地鐵35kV供電系統(tǒng)縱差保護(hù)分析

孫利杰

（廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建 廈門361000）

0 引言

地鐵電力系統(tǒng)是地鐵安全運(yùn)營的基礎(chǔ)，要求供配電安全可靠，同時(shí)，由于運(yùn)營中采用大量自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，對于電能質(zhì)量要求高，還要考慮長期使用的經(jīng)濟(jì)性。但地鐵電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，供配電設(shè)備眾多，運(yùn)行情況變動(dòng)大，因此受到外界供電系統(tǒng)影響和地鐵運(yùn)營客流的變化，都可能造成各種不同的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)。在地鐵供配電系統(tǒng)運(yùn)行最常見的故障中，對供電系統(tǒng)危害最大的是各種形式的短路，它有可能引起整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的崩潰，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。為此，地鐵供電系統(tǒng)設(shè)置了復(fù)雜高效的繼電保護(hù)設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中調(diào)試控制，還設(shè)置了電力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的分層控制和集中調(diào)試，確保電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

1 地鐵35kV供電系統(tǒng)

1.1 供電系統(tǒng)簡介

地下車站35kV主接線形式采用單母線分段運(yùn)行的方式，正常時(shí)兩進(jìn)線分別為2臺(tái)變壓器獨(dú)立供電，母聯(lián)開關(guān)在自投位置，2臺(tái)回路分列運(yùn)行，同時(shí)供電。任意一進(jìn)線發(fā)生故障停電時(shí)，進(jìn)線開關(guān)在保護(hù)裝置的控制下動(dòng)作跳開，母聯(lián)開關(guān)自動(dòng)投入使用，保證全所在一路進(jìn)線有電的情況下能夠承載全站一、二級(jí)負(fù)荷。35kV采用交聯(lián)聚乙烯電纜輸電，電纜敷設(shè)在上下行隧道間隔墻的電纜支架上。35kV供電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地設(shè)置110／35kV主所內(nèi)，自接地變壓器的中性點(diǎn)引出經(jīng)過接地電阻接地，其中接地變壓器兼所用電變壓器。

1.2 接線方式

圖1為標(biāo)準(zhǔn)站變電所接線方式，其中，QF1、QF2為2路主進(jìn)線開關(guān)，QF4、QF5為2路出線開關(guān)，QF3為母聯(lián)開關(guān)。QS為三工位隔離接地開關(guān)，F(xiàn)V為防雷保護(hù)器。交流開關(guān)柜選擇可靠性高、體積小的SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜（GIS），斷路器采用真空斷路器。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)站變電所接線方式

1.3 繼電保護(hù)

35kV繼電保護(hù)必須滿足可靠性、選擇性、靈敏性、速動(dòng)性要求，同時(shí)在設(shè)計(jì)上還應(yīng)采用簡單高效的配置。35kV進(jìn)線開關(guān)的繼電保護(hù)有線路差動(dòng)保護(hù)、過電流保護(hù)、零序電流保護(hù)，其中35kV進(jìn)線電纜主保護(hù)采用光纖縱差保護(hù)，后備保護(hù)由上級(jí)的階段式電流保護(hù)完成。

2 差動(dòng)保護(hù)

2.1 縱聯(lián)保護(hù)

單一測量點(diǎn)的繼電保護(hù)系統(tǒng)不可能進(jìn)行精確的距離保護(hù)，特別是本線路末端和下級(jí)線路的始端，如同時(shí)采集本線路始末端的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行對比分析，就可以區(qū)分出是保護(hù)區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障，從而實(shí)現(xiàn)速動(dòng)性和選擇性。此種保護(hù)必須在保護(hù)區(qū)的始末端安裝相同的采樣檢測裝置，同時(shí)還要將兩側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，存在著縱向的信息聯(lián)系，保護(hù)裝置據(jù)此進(jìn)行對比分析，才能進(jìn)行正確的判斷。

2.2 縱聯(lián)保護(hù)通道

縱聯(lián)保護(hù)所利用通道有4種：導(dǎo)引線縱聯(lián)保護(hù)、電力線載波縱聯(lián)保護(hù)、微波縱聯(lián)保護(hù)、光纖縱聯(lián)保護(hù)。光纖保護(hù)通道采用專用的光纖線路，與輸電線之間完全獨(dú)立，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生任何故障時(shí)，都不會(huì)對光纖通道的信息傳輸造成干擾。光纖通道帶寬很大，可以讓信息的傳送更快速及時(shí)，能夠容納更多的信息量，可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)電流波形的對比，使保護(hù)裝置的判斷更加準(zhǔn)確。

2.3 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)

縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)通過設(shè)置在線路始末端的檢測器，同時(shí)采集本側(cè)電流的波形和相位，通過光纖通道分別傳送到對側(cè)保護(hù)裝置，每側(cè)的保護(hù)裝置根據(jù)本側(cè)和對側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，判斷出是保護(hù)區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障。保護(hù)裝置判斷的依據(jù)不是已設(shè)定的電流定值、延時(shí)時(shí)間、電流方向等，而是根據(jù)基爾霍夫電流定律：∑I·＝0，流入1個(gè)節(jié)點(diǎn)電流向量和等于0。這類保護(hù)在每側(cè)都直接比較兩側(cè)的電氣量，類似于差動(dòng)保護(hù)，因此稱為差動(dòng)縱聯(lián)保護(hù)。其有良好的選擇性，能靈敏、快速地切除保護(hù)區(qū)內(nèi)的故障。為了保證差動(dòng)算法的正確性，保護(hù)必須比較同一時(shí)刻兩端電流值，這要求線路兩端對各電流數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理，要保證2個(gè)異地時(shí)鐘的統(tǒng)一與同步，常用數(shù)據(jù)通道同步方法與全球定位系統(tǒng)GPS同步時(shí)鐘同步方法。

2.4 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)特性

根據(jù)基爾霍夫電流定律，在正常運(yùn)行時(shí)，流入被保護(hù)的線路的電流等于流出的電流，而在線路內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，兩側(cè)保護(hù)裝置將會(huì)檢測到不同電流，這個(gè)差值就是內(nèi)部的故障電流。電流互感器存在一定的誤差和飽和，當(dāng)被保護(hù)線路流過保護(hù)區(qū)外的短路電流時(shí)，兩側(cè)保護(hù)裝置會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡電流，可能引起誤動(dòng)作。為防止這種情況的發(fā)生，一般縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)都帶有比率制動(dòng)特性，動(dòng)作特性如圖2所示。

圖2 動(dòng)作特性

四線段比率差動(dòng)的動(dòng)作方程如下：

可以看出，縱差保護(hù)動(dòng)作特性由四線段組成。這種動(dòng)作特性的優(yōu)點(diǎn)是：在區(qū)內(nèi)故障電流小時(shí)，它具有較高的動(dòng)作靈敏度；而在區(qū)外故障時(shí)，它具有較強(qiáng)的躲過暫態(tài)不平衡差流的能力。

2.5 動(dòng)作邏輯

動(dòng)作邏輯如圖3所示。從長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，合理設(shè)置保護(hù)的各定值，圖2所示的動(dòng)作特性可以完全滿足保護(hù)的靈敏度及可靠性要求。

圖3 動(dòng)作邏輯

2.6 TA斷線監(jiān)視

差動(dòng)保護(hù)設(shè)置“TA斷線監(jiān)視”功能，正常運(yùn)行過程中，若差電流長時(shí)間存在不返回，則TA斷線動(dòng)作閉鎖差動(dòng)保護(hù)，防止再發(fā)生區(qū)外故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

2.7 保護(hù)定值

進(jìn)線柜差動(dòng)保護(hù)定值如表1所示。

表1 進(jìn)線柜差動(dòng)保護(hù)定值

3 故障時(shí)性能分析

3.1 差動(dòng)保護(hù)區(qū)外部故障時(shí)的性能分析

3.2 差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)部故障時(shí)的性能分析

設(shè)在保護(hù)區(qū)內(nèi)，即進(jìn)線線路上發(fā)生單相對地短路，35kV系統(tǒng)接地采用經(jīng)過接地變壓器初級(jí)線圈中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地，參數(shù)計(jì)算如下：

（1）接地變壓器的阻抗：（

2）線路阻抗：

輸電線路電阻忽略不計(jì)，線路阻抗為0.04Ω／km。

式中，X0為每千米線路阻抗值（Ω／km）；L為線路長度（km）。

（3）接地電阻：

接地變和線路阻抗遠(yuǎn)小于固定的接地電阻，所以接地短路電阻以100Ω計(jì)。

式中，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35kV；SN為變壓器容量，取500kVA。

代入公式計(jì)算：

4 結(jié)語

由以上分析可知，進(jìn)線差動(dòng)保護(hù)對負(fù)荷電流和外部短路電流不反應(yīng)，只反應(yīng)被保護(hù)線路兩電流互感器之間電氣設(shè)備故障時(shí)的短路電流，因此進(jìn)線差動(dòng)保護(hù)不必和其他保護(hù)在時(shí)限上配合，可瞬時(shí)動(dòng)作。

［1］何仰贊，溫增銀.電力系統(tǒng)分析［M］.第3版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002

［2］劉學(xué)軍.繼電保護(hù)原理［M］.北京：中國電力出版社，2004

［3］中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院.廈門市軌道交通1號(hào)線一期工程供電系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)［Z］，2013