数字通信过电流选跳保护在地铁大环网供电系统中的应用

刘晓晖 肖涛古 钟建恩

(广州市地下铁道总公司，510165，广州∥第一作者，助理工程师)

随着城市轨道交通线网的逐步扩大，在后续建设的城市轨道交通线路中，33 kV 供电系统已逐步开始采用大环网供电方式，传统的过流保护已无法满足其对保护级差的要求。数字通信过电流选跳保护的应用，正好弥补传统过流保护的这一缺点。在广州地铁6号线33 kV 大环网供电系统中，采用美国通用公司数字通信保护技术，主要包括选跳保护、母线保护和进出线后备保护等主要保护类型。

数字通信过电流选跳保护是近年来随着计算机技术和通信技术的快速发展，在传统电流保护基础上开发的一种新型速动过电流保护。各装置之间通过光纤进行通信，并对装置之间传递的信息进行比较和逻辑判断，克服了传统电流保护需要时间配合的缺点，具有类似于差动保护相同的效果，解决了传统定时限过电流保护选择性与速动性之间的矛盾。

1 数字通信过电流保护原理

数字通信过电流保护应用综合保护测控一体化单元，装置设嵌入式R7C 光纤接口模块。同一线路、同一段母线两端相邻装置之间通过该光纤接口模块实现直接通信，用于传输相邻所间、同一段母线的保护联跳及闭锁信息、开关量信息、失灵保护联跳信息等。当环网线路或馈线发生短路故障时，相关联网的装置通过开关信号比选、逻辑判断，可快速判别线路故障区段，并且有选择地快速切除故障线路。

选跳保护目前主要应用在地铁供电系统环网电缆和所内母排保护，也可作为主保护与传统过流后备保护配合应用。在开关柜母线保护方面，受母线保护造价昂贵，相应规范并未要求配置母线保护等因素的影响，前期线路均不设置母线保护。实际运营经验证明，利用环网进出线开关过流后备保护切除母线或PT(电压互感器)故障，其动作时限过长。在大环网系统中，尤其时间级差不满足要求的部位，极有可能引起上级环网开关保护动作，从而造成较大危害。数字通信过电流母线保护利用各开关原有保护装置相互进行通信和逻辑判断，能很好地解决这类问题。通过数字通信方式实现进出线后备保护，有效避免了传统后备保护速动性与选择性之间的矛盾，若主保护失效，就能可靠切除故障线路。

2 数字通信过电流选跳保护

2.1 选跳保护特点

众所周知，无论是线路差动，还是主变差动保护，其基本原理均是通过比较被保护对象两端流过电流的大小和相位来实现的，是一种矢量保护。在这种差动保护中，由于要进行2 个电流的矢量和计算，因此它涉及到设备两端电流互感器一次和二次接线的极性问题。极性必须依据保护装置的要求来确定。对于单个设备的差动保护，例如变压器，可以通过二次接线来实现;而对于距离较长的线路差动保护来说，由于线路本身损耗较大，因此，通常考虑利用站间光纤通信来解决。

选跳保护也是基于差动保护原理而实现的。不过，它与普通的差动保护还是有一定的区别。其具有以下两个特点:

1)选跳保护只与电流的大小有关系，而与电流互感器的二次接线的极性无关。也就是说，该保护不是矢量保护。

2)各台开关保护之间通过光纤或二次硬接线只传输跳闸信号(或装置故障闭锁信号)，并不传输电量信号。也就是说，装置本身并不对每台断路器的电流进行计算。

2.2 选跳保护动作逻辑

数字通信选跳保护在各保护装置之间只传递ON 或OFF 信号，由装置判断光纤通信状态。光纤通信正常，若本侧无过流启动(OFF)，而对侧装置有过流启动(ON)，则经延时T 后产生两侧保护动作;若两侧均有或均无过流启动，则闭锁动作。图1 为典型电流选跳保护动作逻辑图。

图1 典型电流选跳保护动作逻辑图

以图2 作为示例，在城市轨道交通环网系统中选取3 个变电所，分析电流选跳保护动作原理。在图2 中，正常状态下环网各保护装置均未采集到过流信号，则选跳保护不动作;若故障发生在B所出线环网电缆 D1 点，保护装置 A1、A2、B1、B2 均采集到过流，保护装置C1、C2 无过流，供电方向由A—C，B2 为环网最后一个有过流的开关，C1 为环网第一个无过流的开关，根据图1 动作逻辑，经延时T，B2、C1 开关选跳保护动作;若故障发生在C所PT或母线 D2 点，保护装置 A1、A2、B1、B2、C1 均采集到过流，而 C2 无过流，则经延时 T，C1、C2 开关选跳保护动作。

图2 选跳动作原理分析示意图

3 选跳保护运行案例

广州地铁6号线采用大环网供电系统，也是国内地铁供电系统领域首条设计使用数字通信过电流保护的地铁线路。现作为案例，对其运行情况进行分析。

3.1 环网及保护配置

广州地铁6号线环网电缆保护以差动保护作为主保护，与选跳及传统过流后备保护配合使用，另设有数字通信进出线后备保护;变电所内母线设备设有母线主保护，与母线后备保护及传统过流后备保护配合使用。

3.2 运行事故案例分析

3.2.1 事故经过

2013年10月8日，因设备检修作业需要，在燕岭主变电所进行切换操作。切换操作开关为燕岭主变电站322、324 开关(如图3所示)。322 开关馈至天平架站101B 开关，324 开关馈至燕塘站101B 开关。本次负荷切换造成燕岭主变电所322、324 开关，天平架站101B 开关和燕塘站101B 开关发生相选跳保护动作或启动。

图3 广州地铁6号线中压环网部分分区图

3.2.2 事故原因

仅以天平架站101B 开关与燕岭主变电所322开关为例，结合现场保护设置类型、保护装置F35 事件记录及故障录波等数据，分析相选跳保护启动或动作过程的正确性及事故原因。表1、表2 为节选部分事件记录，图4 为保护装置录到的励磁涌流波形。

在装置通信正常状态下，101B 开关保护装置首次检测到A、B 相电流越线，101B 开关相选跳保护启动，同时在延时T 内接收到来自对侧322 开关的相选跳保护启动信号(表1 事件编号20560)，但不满足相选跳保护只有一侧过流启动的动作逻辑，因此，相选跳保护启动复归。322 开关首次相选跳保护启动及复归过程与101B 开关类似，不再赘述。

表1 天平架站101B 继电保护事件记录

101B 开关在首次相选跳保护启动复归后，B、A相电流越线相继恢复(表 1 事件编号 20564、20567)。但来自对侧322 开关的相选跳保护启动信号继续保持，满足本侧相选跳保护启动条件，在保护启动后延时 T 内对侧启动信号(表1 事件编号20560)仍未复归，其满足相选跳保护动作逻辑，相选跳保护动作。

表2 燕岭主变电所322 继电保护事件记录

322 开关首次相选跳保护启动在接收到对侧保护启动信号后，不满足动作条件，所以复归;而故障电流持续，电流越限并未恢复，继续保持向对侧输出相选跳启动信号。与此同时，101B 开关发送的相选跳启动信号复归，满足相选跳保护启动逻辑，故322快关启动第2 次相选跳保护;启动延时15 ms(小于设定的T=20 ms)后，322 开关自身电流越限恢复，即322 开关、101B 开关均无过电流，故终止相选跳保护动作。

以上整个保护启动及动作过程均符合设定动作逻辑。经检查其他回路不存在故障后，考虑图4 录波波形为典型变压器励磁涌流波形，综合现场保护定值设置情况分析，确定事故原因为两侧选跳保护过流启动定值不匹配。在主变电站进行切换操作，站内多台变压器同时启动时，变压器励磁涌流达到过流启动定值，励磁涌流持续时间超过保护延时T，从而造成两侧相选跳保护动作。

3.3 优化建议

1)数字通信选跳保护对启动定值匹配度的要求较高，存在逻辑判断的保护装置之间必须使用同一启动定值。在保证灵敏性及可靠性的前提下，同一供电分区甚至同一线网最好使用同一选跳保护启动定值。

图4 故障录波典型波形实景图

2)设计有差动保护与选跳保护配合使用的系统，可适度延长选跳保护动作延时。

3)当电流信号采集回路发生故障，投切变压器时，励磁涌流极有可能造成选跳保护误动作。

4)可利用GPS(全球定位系统)数字时钟对时系统以进一步提高对时精度，这对于分析事故过程尤为重要。

4 结语

数字通信过电流保护在地铁中压大环网供电系统中具有其特殊的优越性，可实现与差动保护相类似的效果，弥补了传统过电流保护选择性和速动性之间的矛盾，是大环网供电系统保护的发展方向。但在装置间的通信方式、定值配置及与其他保护配合使用、保护延时及装置对时等方面，仍有进一步优化的必要。

［1］高云霞，王立天.地铁供电系统电流选跳保护及方案优化［J］.现代城市轨道交通，2011(4):1.

［2］张江.地铁中压供电系统选跳保护原理及试验方法［J］.电气化铁道，2008(4):43.