城市軌道交通供電系統數字通信過電流保護方案優化

程詠斌，常寶波，謝悅海，黎國君

（1.廣州市世科高新技術有限公司，廣州 510540；2.廣州市揚新技術研究有限責任公司，廣州 510540）

0 引言

目前，國內外城市軌道交通33 kV供電系統主要采用光纖差動保護作為主保護，數字通信過電流保護作為區間故障的后備保護。數字通信過電流保護是近年來隨著計算機技術和通信技術的快速發展，在傳統過電流保護的基礎上開發的一種新型速動過電流保護。各裝置間通過光纖進行通信，通過光纖進行直接快速地傳輸裝置間的采樣信息和動作信息，并結合裝置的可編程功能實現相鄰站間的保護聯跳及閉鎖信息等。當區間線路發生故障時，兩端的保護裝置檢測線路中流過的電流是否達到其設定的過流啟動值，并將此啟動信號通過光纖在兩裝置間傳遞，在保護裝置的內部進行邏輯比選、判斷，快速判別線路故障區段，實現選擇性地快速切除故障線路[1－3]。

從數字通信過電流保護原理可以發現其保護只是對是否有過電流進行判定傳遞，但未對這個過電流的由來進行判據。保證過電流是區間故障電流：根據數字通信過電流保護判定邏輯，在通信正常的情況下，如本站過流啟動，對側站點過流未啟動，此時數字通信過電流保護啟動，執行保護動作。本文通過分析現場事例提出一個數字通信過電流保護優化方案，即通過在線路兩側增加方向元件的方法快速定位故障點，并通過可編程邏輯判定數字通信過電流保護是否閉鎖，保證繼電保護裝置動作的準確性。

而數字通信過電流保護是在原過電流保護的原理及功能不變的基礎上將區間兩端繼電保護裝置聯網，通過光纖進行直接快速的傳輸站間兩臺繼電保護裝置的采樣信息和動作信息，并結合繼電保護裝置的可編輯功能實現相鄰站間的保護聯跳及閉鎖信息、開關量信息等。區間線路發生故障、接地等情況時，兩端的繼電保護裝置檢測線路中流過的電流是否達到其設定的判據電流啟動值，并將此啟動與否的信號，通過光纖在兩裝置間進行傳遞，在保護裝置的內部進行邏輯比選、判斷，快速判別線路故障區段，實現選擇性地快速切除故障線路。同時數字通信過電流保護是在原過流保護去基礎上開發出來的，其具備過流保護裝置的所有功能，并可解決“光纖縱差保護＋過電流保護”的保護配置方案局限性問題[1－3]。

1 運行事故案例

1.1 事故經過

現場的一次系統接線如圖1 所示，區間的進、出線柜均配置了線路差動保護裝置作為主保護單元，配置綜合保護測控裝置（數字通信過電流保護裝置）作為后備保護單元。當區間線路d1故障時，線路兩側的線路差動保護裝置和綜合保護測控裝置均可同時跳閘切除故障。

圖1 現場一次系統接線

現場B 站停電進行正線環網切換，切換完成后恢復供電過程中，圖中B 站AC 33 kV 綜合保護測控裝置及C 站綜合保護測控裝置均出現數字通信過電流保護誤跳情況。

1.2 事故原因

出現誤跳情況的開關現場故障錄波波形如圖2～3 所示，從波形可以看出當B 站開始送電變壓器啟動過程中存在勵磁涌流，三相電流的波形符合勵磁涌流波形的特征，這種情況下理論上繼電保護裝置不應該發生數字通信過電流保護動作，但線路兩端的繼電保護裝置都發生了數字通信過電流保護動作。

圖2 現場B站進線動作錄波數據

經詢問及現場查看發現B 站出線柜的繼電保護裝置數字通信過電流保護動作值設定為1.48 A。C站進線柜繼電保護裝置的數字通信過電流保護動作值設定為1.11 A。

分析圖2所示波形可以看出，Ic相所產生的勵磁涌流在T2附近達到了1.11 A的數字通信過電流保護的啟動值，而從圖3發現，Ia、Ib、Ic都沒有達到1.48 A的數字通信過電流保護的啟動值。根據數字通信過電流保護的保護邏輯關系，如圖4 所示，在光纖通訊正常的情況下，本側或對側有一側達到過流啟動，另一側未達到過流啟動，在一定時延內，相數字通信過電流保護啟動。繼電保護裝置的數字通信過電流保護動作是正確的。

圖3 現場C站出線動作錄波數據

圖4 數字通信過電流保護的邏輯關系

因現場對側站處于運行狀態，經現場大量分析后建議電調將該段饋線全部分開，利用母聯對該段母排供電，送電成功，后續分別對饋線進行送電亦成功，本站直流牽引用電恢復。現場檢查該段2臺動力變正常，無燒焦味、無放電。下載錄波，進出線波形無明顯故障電流。這也從側面驗證了是由于變壓器空投產生的勵磁涌流引起繼電保護裝置數字通信過電流保護誤動作。

在中壓供電系統中，變壓器空投產生勵磁涌流是正常現象，一般都會在保護設計及整定值設計時考慮勵磁涌流對二次保護系統的影響，在定值整定中避免勵磁涌流引起的保護誤動。經與設計方溝通現場定值組整定確實考慮了這方面影響。從現場查看情況可以看到，該線路兩側數字通信過電流保護啟動定值不一致，C站保護定值明顯偏小。通常情況下線路兩側數字通信過電流保護定值應該保持一致，后經詢問設計方了解到在設計階段B站的二次變比為300∶1，C站的二次變比為400∶1，設計通過二次變比計算出保護整定值，B、C兩站定值均無錯誤。但在具體實施階段為使兩側二次變比保持一致，對C站二次變比進行變更為300∶1，但定值未進行變更依然使用原整定定值，故造成線路兩側數字通信過電流保護整定值不一致。在上述分析中保護動作啟動及保護動作過程均符合現場保護設定及保護整定范圍，經檢查其他回路不存在故障，考慮圖2～3錄波波形為典型的變壓器勵磁涌流波形，綜合現場定值設置情況分析，確定事故原因為兩側數字通信過電流保護過流啟動定值不匹配。

同時，在檢驗分析中發現當兩側過流啟動值設定一致，但當一側保護裝置檢測到饋線波動電流達到整定值臨界點時，數字通信過電流保護也會啟動。經過大量的分析，發現數字通信過電流保護邏輯未判定過電流的由來，所以當饋線變壓器產生勵磁涌流引起母線電流變化時，繼電保護裝置只是判定兩側有無電流達到啟動值，未對故障點進行判定。當且有一側電流達到啟動值，另一側未啟動時保護動作。

2 優化方案

數字通信過電流保護的誤動作是由于線路兩側過電流整定值不匹配引起的，線路兩側的一側由于定值整定較小，變壓器勵磁涌流達到了過電流整定值從而啟動保護。而饋線變壓器勵磁涌流產生的涌流電流應為站內感應電流，當涌流電流過大時應由站內保護動作跳開斷路器起到保護作用，而不是由區間線路保護動作跳開兩側斷路器。但由于現階段的數字通信過電流保護只判定是否有啟動電流，且保護時延較短，當檢測到過電流時，未等站內保護響應，該保護就先啟動，從而導致數字通信過電流保護誤動作。針對該情況，提出優化解決方案如下。

優化數字通信過電流保護邏輯如圖5 所示，在兩側都增加一個方向元件，即當繼電保護裝置采集到電流并判定電流方向后，數字過電流保護才會啟動。圖中為優化后典型的數字過電流保護方案邏輯，數字通信過電流保護在裝置間只傳遞有無啟動信號，由裝置判定通信情況。光纖通信正常，若本側無過流啟動，此時電流從母線流出，而對側有過流啟動；若電流從母線流出，則兩側電流方向相同，數字通信過電流保護啟動；若電流流向母線，則兩側電流方向相反，數字通信過電流保護閉鎖。

圖5 優化數字通信過電流保護方案邏輯

以本文圖1 中B、C 站為例。當B 站饋線變壓器同時啟動從而產生勵磁涌流，引起母線電流變化。結合上述事件分析，因C 站數字通信過電流保護啟動值設定的較小，變化電流達到了過電流啟動值，而B 站啟動值設定的較大一些，變化電流未達到啟動值，根據原邏輯判定有一側啟動，數字通信過電流保護啟動。如果使用優化方案，增加方向元件閉鎖邏輯，根據供電系統特性，電流從電源點流向故障點（假設B站饋線變壓器為故障點），此時B 站電流從母線流向饋線開關，而C站電流從線路流向B站母線，兩側電流方向相反，數字通信過電流保護閉鎖。

而在其他線路區間保護中，當線路中發生故障或接地時，根據電流從電源點流向故障點這一特性結合35 kV供電系統特點，線路兩側均由母線電流流向區間故障點，此時線路兩側電流方向相同，方向閉鎖解除，再判定兩側繼電保護裝置采集到的電流是否達到過流啟動值，從而判定數字通信過電流保護是否啟動，起到區間線路保護作用。

3 結束語

數字通信過電流保護在地鐵供電系統具有重要意義，可與光纖縱差保護配合使用，解決“光纖縱差保護＋過電流保護”的保護配置方案局限性問題，是城市軌道交通供電系統的發展趨勢。但現階段的保護邏輯、定值整定等方面依然有進一步優化的空間，即存在電流方向無法判定而導致保護誤動作的問題。本文主要是提出了一種對保護邏輯優化的方案，即在線路兩側增加方向元件閉鎖邏輯，通過檢測線路兩側電流方向準確點位故障位置，從而閉鎖數字通信過電流保護，避免數字通信過電流保護誤動作，保證繼電保護裝置動作的準確性。