城市軌道交通35kV電纜光纖差動保護技術分析

合肥市軌道交通集團有限公司 羅 翔

以我國現代化城市建設及發展的現狀來看，城市軌道交通已成為一個城市經濟水平的標志。在交通體系多元化發展的今天，為進一步緩解城市交通壓力，自進入21世紀以來，城市軌道交通建設就成為我國城市建設與發展的重點工程項目，而在城市軌道交通運轉過程中，電力起到了非常重要的作用，隨著城市軌道交通運營負載的增加，其供電負荷也在不斷加重，使得城市軌道交通設備跳閘等故障問題不斷發生，對城市軌道交通的運行造成了負面影響。

對于城市軌道交通的供電來說，常見的供電形式涵蓋了集中供電、分散供電以及混合供電。這三種供電方式都能為城市軌道交通設施提供穩定的用電供應，不過由于不同方式間特性的不同，具體應用還需結合實際情況來進行選取，為體現出光纖差動保護，通常都以集中式供電的方式為主。

鑒于集中式供電方案的可靠性、穩定性遠遠高于分散式供電和混合式供電，因此大部分城市軌道交通供電系統以集中式供電為主。本文以集中式供電方案為基礎，探究城市軌道交通35kV 線路光纖差動保護的原理及應用情況，并深入分析35kV 開關柜光纖差動保護跳閘原因及處理措施，以此來豐富相關研究理論。

1 光纖差動保護原理

當前，在電力供應當中地鐵35kV 開關柜光纖差動保護主要是根據基爾霍夫電流的定律為基準。圖1為35kV 輸電線路實體圖。這種保護動作的形成，是根據計算繼電保護裝置的三相電流而得，通過計算的方式，進而能夠通過檢測相關保護裝置中三相電流向量和的值作為依據來進行光纖差動保護的評定，若在具體鏈接中，電流互感器二次側電流繼電器的電流符合一定整定值，進而就會產生光纖差動保護動作，通過形成保護的形式來引發電路跳閘。圖2為光纖差動保護工作模型。

圖1 35kV 輸電線路實物圖

圖2 光纖差動保護工作模型

光纖差動保護采用分相電流差動元件作為快速主保護，并采用PCM 光纖或光纜作為通道，使其動作速度更快，因而是短線路的主保護，這與一般的保護形式相比，優勢特點較為明顯，其不僅繼承了電流差動保護的特性，且在光纖傳輸通道上具備較強的穩定性與可靠性，能夠確保傳送電流幅值與相位正確可靠地傳送至對側[1]。

除此之外，光纖差動保護的架構體系中能夠看出，其是依據線路光纖通道來進行對側傳遞和接收進行數據信息的采集與處理。該系統具體架構可見圖3。從圖3可以看出，通過借助本地與對側電流數據來計算電路中的差動電流。以此來鑒別電流差動保護制動特性，進而體現出保護動作產生及不產生的具體原因。

圖3 光纖差動保護系統的典型構成圖

結合圖3光纖差動保護系統架構，直觀體現出，供電線路在穩定供電過程中，兩側電流相位相反。其中，假設M 側是送電端，N 是受電端，就可視為M 的側電流是母線流向線路，而N 側電流是線路流向母線，這兩側的電流大小相等，但方向卻截然不同；若線路在實際運行中產生故障，則其形成的故障電流會從母線流向線路的方向為基準，而線路兩側電流差電流則不為零，對于光線保護動作的產生來說，需在符合電流差動保護動作特性方程的前提下為基準，進而才能產生相應的動作來實現故障切除。圖4是光纖差動保護的制動特性。

圖4 光纖差動保護的制動特性

圖4中，Id 為差動電流，Id=|IMφ+INφ|，φ 為相位，φ=A、B、C；

Ix 為制動電流，Ix=|IMφ-INφ|；

K1和K2則代表不同的制動斜率。

從首尾互感器之間流出流入的電流，均產生動作電流。從首尾互感器之外流出流入的電流，不可視為動作電流，其只是以形成制動電流Ix 為主。動作電流和制動電流相對工作點在比率制動曲線上時，就會出現光纖差動保護動作。

Isl是啟動電流的體現，因線路兩側電流互感器測量誤差與超高壓線路在實際運轉中所形成的充電電容電流等因素，差動保護在利用本地和對側電流數據按相進行實時差電流計算時值并不為零。靈敏度校驗式子如下所示：

在上述式子中，Ksen代表靈敏度系數，則表現為最小運行方式下保護區中兩相短路的最小短路電流（A），nTA代表了電流互感器變比，Iop為差動保護動作電流。

以某工程35kV 開關柜采用的南瑞PCS-9613DT 線路光纖縱差保護裝置為例，其環網系統包括E、D、C、B、A 五座車站變電所，潮流方向為E 變電所→A 變電所。AC35kV 進出線開關柜差動保護變比為500/1。線路各個參數如表1所示：

表1 線路參數表

南瑞PCS-9613DT 線路光纖縱差保護裝置整定值如表2所示。

表2 線路光纖縱差保護裝置整定值

根據以上整定值，計算不同短路的短路電流條件下制動特性。見表3。

表3 最大短路電流下制動比例值

根據以上不同短路電流下計算制動比例可知，制動比例值均大于k1及k2值，其差動電流值在光纖差動保護的制動特性曲線以上，差動保護動作。

表4 最小短路電流下制動比例值

2 城市軌道交通35kV 線路光纖差動保護跳閘原因

城市軌道交通在實際運行中，其35kV 開關柜光纖差動保護出現跳閘的原因有以下幾種：一是城市軌道交通35kV 開關柜結構有所損壞，且其內部構件出現引線接頭松動、損壞及脫落等現象，就會使供電設備的電壓電流發生變化，進而對其運行穩定性造成影響，最終就會出現跳閘保護動作。

二是由于35kV 開關柜的斷路器與絕緣子出現破損現象，就會導致其絕緣性能受到影響，這就會導致短路現象發生，從而引起跳閘[2]。

三是電流互感器作為城市軌道交通35kV 開關柜的重要器件，這一設備發生故障時就會觸發光纖差動保護裝置報警，從而引起跳閘。

四是三工位隔離開關是確保其正常運行的核心要素，若是其絕緣子性能受到影響，同樣會造成跳閘現象的產生。

五是35kV 開關柜裝置與避雷器相連，如果該部件受到損壞，會引發電壓與電流的變化，使光纖差動保護裝置產生跳閘保護動作。

六是35kV 電纜因外力導致破損導致短路發生。

3 城市軌道交通35kV 線路光纖差動保護跳閘處理

3.1 針對性處理措施

城市軌道交通用電設備在發生故障問題時，進行35kV 開關柜光纖差動保護跳閘處理的過程中，要展開針對性且全面性的檢查，并將故障點優先原則踐行到實處，根據故障處進行檢查，并從該部位周邊以點分段啟動自投，使沒有發生故障的設備部件繼續進行供電，這樣能夠確保原有的線路運行方式不會受到影響，而是單一的只針對故障處進行處理，以確保設備原有性能不受損壞。

以環線故障的問題為例，光纖差動保護在退出后，設備故障檢查與維修時，要借助后備電流保護來切除故障部位，以確保整個設備裝置不會因穿越性電流而影響其自身性能，這樣就不會在檢修過程中引發跳閘動作的產生，且也能為設備整體跳閘概率的降低提供保障[3]。

除此之外，必須要進一步明確城市軌道交通供電設備中其他斷路器有無跳閘動作產生，以此來實現供電電源調度的優化與調整，提升其靈敏度。之后，就可以送電的方式來檢驗其是否能夠實現正常供電，若運轉正常，就可一一對停電線路進行送電，如果還是無法實現正常供電，就要將處理中心放在備用電源的使用上，以此來確保不會產生城市軌道交通停運的現象。

對于一些失壓的中低壓側設備檢修來說，能夠采取先恢復供電的方式，再展開針對性處理，這樣能夠進一步減少因設備故障而造成的損失，在城市軌道交通停運時，再對相關故障進行處理[4]。

3.2 排查確定故障點

跳閘動作產生后，進行故障處理時，一定要對設備進行全面排查，以此來確定故障點，為后續故障維修工作的有效開展而提供保障。

城市軌道交通的供電設備相比于一般供電設備而言，具備一定的特性，尤其是在發生故障問題時，通常來說都會形成大量故障電流。此時，一定要確定電路設備的故障點，以排查的方式先檢查35kV開關柜，再對光纖差動保護裝置進行全面檢查。必須加強巡視檢查的力度，在夜間城市軌道交通停運時，可通過斷電的方式對保護裝置進行細致的排查。

結合上述研究分析來看，為了確保城市軌道交通實現正常運行，使其穩定性與安全性能夠得到有效保障，就要確保電源供應足夠穩定，若是用電設備發生異常，就會觸發35kV 開關柜光纖差動保護裝置，從而出現跳閘現象，該項技術的應用能夠第一時間了解城市軌道交通用電設備的運行狀況，能夠及時采取有效措施進行設備維修。

由此可見，該項技術在城市軌道交通供電中應用的價值與意義，政府及城市軌道交通相關部門要充分意識到該項技術應用的重要性，加大其推廣及應用的力度，才能為城市軌道交通用電設備的運行及供電穩定性與安全性的加強做出貢獻[5]。