雙光纖差動與動態加速保護在地鐵中的應用

陳翼龍

0 引言

現階段，我國地鐵供電系統常采用35 kV中壓環網供電方式，并采用光纖差動保護和過電流保護作為環網電纜的主保護和后備保護。供電線路差動保護中，比率差動保護應用最為廣泛，但工程實踐中，其保護定值的選取通常依據經驗，沒有明確的理論算法[1]，對各整定參數之間的關系及其與差動保護的靈敏性、可靠性之間的關系研究甚少；而比相差動保護則很少在地鐵供電系統中應用。對于“大分區”供電方式，傳統過電流保護存在較多弊端，需要采用與之更為匹配的過電流保護方案。

本文對比率差動保護整定進行理論分析，給出了相關參數的計算方法，并提出采用比相差動保護作為比率差動保護補充的思路。另外介紹了適用于“大分區”供電方式的動態加速過流保護的邏輯及原理，并以某地鐵線路為例介紹了整定計算方法。

1 雙光纖差動保護原理及整定分析

1.1 比率差動保護整定分析

比率差動保護動作曲線一般為一條不過原點的多段曲線，應用中可簡化為兩段折線，其動作方程可表示為

式中：Id為差動電流，是線路兩側電流矢量和的幅值；Ir為制動電流，是線路兩側電流矢量差的幅值；Im、In分別為流過被保護線路兩側的電流幅值，電流均以指向線路為正方向；K1、K2分別為兩段折線的斜率，即比率差動制動系數；Iq為差動啟動電流；Irset為兩段折線的拐點處的制動電流。通過對以上參數進行整定，以達到可靠保護的目的。

1.1.1 拐點電流及差動啟動電流的選擇

比率差動保護動作曲線中，拐點電流Irset兩側折線斜率不同，其中第1段折線主要考慮在系統正常運行時保護不誤動，第2段折線主要針對區內故障情況下保護裝置可以靈敏動作。拐點處電流一般選取正常運行時該段線路上可能出現的最大負荷電流In，并考慮一定系數Krset后的制動電流，即

式中：Krset通常可取1.2～1.5。

供電線路發生保護區外部短路時，保護區內線路上的電容電流中會產生大量高頻分量，其與工頻分量疊加后，電容電流幅值可能達到正常運行情況下的4～5倍。因此考慮到高頻分量的影響，電容電流瞬時值Icm為[2]

式中：Un為線路電壓等級，kV；L為線路長度，km；kf為變電所電力設備增加的電容電流百分數，對于35 kV系統，可取0.13。

另外，若線路兩側選用完全相同的電流互感器，當線路流過穿越電流時，理想情況下，線路兩側保護裝置檢測到的差動電流為0。工程中，由于線路兩側電流互感器存在測量誤差等原因，保護裝置會檢測到兩側的不平衡電流。最大負荷時線路的最大不平衡電流Iu為[3]

式中：Krel為可靠系數，一般取1.3～1.5；Kaper為非周期分量系數，取1.5～2；Kst為同型系數，兩側電流互感器同型號時取0.5，不同型號時取為1；fi為電流互感器幅值誤差系數，取0.1。

差動啟動電流應按照躲過線路正常運行時本段線路的電容電流瞬時值Icm以及最大負荷電流引起的不平衡電流Iu進行整定，即

1.1.2 比率差動制動系數的選擇

當被保護的線路發生區外短路或正常負荷時，在保護區內流過穿越性電流，假設穿越電流為I，則，且Im=In=I。此時差動電流Id為穿越電流可能產生的最大不平衡電流，即Id=Iu，考慮最不利情況，Krel取1.5，Kaper取2，Kst取1，fi取0.1，In=I。以上代入動作方程式（1）、（4）得，Id= 0.3I，Ir= 2I，根據動作方程式（1），在差動保護不動作的情況下，滿足：

由式（6）可知，K1只要大于0.15，即可以保證穿越電流產生的不平衡電流處于非動作區，此時的可靠系數為

隨著穿越電流的增大，保護可靠系數逐漸減小。因此當穿越電流較大時，例如發生區外短路故障的情況，可通過增大第2段折線的斜率提高可靠性。可靠系數最小值為20K1/3，當給定可靠系數最小值時，可由式（7）求出K1。

當發生保護區內短路時，假設短路電流為Ik，由于地鐵交流側單邊供電的特點，Id=Ir=Ik，代入動作方程式（1）可得：

（1）當Ir≤Irset時，差動保護動作時，需滿足：

此時保護的靈敏系數為

當Ik=Irset時，Ksen為最大值，即

（2）當Ir＞Irset時，差動保護動作時，保護動作靈敏系數為

對該式Ik求導可得

在滿足條件：

可使Ksen為Ik的單調遞減函數，因此Ik=Irset時，Ksen的最大值仍可由式（10）所示；而Ik趨于無窮大時，Ksen的最小值為

由上可得，在滿足式（12）時，當靈敏系數取值范圍給定時，可由式（14）求出K2。

根據以上分析可知，在比率差動保護可靠系數及靈敏系數給定后，Iq、K1、K2均在一定取值范圍內，且Iq、Irset、K1、K2四者存在相互制約關系。通過提高Iq、K1、K2的值，可以加強保護的可靠性；而提高拐點電流Irset，理論上可以提高整個保護范圍內的最大靈敏性。

1.2 比相差動保護的應用分析

比率差動保護在應用中需要考慮線路電容電流和電流互感器飽和等問題[4]。針對此類問題，可以采取提高差動啟動電流Iq的方法避開電容電流，以及提高制動系數來克服CT飽和的影響，避免在較嚴重的CT飽和情況下保護誤動，但這樣必然會在一定程度上影響保護的靈敏性。

比相差動保護在原理上能夠避免以上問題，因此可以作為比率差動保護的補充。

比相差動保護是比較流入線路兩端電流的相角來判別為區內故障或區外故障。當線路正常運行或發生區外故障時，流過兩端裝置的電流相位相反，當線路發生區內故障時，兩端裝置的電流同相位。

地鐵35 kV供電系統環網電纜發生保護區內故障時，無源側電流為零，無法直接比較線路兩端電流相位，因此可選用電流突變量進行相位比較。單電源線路區內故障時，兩端電流突變量相位也相同，比相差動保護動作；正常運行時，負載電流突變量為零，比相保護不動作。

比相差動保護采用兩端電流突變量作為判據，被保護線路的電容電流在突變量的計算中抵消，可消除電容電流的影響。另外，由于僅對采樣電流相位進行故障方向判斷，因此動作特性不會受到兩側電流互感器特性不一致的影響[5]。實際應用中，電流互感器飽和引起的故障電流相角偏移量很有限，不會影響對故障方向的正確判斷[6]。

比相差動保護需要整定的參數主要包括穩態啟動閾值和突變量啟動閾值。穩態啟動閾值應躲過線路最大負荷電流，并考慮與后備過流保護的配合系數，可取過流整定值的0.9倍。突變量啟動閾值可整定為電流互感器額定電流的0.2倍，當前電流采樣值與兩周波前的采樣值之差大于該定值時，進入比相判別。

2 動態加速過流保護邏輯及動作

2.1 動態加速過流保護設置原理

傳統級差過電流保護存在保護動作級差時限配合困難、保護動作無法實現自適應特性、保護動作選擇性與速動性不一致等缺點[7]。為克服傳統級差過電流保護的不足，可采用動態加速過流保護作為差動保護的后備保護，該保護的主要動作邏輯原理如下。

（1）地鐵35 kV供電系統的故障電流會流過電源到故障點之間所有的斷路器，若檢測到故障電流，過流保護裝置向同母線的進出線以及母聯的保護裝置發出閉鎖信號。當保護裝置收到本母線進出線/母聯的閉鎖信號或通過光纖通道傳遞的對側閉鎖信號，則本保護裝置的電流Ⅰ段保護被閉鎖；當本裝置過流啟動且未收到其他保護裝置的閉鎖信號，則判斷故障點位于本斷路器與下級斷路器之間，從而經過T1延時跳開本斷路器，并聯跳同母線的出線。

（2）當檢測到保護裝置的通道異常或同母線上的進出線/母聯的保護裝置發生異常，進出線、母聯保護裝置的過流Ⅰ段保護閉鎖，同時開放電流Ⅱ段保護。此時若發生短路故障，過流Ⅲ段保護經過T2延時跳開本斷路器。

（3）進出線及母聯保護裝置設過流段保護，當檢測到故障電流大于啟動定值持續時間超過T3延時，保護裝置動作切除故障。以上過程邏輯如圖1、圖2所示。

圖1 進出線動態加速過流保護邏輯

圖2 母聯動態加速過流保護邏輯

（4）環網進出線保護動作時同時通過差動通道向環網對側開關發出聯跳命令；母線故障時聯跳同母線上的其他進出線。

（5）進出線、母聯及饋線保護中配置失靈保護元件，經斷路器失靈延時后動作于所有進出線、母聯以及上級變電所出線。

（6）采用差動啟動備自投方式，差動保護動作后，向下級變電所母聯備自投裝置發出自動合閘啟動信號，當電壓條件滿足后，合母聯斷路器，快速恢復供電。

2.2 動態加速過流保護動作分析

圖3 不同故障位置示意

采用動態加速過流保護，變電所35 kV交流側發生如圖3所示的各位置故障時，系統處于不同狀態下保護動作分析如表1、表2所示。

表1 35 kV環網電纜故障動作分析（k1點故障）

表2 35 kV母線故障動作分析（k2點故障）

2.3 動態加速過流保護整定方法

進出線及母聯動態加速過流保護整定值應考慮躲過被保護線路各運行工況下的最大負荷電流，一般可整定為

系統最常見的故障為單相接地故障，此時短路回路中的過渡電阻較大，短路電流往往較小，一般僅有幾百安。為了有效切除單相接地故障，配置了動態加速零序過流保護，零序電流保護按躲過正常運行時的電容電流整定。

值得注意的是，過電流保護考慮的電容電流不同于差動保護時考慮的電容電流。對于差動保護，其原理是比較保護區兩端的電流差值，可僅考慮保護區范圍內線路產生的電容電流。而過流保護屬于單側保護，需要考慮整個供電范圍內的線路的電容電流。在供電范圍內，越靠近主所，保護裝置檢測到的電容電流越大[8]。對于零序過電流保護，電容電流的計算應考慮一座主變電所支援供電的情況下，本變電所至供電末端的電容電流。零序過電流保護定值可由下式計算，式（15）、式（16）中可靠系數Krel取1.3。

進出線及母聯動態加速過流保護的整定延時分為3段，每段延時考慮0.15 s時間級差。T1需躲過饋線斷路器動作時間，取0.25 s，T2取0.4 s，T3取0.6 s，斷路器失靈保護時間取0.25 s。

3 雙光差及動態加速過流保護計算

以杭州某地鐵線路為例進行整定參數計算。該線路35 kV側配置了雙光差+動態加速過流保護，線路供電系統及相關電流計算參數見圖4和表3。

圖4 線路供電系統示意圖

表3 線路各變電所不同短路點故障電流 A

3.1 比率差動保護整定參數計算

將全線最大負荷電流、各區間的電容電流和最大不平衡電流代入式（2）—式（5）、式（8），可靠系數Krel取1.2，得Irest= 1 147 A，可取1 200 A；Iq= 85.5 A，可取96 A。

比率差動保護動作的可靠系數Krel和靈敏系數 最小值均取2，代入式（7）、式（12）和式（14），可得比率差動制動系數K1= 0.3，K2= 0.5。該保護動作曲線如圖5所示。

3.2 動態加速過流保護整定參數計算

將全線最大負荷電流代入式（15），可得Iset= 693 A，可取720 A。

一座主變電所支援全線供電的情況下，本線所有變電所至供電末端最遠距離約為16.19 km，代入式（3）、式（16），得Iset0= 92 A，取96 A。

圖5 線路差動保護動作曲線

4 結語

本文從理論上分析了地鐵中壓環網的比率差動保護的差動啟動電流、拐點電流、比率差動制動系數之間的關系，以及這些參數對于保護可靠性靈敏性的影響，并給出了整定計算方法；針對比率差動保護的不足，提出了采用比相差動保護作為補充，構建雙光差保護的建議；分析了采用動態加速過流保護作為線路后備保護的優勢，并給出了保護邏輯設計以及對于不同故障的動作過程分析。