城市轨道交通35kV电缆光纤差动保护技术分析

合肥市轨道交通集团有限公司 罗 翔

以我国现代化城市建设及发展的现状来看，城市轨道交通已成为一个城市经济水平的标志。在交通体系多元化发展的今天，为进一步缓解城市交通压力，自进入21世纪以来，城市轨道交通建设就成为我国城市建设与发展的重点工程项目，而在城市轨道交通运转过程中，电力起到了非常重要的作用，随着城市轨道交通运营负载的增加，其供电负荷也在不断加重，使得城市轨道交通设备跳闸等故障问题不断发生，对城市轨道交通的运行造成了负面影响。

对于城市轨道交通的供电来说，常见的供电形式涵盖了集中供电、分散供电以及混合供电。这三种供电方式都能为城市轨道交通设施提供稳定的用电供应，不过由于不同方式间特性的不同，具体应用还需结合实际情况来进行选取，为体现出光纤差动保护，通常都以集中式供电的方式为主。

鉴于集中式供电方案的可靠性、稳定性远远高于分散式供电和混合式供电，因此大部分城市轨道交通供电系统以集中式供电为主。本文以集中式供电方案为基础，探究城市轨道交通35kV 线路光纤差动保护的原理及应用情况，并深入分析35kV 开关柜光纤差动保护跳闸原因及处理措施，以此来丰富相关研究理论。

1 光纤差动保护原理

当前，在电力供应当中地铁35kV 开关柜光纤差动保护主要是根据基尔霍夫电流的定律为基准。图1为35kV 输电线路实体图。这种保护动作的形成，是根据计算继电保护装置的三相电流而得，通过计算的方式，进而能够通过检测相关保护装置中三相电流向量和的值作为依据来进行光纤差动保护的评定，若在具体链接中，电流互感器二次侧电流继电器的电流符合一定整定值，进而就会产生光纤差动保护动作，通过形成保护的形式来引发电路跳闸。图2为光纤差动保护工作模型。

图1 35kV 输电线路实物图

图2 光纤差动保护工作模型

光纤差动保护采用分相电流差动元件作为快速主保护，并采用PCM 光纤或光缆作为通道，使其动作速度更快，因而是短线路的主保护，这与一般的保护形式相比，优势特点较为明显，其不仅继承了电流差动保护的特性，且在光纤传输通道上具备较强的稳定性与可靠性，能够确保传送电流幅值与相位正确可靠地传送至对侧[1]。

除此之外，光纤差动保护的架构体系中能够看出，其是依据线路光纤通道来进行对侧传递和接收进行数据信息的采集与处理。该系统具体架构可见图3。从图3可以看出，通过借助本地与对侧电流数据来计算电路中的差动电流。以此来鉴别电流差动保护制动特性，进而体现出保护动作产生及不产生的具体原因。

图3 光纤差动保护系统的典型构成图

结合图3光纤差动保护系统架构，直观体现出，供电线路在稳定供电过程中，两侧电流相位相反。其中，假设M 侧是送电端，N 是受电端，就可视为M 的侧电流是母线流向线路，而N 侧电流是线路流向母线，这两侧的电流大小相等，但方向却截然不同；若线路在实际运行中产生故障，则其形成的故障电流会从母线流向线路的方向为基准，而线路两侧电流差电流则不为零，对于光线保护动作的产生来说，需在符合电流差动保护动作特性方程的前提下为基准，进而才能产生相应的动作来实现故障切除。图4是光纤差动保护的制动特性。

图4 光纤差动保护的制动特性

图4中，Id 为差动电流，Id=|IMφ+INφ|，φ 为相位，φ=A、B、C；

Ix 为制动电流，Ix=|IMφ-INφ|；

K1和K2则代表不同的制动斜率。

从首尾互感器之间流出流入的电流，均产生动作电流。从首尾互感器之外流出流入的电流，不可视为动作电流，其只是以形成制动电流Ix 为主。动作电流和制动电流相对工作点在比率制动曲线上时，就会出现光纤差动保护动作。

Isl是启动电流的体现，因线路两侧电流互感器测量误差与超高压线路在实际运转中所形成的充电电容电流等因素，差动保护在利用本地和对侧电流数据按相进行实时差电流计算时值并不为零。灵敏度校验式子如下所示：

在上述式子中，Ksen代表灵敏度系数，则表现为最小运行方式下保护区中两相短路的最小短路电流（A），nTA代表了电流互感器变比，Iop为差动保护动作电流。

以某工程35kV 开关柜采用的南瑞PCS-9613DT 线路光纤纵差保护装置为例，其环网系统包括E、D、C、B、A 五座车站变电所，潮流方向为E 变电所→A 变电所。AC35kV 进出线开关柜差动保护变比为500/1。线路各个参数如表1所示：

表1 线路参数表

南瑞PCS-9613DT 线路光纤纵差保护装置整定值如表2所示。

表2 线路光纤纵差保护装置整定值

根据以上整定值，计算不同短路的短路电流条件下制动特性。见表3。

表3 最大短路电流下制动比例值

根据以上不同短路电流下计算制动比例可知，制动比例值均大于k1及k2值，其差动电流值在光纤差动保护的制动特性曲线以上，差动保护动作。

表4 最小短路电流下制动比例值

2 城市轨道交通35kV 线路光纤差动保护跳闸原因

城市轨道交通在实际运行中，其35kV 开关柜光纤差动保护出现跳闸的原因有以下几种：一是城市轨道交通35kV 开关柜结构有所损坏，且其内部构件出现引线接头松动、损坏及脱落等现象，就会使供电设备的电压电流发生变化，进而对其运行稳定性造成影响，最终就会出现跳闸保护动作。

二是由于35kV 开关柜的断路器与绝缘子出现破损现象，就会导致其绝缘性能受到影响，这就会导致短路现象发生，从而引起跳闸[2]。

三是电流互感器作为城市轨道交通35kV 开关柜的重要器件，这一设备发生故障时就会触发光纤差动保护装置报警，从而引起跳闸。

四是三工位隔离开关是确保其正常运行的核心要素，若是其绝缘子性能受到影响，同样会造成跳闸现象的产生。

五是35kV 开关柜装置与避雷器相连，如果该部件受到损坏，会引发电压与电流的变化，使光纤差动保护装置产生跳闸保护动作。

六是35kV 电缆因外力导致破损导致短路发生。

3 城市轨道交通35kV 线路光纤差动保护跳闸处理

3.1 针对性处理措施

城市轨道交通用电设备在发生故障问题时，进行35kV 开关柜光纤差动保护跳闸处理的过程中，要展开针对性且全面性的检查，并将故障点优先原则践行到实处，根据故障处进行检查，并从该部位周边以点分段启动自投，使没有发生故障的设备部件继续进行供电，这样能够确保原有的线路运行方式不会受到影响，而是单一的只针对故障处进行处理，以确保设备原有性能不受损坏。

以环线故障的问题为例，光纤差动保护在退出后，设备故障检查与维修时，要借助后备电流保护来切除故障部位，以确保整个设备装置不会因穿越性电流而影响其自身性能，这样就不会在检修过程中引发跳闸动作的产生，且也能为设备整体跳闸概率的降低提供保障[3]。

除此之外，必须要进一步明确城市轨道交通供电设备中其他断路器有无跳闸动作产生，以此来实现供电电源调度的优化与调整，提升其灵敏度。之后，就可以送电的方式来检验其是否能够实现正常供电，若运转正常，就可一一对停电线路进行送电，如果还是无法实现正常供电，就要将处理中心放在备用电源的使用上，以此来确保不会产生城市轨道交通停运的现象。

对于一些失压的中低压侧设备检修来说，能够采取先恢复供电的方式，再展开针对性处理，这样能够进一步减少因设备故障而造成的损失，在城市轨道交通停运时，再对相关故障进行处理[4]。

3.2 排查确定故障点

跳闸动作产生后，进行故障处理时，一定要对设备进行全面排查，以此来确定故障点，为后续故障维修工作的有效开展而提供保障。

城市轨道交通的供电设备相比于一般供电设备而言，具备一定的特性，尤其是在发生故障问题时，通常来说都会形成大量故障电流。此时，一定要确定电路设备的故障点，以排查的方式先检查35kV开关柜，再对光纤差动保护装置进行全面检查。必须加强巡视检查的力度，在夜间城市轨道交通停运时，可通过断电的方式对保护装置进行细致的排查。

结合上述研究分析来看，为了确保城市轨道交通实现正常运行，使其稳定性与安全性能够得到有效保障，就要确保电源供应足够稳定，若是用电设备发生异常，就会触发35kV 开关柜光纤差动保护装置，从而出现跳闸现象，该项技术的应用能够第一时间了解城市轨道交通用电设备的运行状况，能够及时采取有效措施进行设备维修。

由此可见，该项技术在城市轨道交通供电中应用的价值与意义，政府及城市轨道交通相关部门要充分意识到该项技术应用的重要性，加大其推广及应用的力度，才能为城市轨道交通用电设备的运行及供电稳定性与安全性的加强做出贡献[5]。