地鐵供電系統10kV線路光纖縱差保護應用研究

張朝軍

近些年來，隨著電子技術、通信技術和計算機技術的飛速發展，縱聯差動保護裝置的性能得到了很大的提高，使其在中、低壓短線路中得到了越來越廣泛的應用。縱聯差動保護具有原理簡單、運行可靠、動作快速、準確等諸多優點，而且這種保護無須與相鄰線路的保護在動作參數上進行配合，可以實現全線速動。因此，在城市軌道交通系統10KV線路中采用縱聯差動保護可以很好地解決供電系統保護的選擇性不好的問題。

一、光纖差動原理

隨著北京、上海、天津等大城市已進入軌道交通網絡化時代，供電系統在軌道交通運營中，擔負著為列車和各種運營設備提供電能的重要任務，而光纖差動保護是供電系統安全的重要保證和前提，其廠家主要有：AAB、西門子等，現在我們就西門子廠家來介紹其光纖差動原理;

1、西門子（7SJ686和7SD68）

對于一個正常運行的保護對象，從一側流入的電流等于從另一側流出的電流（圖 3中虛線所示）。該電流從被保護范圍的一端流入，從另一端流出。如果回路中出現了差流，則可以清楚地表明該范圍出現了內部故障。

1）、動態啟動閥值

2）、合閘時動態啟動閥值

3）、穩態啟動閥值

如果當前的穩態閥值超過穩態啟動閥值，差動保護進入比相判別。

對于7SD68保護裝置，差動繼電器在所設置的差動值指的是繼電器扣除了 CT誤差和長線路充電電容電流后的純差動電流，因此可不需要考慮CT 的非線性和飽和所造成的誤差，計算公式：

ID =︱ IRel1 +IRel2︱

IS≈ I diff> + ε1*︱IRel1 ︱+ε2*︱IRel2︱+1.4%* IN

差動動作條件：ID> IS

其中IS：不再需要考慮CT 的非線性和飽和所造成的誤差的差動定值，I diff>是設計差動定值，IRel1是本側實際運行電流，IRel2是對側實際運行電流，ε1、ε2為實際線路運行中電流系數（若IRel1和IRel2電流大于額定電流時，ε1、ε2按15%取值，若IRel1和IRel2電流小于額定電流時，ε1、ε2按5%取值），IN為額定電流。

二、光纖差動保護回路接線及單體調試

1、電流回路接線分析

縱差保護是以電流大小和相位比較為基礎的，因此在保護區域的各站都必須安裝一個保護裝置.本站的保護裝置分別檢測本站的電流，同時通過光纖通信連接將本站的電流傳動到對側站的保護裝置，以便進行電流比較.如圖1所示，A站的接收端（RXD）通過光纖連接至B站的傳送端（TXD），B站的接收端（RXD）通過光纖連接至A站的傳送端（TXD）.如果A站和B站時間發生內部短路，配置A站和B站斷路器就會同時跳閘。

縱聯差動保護的動作原理是基于比較線路兩側電流的大小和相位。因此，需在被保護線路兩站側（A站和B站）裝設電流互感器和斷路器，電流互感器一次側極性端，對于A、B站，P1端指向母線，P2端指向線路（廠家對于電流互感器安裝方式不同，也有P2端指向母線，P1端指向線路），再以輔助導線將兩側電流互感器的二次線圈S1和S2端，根據相應的極性要求接入對應的保護裝置上（不同的保護裝置，縱聯差動保護兩側二次電流計算方式有兩種：矢量差和矢量和），以圖2一次電流的安裝方式為例，若保護裝置縱聯差動保護兩側二次電流計算方式是矢量和，依據圖3所示，那么：

對于A站，A相電流互感器的二次線圈S1端接入保護裝置的A1端，（B、C相的S1分別接B1、C1端），A相電流互感器的二次線圈S2端接入保護裝置的A2端，（B、C相的S2分別接B2、C2端）。

對于B站，A相電流互感器的二次線圈S1端接入保護裝置的A1端，（B、C相的S1分別接B1、C1端），A相電流互感器的二次線圈S2端接入保護裝置的A2端，（B、C相的S2分別接B2、C2端）。

若只改變B站電流互感器二次接線，那么：

對于A站，A相電流互感器的二次線圈S1端接入保護裝置的A1端，（B、C相的S1分別接B1、C1端），A相電流互感器的二次線圈S2端接入保護裝置的A2端，（B、C相的S2分別接B2、C2端）。

那么對于B站，必須使A相電流互感器的二次線圈S2端接入保護裝置的A1端，（B、C相的S2分別接B1、C1端），A相電流互感器的二次線圈S1端接入保護裝置的A2端，（B、C相的S1分別接B2、C2端）。

通過以上接線我們可以知道，只要電流互感器一次電流極性和保護裝置縱聯差動計算方式（矢量差或矢量和）確定，我們就可以確定電流互感器二次極性接線。

2、單體調試

對于光纖差動保護的單體調試，需要用光纖將上一站出線柜與下一站進線柜連起來，這樣的調試給人員操作、通訊、信息查看帶來很大不便，為了更方便的實現單體，我們用兩根光纖分別把本站一段母線環網出線開關柜與二段母線環網進線開關柜，本站一段母線環網進線開關與二段母線環網出線開關連起來，對出線開關柜保護CT二次加電流至整定值，本開關柜差動保護動作，斷路器跳閘，對應的進線開關柜被聯跳，斷路器跳閘，同時檢查整定值的準確性以及跳閘出口、燈光、連片的完好性，保證外加電流量符合差動保護裝置的算法。

對于7SJ686，為了更準確、方便模擬實際運行狀態，以動態啟動閥值為例，假設定值0.3A，通過繼電保護測試儀創建狀態序列，狀態1電流為0.1A（當任一項電流大于0102斷路器合位電流判據時，裝置認為線路已充電），當狀態2施加0.38A時（變化量0.28A），差動保護可靠不動，當狀態3施加0.42A時（變化量0.32A），差動保護A相應可靠動作。用同樣的方法可校驗B相、C相的精度。

對于7SD68，為了調試方便，可設定對側電流為零，僅對本側施加電流量（I diff>設為3A），那么：在本側施加的啟動動作電路為3.23A，計算如下：

ID> IS，即：︱IRel1 ︱> 3 + ε1*︱IRel1 ︱+1.4%* IN

︱IRel1 ︱>3.23

三、光纖差動保護的系統調試

單體調試只是針對光纖差動系統的繼電器進行調試，而兩站之間一次電纜的接線是否正確、兩站之間光纖電纜是否完好、兩站的電流互感器的二次接線及極性是否正確，電流互感器連片是否有開路狀態，均不易發現。等待高壓電纜敷設、安裝完畢，光纜熔接完畢，且衰減率測試合格;繼電器單機調試完畢后，就要進行系統調試——雙繼電器調試。保證兩側差動回路極性符合保護裝置的算法。

試驗步驟如下：

（1）以主變電所饋向牽引變電所35kV電纜為例，如圖1。

（2）在主變電所利用三相調壓器加電壓，在牽引變電所使用100mm2軟銅線將所有牽引變壓器、動力變壓器低壓側三相短路接地，如圖2，同時確保牽引變壓器和動力變壓器一次電纜接線完畢。

（3）理論計算一次電纜電流值，以石家莊地鐵一號線人民廣場牽引變電所為例，變壓器參數如下表：

（4）接線完畢后，先合四個變壓器斷路器，再合牽引變電所的斷路器，最后合主變電所的開關。緩慢升壓至380V，同時注意調壓器的電流在允許的范圍內，如果接線與電流互感器、差動繼電器的極性均正確，則從CD1、CD2讀取的相電流應相同，差動電流應為零，

（5）降下電流，關閉電源。將主變電所電流互感器與差動繼電器之間的二次短封（A相短封），此時再加電壓到380V，CD1、CD2讀取A相差動電流都應不為零。恢復主變電所電流互感器，將牽引變電所電流互感器與差動繼電器之間的二次短封（A相短封），此時再加電壓到380V，CD1、CD2讀取A相差動電流也都應不為零。依次試驗B、C相。

（6）試驗完畢后，將電流降至零，關閉電源，將所有臨時接線均拆除干凈，將現場收拾干凈，經過此次試驗后，變電所主接線、二次接線均不得隨意拆動。

此試驗雖然施加380V模擬正常運行情況，但是380V電壓，對人身安全還是致命的，且帶電面大，危險系較高。

為了降低危險系數，我們也可以用升流設備（如互感器特性測試儀、繼電保護測試儀）對三相電纜的其中兩相或三相施加電流，例如，將牽引變電所A、B相一次電纜短封，主變電所通過互感器特性測試儀給AB相施加電流，就可以從CD1、CD2讀取A、B相差動電流，依次試驗BC相。

（作者單位：中鐵電氣化局集團第一工程有限公司）