響了電力系統和地鐵的正常運行。因此，如何做好繼電保護工作，以保證地鐵的正常運行成為了工作人員需要解決的問題。下面就此進行討論和分析。

1 地鐵35 kV供電系統

1.1 供電系統簡介

地下車站35 kV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，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，可保證全所在一路進線有電的情況下承載全站一、二級負荷。35 kV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。在35 kV供電系統中性點接地設置110/35 kV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，接地變壓器兼顧所用電變壓器。

1.2 接線方式

圖1為標準站變電所的接線方式。其中，QF1和QF2為2路主進線開關；QF4和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（G1S），斷路器采用真空斷路器。

1.3 繼電保護

35 kV繼電保護必須具有可靠性、選擇性、靈敏性和速動性，同時，在設計上還應采用簡單、高效的配置。35 kV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，35 kV進線電纜主保護采用光纖縱差保護，后備保護由上級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無法進行精確的距離保護，特

別是在本線路末端和下級線路的始端。如果同時采集本線路始末端的數據再對比分析，則可以區分出是保護區內故障與區外故障，從而實現速動性和選擇性。這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，還要傳送兩側數據，存在縱向的信息聯系，保護裝置據此進行分析，才能獲得正確的判斷。

2.2 縱聯保護通道

縱聯保護所利用的通道有4種：導引線縱聯保護、電力線載波縱聯保護、微波縱聯保護和光纖縱聯保護。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。光纖通道的帶寬很大，可使信息的傳送更加快速、及時，能容納更多的信息量，可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，可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的保護裝置，每側的保護裝置根據本側和對側的數據進行分析，判斷屬于保護區內故障還是區外故障。保護裝置判斷的依據并不是已設定的電流定值、延時時間和電流方向等，而是根據基爾霍夫電流定律（Σi=0，流入1個節點電流向量和等于0）。這類保護在每側都可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，必須比較同一時刻兩端的電流值，這要求線路兩端對各電流數據進行同步處理，要保證2個異地時鐘的統一和同步，常用的數據通道同步方法有全球定位系統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，流入被保護線路的電流等于流出電流，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，當被保護線路中有保護區外的短路電流流過時，兩側保護裝置會產生較大的不平衡電流，進而可能引起誤動作。為了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。

四線段比率差動的動作方程如下：

式（1）（2）（3）（4）中：?M和?N為本側和對側分相（A，B，C）電流的相量，電流的方向均指向線路；IOP.MIN為分相差動啟動電流定值，必須躲過在正常運行時的最大不平衡電流；K1和K2為兩段比率制動的制動率；IINT為兩段比率差動特性交點處的電流差動值，取額定電流的4倍；ISat.MIN為差動速斷電流定值。

由此可見，縱差保護動作特性由四線段組成。這種動作特性的優點為：在區內故障電流較小時，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

從長期的運行經驗可知，合理設置保護的各定值，其動作特性可完全滿足保護的靈敏度和可靠性要求。

2.6 TA斷線監視

差動保護設置了“TA斷線監視”功能。在正常運行過程中，如果差電流長時間不返回，則TA斷線動作閉鎖差動保護，以防再次發生區外故障時的差動保護誤動。

3 故障時性能分析

3.1 差動保護區外部故障的性能分析

假設發生保護區外故障，即變壓器高壓側發生兩相短路，進線差動保護流入線路的電流等于流出線路的電流，即：iM=iN（iM-iN=0）。因此，進線差動保護區外部故障時，進線差動保護不動作。

3.2 差動保護區內部故障的性能分析

假設發生保護區內故障，即進線線路上發生單相對地短路，35 kV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。

接地變壓器的阻抗：

. （5）

式（5）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35 kV；SN為變壓器容量，取500 kVA。

代入公式計算XT為0.15 Ω。

計算線路阻抗時，輸電線路電阻忽略不計，線路阻抗為0.04 Ω/km。計算公式如下：

XL=X0L. （6）

式（6）中：X0為每千米線路的阻抗值，Ω/km；L為線路長度，km。

接地電阻R0=100 Ω。接地變和線路阻抗遠小于固定的接地電阻，因此，接地短路電阻以100 Ω計算：?M=U/R=25 000/100=250 A；?N=0；?M-?N=250-0=250 A；?M +?N=250+0=250 A。而進線差動保護動作值為50 A，因此，進線差動保護區內故障時保護可可靠動作。

4 結束語

綜上所述，電力系統的穩定保證了地鐵的正常運作，在進行電力系統的保護工作中，要多方面地做好線路保護，嚴謹計算各項數據和有關的參數，并做好維修養護工作管理，保證能及時發現并處理問題。只有這樣，才能有效保證地鐵電力系統運行的穩定和安全，創造更大的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]代瑩，程秋秋，張慶偉.改進型光纖縱差保護裝置在地鐵供電系統中的應用[J].城市軌道交通研究，2014（02）.

〔編輯：張思楠〕