33kV线路差动保护动作行为分析

叶志荣

摘要：分析地铁电缆差动保护动作原理，防止电缆差动误动作情况发生。

关键词：电缆 差动保护 动作分析

一、引言

在我国城市轨道交通系统中一般采用环网供电或集中、分散供电相结合的供电方式，其沿线各种电压等级的（110kV/33kV主变电所、牵引降压混合变电所、降压变电所及跟随所等）变电所。变电所的进出线一般都采用电缆连接，构成环网电缆线路向各级地铁用电负荷供电。随着光纤通信技术飞速发展和广泛应用，我国城市轨道交通供电系统33kV电力电缆线路主保护大多数均为光纤纵联差动保护，因为它能很好地解决供电系统保护选择性不好的问题，从而也广泛应用于国内高压及超高压电力系统的线路保护。

二、33kV电缆线路差动保护测量数据及动作情况

2010年6月，广佛地铁千灯湖站牵引降压混合所1#进线第一次受电时发生了33kV线路B相光纤差动保护动作，由于线路光纤差动保护作为地铁33kV电力电缆的主保护，具有非常重要的作用，电缆差动保护动作意味着电缆出现故障，直接影响地铁供电系统的正常运行。但是如果由于差动保护本身的错误导致差动保护误动作，将会极大的影响地铁供电系统的正常运行，所以一定要查清楚差动保护动作的原因，正确分析故障情况，做出准确的判断。33kV电缆线路两套保护均为ABB生产的RED615线路光纤差动保护，保护CT变比400/1，额定电压500V，准确级5P20。两套线路光纤差动保护的电流各取自海五路主所HA5柜313开关、千灯湖站H11柜101A开关CT电流，如图1所示。当主所进行33kV进线电缆第一次冲击时，处于合闸位置的313DL线路差动保护跳闸，电力调度发现了该开关位置变位信息，主所SCADA报跳闸信息。

图2的故障波形是从所使用的差动保护装置ABB RED615上采集。在主所的故障事件中，可以读得B相差动保护动作，故障电流为260A。

图1 供电示意图

图2 故障波形

三、差流保护异常动作分析

（一）线路纵联差动保护基本原理

要分析该保护是否正确动作，首先了解线路纵联差动保护基本原理。纵联差动保护以电流大小和相位比较为基础，在保护区域的各侧都必须安装一个保护装置。各侧的保护装置分别检测当地的电流，同时通过通信连接将本侧的电流传动到对侧保护装置，以便与对侧电流进行比较。在正常情况下或保护范围外发生故障时，两侧电流互感器二次侧电流大小相等，相位相同，因此流经保护装置的差电流为零，但如果发生内部短路，流经保护装置的差电流不再为零，因此保护装置将动作，使两侧的断路器跳闸，从而起到保护作用。

ABB RED615是带比率制动的线路纵差保护，根据ABB公司关于该纵差保护的原理，以正常运行时最大不平衡电路和短路计算结果为依据选择保护参数，整定情况见表1。

（二）光纤差动保护动作分析及改进

比率差动保护用来区分是由于保护区内故障还是保护区外故障，动作特性曲线如图3所示，动作特性方程分为3段：

（比率差动Ⅰ段）

（比率差动Ⅱ段）

（比率差动Ⅲ段）

差动速断保护的目的用于保护区内故障时，快速跳闸切除故障，动作方程如下：

根据RED615保护装置动作特性，我们引入故障数据，可以得出保护动作符合其启动判据，差动保护应动作。

从保护动作后对现场电缆的初步巡查来看并没有发现电缆的异状。我们选用2500V档绝缘电阻表进行测试，测量结果为每相电缆的主绝缘及外护套绝缘电阻均符合绝缘要求（其中主绝缘在数千兆欧以上），从而判断电缆本身并没有发生短路故障。如果一次电缆没有问题，可以判定保护误动。最后我们分析光纤差动保护为什么动作。

（判据1）

Idiff为差动电流；

（判据2）

Ibias为制动电流。

图3 差动保护动作特性曲线

图4 差动保护示意图

从图4看，对于该线路光纤差动保护，以下各种原因都有可能导致保护误动： 1）保护装置本身有问题，主要体现在采样板采样错误，这样的错误发生的几率较小，一般在测试的过程中会检测出来；2）差动CT存在问题，包括极性错误、电缆两侧电流互感器变比不相同或二次不平衡电流等的影响所导致；3）空载合变压器所产生的励磁涌流与一次电缆相位存在问题所引起的差电流叠加所造成；4）线路充电电容电流的影响。

下面分别就可能存在的原因进行分析查找。

对于保护装置本身问题可能造成的动作：保护装置的设置是非常重要的，如果某些参数设置错误，如CT变比、斜率等，均会造成保护装置差流偏大异常。于是我们对保护装置进行详细研究，根据差动保护整定值，利用继电保护测试仪对光纤差动保护装置进行三相电流和相位的采样及保护功能的校验，经测试光纤差动保护装置对三相模拟量的采样及保护都是正确的，因此，可排除保护装置本身的问题。

当差动CT本身存在误差和三相不平衡电流，以及差动CT极性接反，都有可能导致差动保护误动作，以差动CT极性接反为例，见图3，如极性没接错，按判据1，电缆线路两端一次电流大小相等，方向相反，则差电流为零（两侧电流的相量和）。如极性接反，则两侧电流会出现大小相同，相位相同的情况，其相量和（判据1）则为一端电流的两倍。

首先怀疑电流互感器及其二次回路极性存在问题。通过检查测试，在线路检查中发现电流互感器极性接线并没接错。

其次检查两侧线路CT本身是否存在误差，用电压法分别测量了其二次绕组直阻及变比，均与出厂值相符。因此可以排除CT本身原因或极性接反造成的保护误动作。

此次送电是电缆的第一次冲击，千灯湖的所有开关都处于分位，因此可以排除空载合变压器所产生的励磁涌流引起的差电流的影响。如果一次电缆的相位存在问题，主所和千灯湖站报不同相的差动保护动作，碰巧的是两个装置均报B相差动保护动作。

从图1看，当时313DL和101A DL在跳闸前都处于分位，就是说线路未充电。这样，我们将查找的重点放在了线路充电电容电流的影响。从故障滤得波的波形看，问题确实出在B相上，因此我们着重检查B相电缆。电缆绝缘状况良好不能说明电缆合格，只有通过耐压试验的电缆才具备送电条件。耐压试验分为交流耐压和直流耐压试验。送电前10天，试验人员已经进行过交流耐压试验，而且直流耐压试验与交流耐压试验相比，具有试验设备轻便、对绝缘损伤小和易于发现设备的局部缺陷等优点，因此我们采用的方法是直流耐压试验来鉴定电缆的绝缘强度，这种方法非常直观。试验前需要好安全防护措施，并且使电缆两头保持足够的绝缘距离，电压缓慢上升，泄露电流几乎为零。当电压升到16kV时，出现很大的泄露电流，电缆绝缘被击穿，说明电缆存在绝缘薄弱处，正好在电缆第一次冲击时，为耐受住冲击，绝缘薄弱处被击穿。该电缆线路总长度为540m，通过电缆故障探测仪测试，故障点就在距主所10m的位置。经过分析查证，电缆的交直流耐压试验是在送电前10天完成的，在试验完成后，有其他施工单位进场施工，在施工的工程中，由于在主变电所施工，我们的安全防护人员没有在现场进行防护，监管不到位，没及时发现并制止施工单位对电缆的伤害，是这次事故的主要原因。

查明原因后，重新制作好电缆头，经交直流耐压试验测试合格后重新送电成功，千灯湖站两路进线受电成功。

四、结论

通过上述分析以及光纤纵联差动保护装置在地铁环网供电系统上的实际应用，可以看出，差动保护是非常重要的地铁线路主保护，掌据正确的分析方法和试验手段，及时防止此类事故的发生，将有助于提高供电系统继电保护的运行水平，从而提高地铁供电的可靠性。

参考文献

[1] 贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理（增订版）.北京:中国电力出版社，2004年.

[2] ABB继保差动保护装置RED615技术使用说明书.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。