光纖縱差保護(hù)對地鐵35kV供電系統(tǒng)的保護(hù)效果分析

劉超　魏沖

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

關(guān)鍵詞：地鐵；供電系統(tǒng)；縱差保護(hù)；故障停電

中圖分類號：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.090

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，地鐵在城市建設(shè)中越來越普及，地鐵對電力系統(tǒng)的要求也隨之提高。但因供電系統(tǒng)易發(fā)生各種各樣的短路事故，影響了電力系統(tǒng)和地鐵的正常運(yùn)行。因此，如何做好繼電保護(hù)工作，以保證地鐵的正常運(yùn)行成為了工作人員需要解決的問題。下面就此進(jìn)行討論和分析。

1 地鐵35 kV供電系統(tǒng)

1.1 供電系統(tǒng)簡介

地下車站35 kV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臺變壓器獨(dú)立供電，母聯(lián)開關(guān)在自投位置，臺回路分列運(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，可保證全所在一路進(jìn)線有電的情況下承載全站一、二級負(fù)荷。35 kV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。在35 kV供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地設(shè)置110/35 kV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，接地變壓器兼顧所用電變壓器。

1.2 接線方式

圖1為標(biāo)準(zhǔn)站變電所的接線方式。其中，QF1和QF2為2路主進(jìn)線開關(guān)；QF4和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)；FV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（G1S），斷路器采用真空斷路器。

1.3 繼電保護(hù)

35 kV繼電保護(hù)必須具有可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性，同時(shí)，在設(shè)計(jì)上還應(yīng)采用簡單、高效的配置。35 kV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，35 kV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)無法進(jìn)行精確的距離保護(hù)，特

別是在本線路末端和下級線路的始端。如果同時(shí)采集本線路始末端的數(shù)據(jù)再對比分析，則可以區(qū)分出是保護(hù)區(qū)內(nèi)故障與區(qū)外故障，從而實(shí)現(xiàn)速動(dòng)性和選擇性。這種保護(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)，還要傳送兩側(cè)數(shù)據(jù)，存在縱向的信息聯(lián)系，保護(hù)裝置據(jù)此進(jìn)行分析，才能獲得正確的判斷。

2.2 縱聯(lián)保護(hù)通道

縱聯(lián)保護(hù)所利用的通道有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)和光纖縱聯(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(shí)，能容納更多的信息量，可實(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，可同時(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)的保護(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)行分析，判斷屬于保護(hù)區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障。保護(hù)裝置判斷的依據(jù)并不是已設(shè)定的電流定值、延時(shí)時(shí)間和電流方向等，而是根據(jù)基爾霍夫電流定律（Σi=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)都可直接比較兩側(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，必須比較同一時(shí)刻兩端的電流值，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)一和同步，常用的數(shù)據(jù)通道同步方法有全球定位系統(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)線路的電流等于流出電流，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)線路中有保護(hù)區(qū)外的短路電流流過時(shí)，兩側(cè)保護(hù)裝置會產(chǎn)生較大的不平衡電流，進(jìn)而可能引起誤動(dòng)作。為了防止這種情況的發(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。

四線段比率差動(dòng)的動(dòng)作方程如下：

式（1）（2）（3）（4）中：?M和?N為本側(cè)和對側(cè)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(dòng)啟動(dòng)電流定值，必須躲過在正常運(yùn)行時(shí)的最大不平衡電流；K1和K2為兩段比率制動(dòng)的制動(dòng)率；IINT為兩段比率差動(dòng)特性交點(diǎn)處的電流差動(dòng)值，取額定電流的4倍；ISat.MIN為差動(dòng)速斷電流定值。

由此可見，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)為：在區(qū)內(nèi)故障電流較小時(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

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，其動(dòng)作特性可完全滿足保護(hù)的靈敏度和可靠性要求。

2.6 TA斷線監(jiān)視

差動(dòng)保護(hù)設(shè)置了“TA斷線監(jiān)視”功能。在正常運(yùn)行過程中，如果差電流長時(shí)間不返回，則TA斷線動(dòng)作閉鎖差動(dòng)保護(hù)，以防再次發(fā)生區(qū)外故障時(shí)的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

3 故障時(shí)性能分析

3.1 差動(dòng)保護(hù)區(qū)外部故障的性能分析

假設(shè)發(fā)生保護(hù)區(qū)外故障，即變壓器高壓側(cè)發(fā)生兩相短路，進(jìn)線差動(dòng)保護(hù)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(jìn)線差動(dòng)保護(hù)區(qū)外部故障時(shí)，進(jìn)線差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。

3.2 差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)部故障的性能分析

假設(shè)發(fā)生保護(hù)區(qū)內(nèi)故障，即進(jìn)線線路上發(fā)生單相對地短路，35 kV系統(tǒng)接地采用經(jīng)過接地變壓器初級線圈中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地，參數(shù)計(jì)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(jì)算XT為0.15 Ω。

計(jì)算線路阻抗時(shí)，輸電線路電阻忽略不計(jì)，線路阻抗為0.04 Ω/km。計(jì)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(yuǎn)小于固定的接地電阻，因此，接地短路電阻以100 Ω計(jì)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(jìn)線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作值為50 A，因此，進(jìn)線差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)保護(hù)可可靠動(dòng)作。

4 結(jié)束語

綜上所述，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定保證了地鐵的正常運(yùn)作，在進(jìn)行電力系統(tǒng)的保護(hù)工作中，要多方面地做好線路保護(hù)，嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算各項(xiàng)數(shù)據(jù)和有關(guān)的參數(shù)，并做好維修養(yǎng)護(hù)工作管理，保證能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理問題。只有這樣，才能有效保證地鐵電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和安全，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

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

〔編輯：張思楠〕