地鐵中壓供電系統零序保護整定探討

史 丹

0 引言

目前國內大多數城市地鐵采用集中供電方式，新建110/35 kV主變電所，35 kV側一般為小電阻接地系統，35 kV中壓網絡采用雙環網連接。針對線路上發生的單相接地短路，設置縱差保護作為主保護，零序過電流保護作為后備保護。針對變電所內變壓器饋線回路發生單相接地短路，設置零序過電流保護。近年來隨著信息技術的發展，部分地鐵線路通過配置數字通信過電流保護判斷故障區域，滿足保護選擇性。

關于零序保護的整定值，目前設計單位整定原則并不一致，整定方法模糊不清，主要采用“經驗值”，給供電系統的安全穩定運行帶來一定隱患。本文首先建立地鐵環網供電系統單相接地短路等效電路模型，理論分析零序電流保護的整定計算；通過某地鐵線路一次倒閘操作過程中發生的單相接地故障分析，進一步說明零序保護整定中需要注意的問題，可為設計人員提供一定參考。

1 環網零序保護整定

零序保護的動作電流應滿足以下3個條件[1]：（1）應可靠躲過線路的電容電流；（2）滿足線路單相接地故障靈敏度要求；（3）與上、下級開關零序電流保護定值配合。

為了滿足以上條件，一般零序電流保護定值較低，為了避免誤動作，地鐵線路上的零序保護僅設置Ⅰ段零序過電流保護。線路上由于采用環網結構，一個供電分區內連接多個變電所，零序電流保護定值無法逐級配合。目前很多城市地鐵線路配置數字通信過電流保護[2]，可以判斷故障區域，不需要再逐級設置時間級差保證跳閘的選擇性。

在正常運行方式下，地鐵1個主所通常會為2個供電分區供電，每個分區內有4、5個變電所，如圖1所示，A1～A3和B1～B2為每條線路連接的變電所名稱，數量僅為示意。

圖1 地鐵主所供電示意圖

假設在A2變電所出線線路末端發生單相對地短路，系統等值電路如圖2所示。由于地鐵110/35 kV主變壓器二次側一般為三角形接線，是通過接地變壓器連接接地電阻構成小電阻系統，在三角形接線中零序電流無法流通至主變壓器一次側，因此零序等值電路中無需考慮系統阻抗。圖中，XS為系統阻抗，XT為變壓器阻抗，ZL為線路正序阻抗，ZL0為線路零序阻抗，R為系統接地小電阻值，為相電壓，、、分別為短路點正序、負序和零序電壓。

圖2 單相對地短路時等值電路

正序和負序短路阻抗（變壓器和線路負序阻抗與正序相同）：

零序阻抗：

單相對地短路電流：

以某市一地鐵線路實際參數為例，取基準容量Sb為100 MV·A，基準電壓Ub為37 kV，最小運行方式下，系統短路容量S按1 000 MV·A考慮，主變壓器容量ST為 40 MV·A，電壓百分比ukn取12.5%，接地電阻額定電流1 000 A，電阻20 Ω，線路正負序單位阻抗取(0.061 8 + j0.117 4) Ω/km，零序阻抗為(0.956 1 + j0.767 5) Ω/km[3]，最長的一個供電分區內線路長度為8 km。

由以上計算可知，單相對地短路電流值受接地電阻值影響較大，受線路長度的影響較小。地鐵線路在應急支援供電方式下，即1座主變電所給全線負荷供電時，支援線路長度長，零序保護整定應按照應急支援方式下可能的最長線路進行核算，靈敏度系數Ksen取2。針對該工程，最長線路近25 km，同理計算可得單相接地短路電流為631 A。則零序保護動作值：

同時，零序保護動作值還應躲過線路電容電流，可靠系數Kk取1.5。當線路A發生單相對地短路故障時，非故障線路流過電纜電容對地電流，在非故障線路首端的零序電流為正常運行時電纜電容電流的3倍[4～6]。同樣需要按照應急支援供電方式下最長電纜線路考慮，利用式（4）進行計算：

其中：Un為線路電壓；fn為線路頻率；C為每公里的電容值，電纜線路可取250 nF/km；l為線路長度。

當線路長度為25 km時，代入式（4）可得：3Ic= 119 A，Iop≥Kk×3Ic= 178.5 A。

此外，還需考慮當發生非金屬性單相對地短路，短路電流較小時的靈敏度，線路末端的零序電流保護整定值不宜過大，一般取0.2～0.3倍額定接地電流[7]。因此，針對該地鐵線路，選取零序保護動作值180 A為合適的。

綜上所述，針對地鐵供電系統線路上的零序保護整定，當采用數字電流保護時，全線路零序保護動作電流值可采用統一值，但需要根據應急支援運行方式下最長線路進行計算校驗。當未采用數字電流保護時，則需要根據每段線路長度分別計算，且在不同運行方式下需設定不同的定值。

2 饋線零序保護整定

2.1 變壓器高壓側發生單相對地短路

地鐵供電系統中每座變電所 35 kV母線連接變壓器高壓側均為三角形接線，低壓側的零序電流無法流通至高壓側，因此在35 kV變壓器饋線上設置的零序過流保護僅能保護到變壓器高壓側。一般情況下，35 kV母線至變壓器這段電纜長度不超過30 m，在整定值上無法與線路環網零序定值完全區分，可利用數字過電流保護判定故障區域或通過時間級差予以區分。

2.2 變壓器低壓側發生單相對地短路

當變壓器低壓側發生單相對地短路時，以配電變壓器為例，當配電變壓器與400 V開關柜分層布置，中間通過母線槽連接時，當母線槽發生單相對地短路，35 kV饋線保護裝置無法檢測到零序電流，此時只能依靠35 kV饋線過電流保護。因此，在進行35 kV饋線過電流保護整定時，需要對變壓器低壓側發生單相對地短路時的短路電流進行校驗。

3 典型事故案例分析

某市一地鐵線路在運營調試期間發生一起400 V母線槽接地故障引起的跳閘事故。該線路局部供電系統如圖3所示（省略部分變電所）。

圖3 某地鐵線路局部供電系統

3.1 事故過程

該地鐵線路在運營調試期間，主變電所2尚未具備供電條件，因此變電所B的聯絡開關102A和102B為合閘狀態，由主變電所1為全線負荷供電。事故發生當晚，由于需對主變電所1的Ⅰ段和Ⅱ段35 kV線路分別進行停電檢修作業，為了保證線路上負荷不失電，對線路進行了倒閘操作。事故發生前，主變電所1的35 kV Ⅰ段母線停電，Ⅱ段母線帶電，變電所A的101B和103開關在合閘狀態。事故發生過程中，倒閘操作如表1所示（部分操作缺少時間記錄）。

表1 倒閘操作記錄

大約在1：28時，變電所C和D的Ⅱ段失電，低壓400 V側由于Ⅱ段進線失壓跳閘，備自投自動投入，由 400 V Ⅰ段電源為所有低壓負荷供電。在該過程中，變電所D的Ⅰ段配電變壓器與400 V進線開關柜之間的母線槽發生接地短路故障，產生大量煙霧，但變電所D的104A并未動作，而是變電所C的122 A零序保護出口跳閘。

3.2 事故原因分析

變電所D的104A和變電所C的122A保護裝置故障前后部分報文如表2和表3所示。IA，IB，IC和VAB，VBC，VCA分別為由電流互感器和電壓互感器采集到的一次側相電流和線電壓，Ig為由保護裝置計算得到的零序電流。104A作為變壓器保護開關，設置速斷保護、過電流保護、過負荷保護以及零序電流保護。速斷電流整定一次值為 400 A，過電流保護整定一次值為150 A，過負荷保護整定一次值為 30 A，過負荷報警不跳閘，零序過電流保護整定一次值為100 A。

表2 變電所D的104A保護開關報文記錄

表3 變電所C的122A保護裝置報文記錄

表2和表3記錄時間均為各自保護裝置事件記錄時間，由于在調試階段，尚未完成設備統一對時，因此不同保護裝置的時間記錄存在時間誤差。

從表2中可知，約在01：28：29，Ⅱ段失電，400 V備自投合閘后，出現過電流，A相和C相電流為32 A，B相電流1 A，接近為0。配電變壓器采用DYn11接線型式，利用對稱分量法分析可知，當低壓側發生C相接地短路時，高壓側B相電流為0，A相電流和C相電流值相等[8，9]，因此可以判定，在故障初期，低壓側母線槽 C相發生接地故障。隨后，故障發展成兩相、三相接地，短路電流也逐漸增大，01：28：29：552時檢測到C相電流超過整定值150 A，過電流保護跳閘延時設定為0.5 s，故障電流未達到時間定值時，變電所 C的122A先觸發保護跳閘，因此本所 104A未動作。在此期間，104A高壓側計算的零序過電流Ig一直為0。

事故后對故障母線槽進行拆解查看，發現最外側裸銅PE地排與緊鄰C相絕緣銅排電擊穿點周邊存在母線絕緣層擠壓跡象，銅排從外側向內分別為E、C、B、A、N相依次排列，受損程度依次減輕。

從表3中可知，約在 01：28：29，變電所 C的122A出現三相不平衡電流，導致零序電流超過整定值100 A，此時由于出線101A和102A均未檢測到過流，因此保護裝置判定為母線故障，閉鎖出線開關動作，母線保護延時為0.1 s，達到延時后，保護出口跳閘。

由于配電變壓器采用DYn11接線型式，變電所 D的配電變壓器低壓側發生單相接地短路時，在高壓側不會產生零序電流。在事故過后，斷開變電所D的104A斷路器，對變電所D的122A重新送電合閘時，122A再次產生較大的零序電流，但持續時間未超過0.1 s，沒有引起故障跳閘。因此可以判定，變電所C的122A故障跳閘和變電所D的母線槽單相接地短路故障相互之間沒有必然聯系。由于事故發生時收集到的信息較少，無法判斷122A沖擊電流和零序電流產生的具體原因。

3.3 電流整定值分析

由上述事故分析可知，對于變壓器低壓側至400 V進線柜之間的這段線路，當發生單相對地短路時，高壓側斷路器設置的零序保護無法檢測。因此，高壓側104A過電流保護的保護范圍應一直延續到400 V進線開關的上口，同時還需要考慮對單相接地故障的靈敏度。

上述案例中，變電所D的配電變壓器和400 V開關柜分層布置，中間通過母線槽連接，母線槽長度接近20 m。高壓側短路容量按300 MV·A考慮，配電變壓器容量為1 250 kV·A，變壓器阻抗電壓百分比為6%。通過計算或查圖集可得，在母線槽末端發生單相對地短路時，短路電流約為23 kA，折算到高壓側約為228 A。104 A斷路器過流整定值為150 A，滿足單相對地短路的靈敏度要求。但在事故發生初期，單相對地可能發生的是高電阻接地故障，故障電流小，無法達到整定值。

4 結論

本文全面分析了地鐵供電系統零序保護的整定計算方法。針對環網線路的零序保護，在考慮不同運行方式下，可以按照最長線路工況下的單相短路電流進行整定，在保證躲過電纜電容電流的情況下，使得整定電流盡量小，以保證在發生高電阻單相接地短路時的靈敏性要求。針對變壓器饋線回路設定的零序保護，無法保護變壓器低壓側的接地故障，而應采用過流保護作為變壓器低壓側單相接地故障的主保護。通常配電變壓器饋線回路過電流的整定由于需要考慮與下級AC 400 V進線開關短路短延時的保護配合，過流定值設置偏大，當變壓器低壓側出線回路距離較長時，尤其需要校驗線路末端發生單相對地短路時變壓器饋線過電流保護的靈敏度。如果靈敏度無法滿足要求，則需要考慮其他附加措施，例如在變壓器低壓側的線路上單獨設置零序電流互感器。同時在設計過程中也應盡量將變壓器與下級進線開關柜就近設置，避免出現較長的連接電纜或母線槽，從而減小事故發生機率。