地铁35kV供电系统纵差保护分析

孙利杰

（厦门轨道交通集团有限公司，福建 厦门361000）

0 引言

地铁电力系统是地铁安全运营的基础，要求供配电安全可靠，同时，由于运营中采用大量自动运行监控系统，对于电能质量要求高，还要考虑长期使用的经济性。但地铁电力系统结构复杂，供配电设备众多，运行情况变动大，因此受到外界供电系统影响和地铁运营客流的变化，都可能造成各种不同的故障和不正常运行状态。在地铁供配电系统运行最常见的故障中，对供电系统危害最大的是各种形式的短路，它有可能引起整个供电网络的崩溃，造成巨大的经济损失和不良社会影响。为此，地铁供电系统设置了复杂高效的继电保护设备。为实现远程集中调试控制，还设置了电力设备远程监控系统，以实现对电力系统的分层控制和集中调试，确保电力系统的安全可靠运行。

1 地铁35kV供电系统

1.1 供电系统简介

地下车站35kV主接线形式采用单母线分段运行的方式，正常时两进线分别为2台变压器独立供电，母联开关在自投位置，2台回路分列运行，同时供电。任意一进线发生故障停电时，进线开关在保护装置的控制下动作跳开，母联开关自动投入使用，保证全所在一路进线有电的情况下能够承载全站一、二级负荷。35kV采用交联聚乙烯电缆输电，电缆敷设在上下行隧道间隔墙的电缆支架上。35kV供电系统的中性点接地设置110／35kV主所内，自接地变压器的中性点引出经过接地电阻接地，其中接地变压器兼所用电变压器。

1.2 接线方式

图1为标准站变电所接线方式，其中，QF1、QF2为2路主进线开关，QF4、QF5为2路出线开关，QF3为母联开关。QS为三工位隔离接地开关，FV为防雷保护器。交流开关柜选择可靠性高、体积小的SF6气体绝缘金属封闭开关柜（GIS），断路器采用真空断路器。

图1 标准站变电所接线方式

1.3 继电保护

35kV继电保护必须满足可靠性、选择性、灵敏性、速动性要求，同时在设计上还应采用简单高效的配置。35kV进线开关的继电保护有线路差动保护、过电流保护、零序电流保护，其中35kV进线电缆主保护采用光纤纵差保护，后备保护由上级的阶段式电流保护完成。

2 差动保护

2.1 纵联保护

单一测量点的继电保护系统不可能进行精确的距离保护，特别是本线路末端和下级线路的始端，如同时采集本线路始末端的数据，再进行对比分析，就可以区分出是保护区内还是区外故障，从而实现速动性和选择性。此种保护必须在保护区的始末端安装相同的采样检测装置，同时还要将两侧数据进行传送，存在着纵向的信息联系，保护装置据此进行对比分析，才能进行正确的判断。

2.2 纵联保护通道

纵联保护所利用通道有4种：导引线纵联保护、电力线载波纵联保护、微波纵联保护、光纤纵联保护。光纤保护通道采用专用的光纤线路，与输电线之间完全独立，当电力系统发生任何故障时，都不会对光纤通道的信息传输造成干扰。光纤通道带宽很大，可以让信息的传送更快速及时，能够容纳更多的信息量，可以实现两侧电流波形的对比，使保护装置的判断更加准确。

2.3 纵联电流差动保护

纵联电流差动保护通过设置在线路始末端的检测器，同时采集本侧电流的波形和相位，通过光纤通道分别传送到对侧保护装置，每侧的保护装置根据本侧和对侧的数据进行对比分析，判断出是保护区内还是区外故障。保护装置判断的依据不是已设定的电流定值、延时时间、电流方向等，而是根据基尔霍夫电流定律：∑I·＝0，流入1个节点电流向量和等于0。这类保护在每侧都直接比较两侧的电气量，类似于差动保护，因此称为差动纵联保护。其有良好的选择性，能灵敏、快速地切除保护区内的故障。为了保证差动算法的正确性，保护必须比较同一时刻两端电流值，这要求线路两端对各电流数据进行同步处理，要保证2个异地时钟的统一与同步，常用数据通道同步方法与全球定位系统GPS同步时钟同步方法。

2.4 纵联电流差动保护的制动特性

根据基尔霍夫电流定律，在正常运行时，流入被保护的线路的电流等于流出的电流，而在线路内部发生短路故障时，两侧保护装置将会检测到不同电流，这个差值就是内部的故障电流。电流互感器存在一定的误差和饱和，当被保护线路流过保护区外的短路电流时，两侧保护装置会产生较大的不平衡电流，可能引起误动作。为防止这种情况的发生，一般纵联电流差动保护都带有比率制动特性，动作特性如图2所示。

图2 动作特性

四线段比率差动的动作方程如下：

可以看出，纵差保护动作特性由四线段组成。这种动作特性的优点是：在区内故障电流小时，它具有较高的动作灵敏度；而在区外故障时，它具有较强的躲过暂态不平衡差流的能力。

2.5 动作逻辑

动作逻辑如图3所示。从长期的运行经验可知，合理设置保护的各定值，图2所示的动作特性可以完全满足保护的灵敏度及可靠性要求。

图3 动作逻辑

2.6 TA断线监视

差动保护设置“TA断线监视”功能，正常运行过程中，若差电流长时间存在不返回，则TA断线动作闭锁差动保护，防止再发生区外故障时差动保护误动。

2.7 保护定值

进线柜差动保护定值如表1所示。

表1 进线柜差动保护定值

3 故障时性能分析

3.1 差动保护区外部故障时的性能分析

3.2 差动保护区内部故障时的性能分析

设在保护区内，即进线线路上发生单相对地短路，35kV系统接地采用经过接地变压器初级线圈中性点经小电阻接地，参数计算如下：

（1）接地变压器的阻抗：（

2）线路阻抗：

输电线路电阻忽略不计，线路阻抗为0.04Ω／km。

式中，X0为每千米线路阻抗值（Ω／km）；L为线路长度（km）。

（3）接地电阻：

接地变和线路阻抗远小于固定的接地电阻，所以接地短路电阻以100Ω计。

式中，UK（%）为变压器短路电压百分值，取6.09；UN为变压器的额定电压，取35kV；SN为变压器容量，取500kVA。

代入公式计算：

4 结语

由以上分析可知，进线差动保护对负荷电流和外部短路电流不反应，只反应被保护线路两电流互感器之间电气设备故障时的短路电流，因此进线差动保护不必和其他保护在时限上配合，可瞬时动作。

［1］何仰赞，温增银.电力系统分析［M］.第3版.武汉：华中科技大学出版社，2002

［2］刘学军.继电保护原理［M］.北京：中国电力出版社，2004

［3］中铁电气化勘测设计研究院.厦门市轨道交通1号线一期工程供电系统初步设计［Z］，2013