數字通信電流選跳保護應用研究

劉雨佳

（廣州地鐵集團有限公司運營事業總部，廣東廣州510310）

0 引言

目前廣州地鐵14號線和知識城線供電系統環網電纜以差動保護作為主保護，數字通信電流選跳保護作為后備保護。該保護配置方案與以往采用的傳統保護方案有所區別，傳統保護配置方案以差動保護為主保護，過流保護和零序保護為后備保護。

1 傳統保護配置不足之處

廣州地鐵大部分的中壓環網進出線開關一般配置縱聯光纖差動保護作為主保護，過流保護和零序電流保護作為后備保護。但該保護方案在大供電分區及供電方式改變的情況下存在選擇性和速動性矛盾，具有需根據運行方式切換整定值組及不能對母線故障進行快速切除等不足。

1.1 過流保護動作時限問題

為保證繼電保護的選擇性，過流保護的動作時間應設置極差，一般要求主變電所過流時限不大于1.5 s。而在大供電分區或某一主所解列由另一主所進行支援的運行方式下，環網開關的過流保護將無法實現極差要求，只能舍棄部分區段的過流保護選擇性，減少極差。上述情況會導致末端幾個變電所過流保護的動作時間一致，當環網線路尾端或中壓母線發生短路時，相應保護出口切除故障，將造成同一動作時間的環網開關同時跳閘，擴大停電范圍。

1.2 開關柜母線保護問題

軌道交通中壓供電系統36 kV開關柜多數采用GIS柜，在配置傳統保護方案的36 kV變電所，對開關柜內（含母線）的故障，僅依靠時限較長的過流保護顯然不能滿足母線保護要求。以廣州地鐵一號線為例，在實際運營中，母線短路故障發生概率較小，但一旦出現母線短路故障，最后將由環網開關柜的電流速斷保護出口動作，動作時間無法拉開極差，會造成部分開關同時跳閘，嚴重影響地鐵正常運營。

2 數字通信電流選跳保護

2.1 基本原理

數字通信電流保護方案利用保護裝置之間的直接通信可編程功能，實現了線路兩端信息的傳遞，在不降低保護系統可靠性的前提下，不僅完全可以替代傳統的電流差動保護，還克服了傳統保護選擇性和速動性之間的矛盾，從而可以迅速切除故障，解決中壓環網供電線路后備保護速動性與選擇性相矛盾的問題，保證任一級故障均能在0.8 s內予以切除。如圖1所示，這是36 kV交流環網系統。假設短路點發生在Ⅲ段，根據供電方向，K2是最后一個過流的開關，K3是第一個沒過流的開關，則可判斷故障發生在Ⅲ段，K2、K3開關應斷開。

圖1 區間故障區段的判斷和隔離

2.2 實現方法

此數字通信電流保護方案利用保護裝置之間的直接通信可編程功能，實現線路兩端信息的傳遞，所以保護裝置須具有強大的邏輯編程和裝置間直接通信的功能。

如圖2所示，當故障點出現在d1點時10、3、4均感受到過電流，4～7均無過電流，4是最后一個過流的保護裝置，設備7與4將本身的過流與否信號互送，邏輯判斷，設備4與7同時速斷跳閘，從而切除故障點。

圖2 保護裝置連接圖

3 對比分析

數字通信電流選跳保護具有以下優點：

（1）基于差動保護原理實現，電流選跳保護屬于定性保護，而差動保護屬于定量保護。電流選跳保護裝置之間只傳遞狀態量信息，而不是傳統的電流測量值，也不需要像差動保護裝置對電流進行復雜的矢量計算，具有極高的可靠性和抗干擾能力。

（2）可快速識別故障區域，無需動作時間，達到快速跳閘的目的，固有動作時間約幾十毫秒，能達到選擇性與速動性要求，比擬差動保護的效果。

（3）在光纖通信異常、斷路器拒動、保護裝置故障等情況下具備后備保護功能，動作時間無需極差，同時保護的動作時間遠小于過流保護的整定時間。

（4）保護范圍和定值不受供電分區大小及環網運行方式干擾，適用于較長分區環網的供電系統。

（5）可對開關柜內部和母線故障提供保護，這是差動保護所不具備的。

4 現場應用分析

4.1 各類故障下保護動作情況

以知識城線中壓環網為例進行分析，將供電系統簡化成如圖3所示的供電結構，分別模擬保護配置方案中可能出現的各種故障，試驗保護的動作情況并記錄數據。其中，d1點模擬區間故障（線路差動保護退出），d2點模擬母線故障，d3點模擬饋線故障。

（1）電纜線路d1點故障，F35-6最后一個檢測到過流，F35-7第一個沒有檢測到過流，斷路器6和7跳閘，切除線路故障。電纜線路d1點故障，6、7號斷路器的F35保護裝置通信異常，則斷路器6跳閘，切除線路故障。電纜線路d1點故障，6號斷路器拒動，則斷路器5和7跳閘，切除線路故障。

圖3 供電系統簡化結構圖（鎮龍—旺村）

（2）母排d2點故障，F35-4和F35-5檢測到過流，F35-6未檢測到過流，斷路器5和6跳閘，切除母排故障。母排d2點故障，5號斷路器拒動，則斷路器4和6跳閘，切除母線故障。

（3）饋線d3點故障，斷路器8跳閘，切除饋線故障。饋線d3點故障，8號斷路器拒動，則斷路器5跳閘，切除饋線故障。

4.2 電流選跳保護中電纜故障判斷條件

（1）本線路開關過電流保護啟動；（2）相鄰變電所同一線路開關的過電流保護未啟動；（3）數字通信電流保護延時時間到T。

4.3 電流選跳保護中母線故障判斷條件

（1）本線路開關過電流保護啟動；（2）相鄰變電所同一線路開關的過電流保護啟動；（3）本變電所同一母線上其他所有開關的過電流保護均未啟動；（4）數字通信電流保護延時時間到T。

當保護裝置判斷為電纜故障時跳本線路開關，并發信號聯跳相鄰變電所同一線路開關；當保護裝置判斷為母線故障時跳本線路開關，并發信號聯跳本變電所的其他進出線開關及母聯開關。

5 結語

針對地鐵供電系統網絡化及大分區供電的需求，如采用常規階梯式保護配置方案將很難保證整個系統的選擇性，提出電流選跳保護解決方案，并融入了通信技術，從而將固定的時間級差轉化為動態時間級差，大大縮減了故障切除時間，同時可以最大可能性地增加供電臂的長度，在已運營的地鐵線路中可隨時進行延伸，既解決了線路擴容問題，也延長了設備使用壽命。

[1]賀家李，李永麗，董新洲，等.電力系統繼電保護原理[M].4版.北京：中國電力出版社，2010.

[2]鄧克.線路差動保護升級在地鐵中的應用[J].都市快軌交通，2009，22（6）：33-34.