双光纤差动与动态加速保护在地铁中的应用

陈翼龙

0 引言

现阶段，我国地铁供电系统常采用35 kV中压环网供电方式，并采用光纤差动保护和过电流保护作为环网电缆的主保护和后备保护。供电线路差动保护中，比率差动保护应用最为广泛，但工程实践中，其保护定值的选取通常依据经验，没有明确的理论算法[1]，对各整定参数之间的关系及其与差动保护的灵敏性、可靠性之间的关系研究甚少；而比相差动保护则很少在地铁供电系统中应用。对于“大分区”供电方式，传统过电流保护存在较多弊端，需要采用与之更为匹配的过电流保护方案。

本文对比率差动保护整定进行理论分析，给出了相关参数的计算方法，并提出采用比相差动保护作为比率差动保护补充的思路。另外介绍了适用于“大分区”供电方式的动态加速过流保护的逻辑及原理，并以某地铁线路为例介绍了整定计算方法。

1 双光纤差动保护原理及整定分析

1.1 比率差动保护整定分析

比率差动保护动作曲线一般为一条不过原点的多段曲线，应用中可简化为两段折线，其动作方程可表示为

式中：Id为差动电流，是线路两侧电流矢量和的幅值；Ir为制动电流，是线路两侧电流矢量差的幅值；Im、In分别为流过被保护线路两侧的电流幅值，电流均以指向线路为正方向；K1、K2分别为两段折线的斜率，即比率差动制动系数；Iq为差动启动电流；Irset为两段折线的拐点处的制动电流。通过对以上参数进行整定，以达到可靠保护的目的。

1.1.1 拐点电流及差动启动电流的选择

比率差动保护动作曲线中，拐点电流Irset两侧折线斜率不同，其中第1段折线主要考虑在系统正常运行时保护不误动，第2段折线主要针对区内故障情况下保护装置可以灵敏动作。拐点处电流一般选取正常运行时该段线路上可能出现的最大负荷电流In，并考虑一定系数Krset后的制动电流，即

式中：Krset通常可取1.2～1.5。

供电线路发生保护区外部短路时，保护区内线路上的电容电流中会产生大量高频分量，其与工频分量叠加后，电容电流幅值可能达到正常运行情况下的4～5倍。因此考虑到高频分量的影响，电容电流瞬时值Icm为[2]

式中：Un为线路电压等级，kV；L为线路长度，km；kf为变电所电力设备增加的电容电流百分数，对于35 kV系统，可取0.13。

另外，若线路两侧选用完全相同的电流互感器，当线路流过穿越电流时，理想情况下，线路两侧保护装置检测到的差动电流为0。工程中，由于线路两侧电流互感器存在测量误差等原因，保护装置会检测到两侧的不平衡电流。最大负荷时线路的最大不平衡电流Iu为[3]

式中：Krel为可靠系数，一般取1.3～1.5；Kaper为非周期分量系数，取1.5～2；Kst为同型系数，两侧电流互感器同型号时取0.5，不同型号时取为1；fi为电流互感器幅值误差系数，取0.1。

差动启动电流应按照躲过线路正常运行时本段线路的电容电流瞬时值Icm以及最大负荷电流引起的不平衡电流Iu进行整定，即

1.1.2 比率差动制动系数的选择

当被保护的线路发生区外短路或正常负荷时，在保护区内流过穿越性电流，假设穿越电流为I，则，且Im=In=I。此时差动电流Id为穿越电流可能产生的最大不平衡电流，即Id=Iu，考虑最不利情况，Krel取1.5，Kaper取2，Kst取1，fi取0.1，In=I。以上代入动作方程式（1）、（4）得，Id= 0.3I，Ir= 2I，根据动作方程式（1），在差动保护不动作的情况下，满足：

由式（6）可知，K1只要大于0.15，即可以保证穿越电流产生的不平衡电流处于非动作区，此时的可靠系数为

随着穿越电流的增大，保护可靠系数逐渐减小。因此当穿越电流较大时，例如发生区外短路故障的情况，可通过增大第2段折线的斜率提高可靠性。可靠系数最小值为20K1/3，当给定可靠系数最小值时，可由式（7）求出K1。

当发生保护区内短路时，假设短路电流为Ik，由于地铁交流侧单边供电的特点，Id=Ir=Ik，代入动作方程式（1）可得：

（1）当Ir≤Irset时，差动保护动作时，需满足：

此时保护的灵敏系数为

当Ik=Irset时，Ksen为最大值，即

（2）当Ir＞Irset时，差动保护动作时，保护动作灵敏系数为

对该式Ik求导可得

在满足条件：

可使Ksen为Ik的单调递减函数，因此Ik=Irset时，Ksen的最大值仍可由式（10）所示；而Ik趋于无穷大时，Ksen的最小值为

由上可得，在满足式（12）时，当灵敏系数取值范围给定时，可由式（14）求出K2。

根据以上分析可知，在比率差动保护可靠系数及灵敏系数给定后，Iq、K1、K2均在一定取值范围内，且Iq、Irset、K1、K2四者存在相互制约关系。通过提高Iq、K1、K2的值，可以加强保护的可靠性；而提高拐点电流Irset，理论上可以提高整个保护范围内的最大灵敏性。

1.2 比相差动保护的应用分析

比率差动保护在应用中需要考虑线路电容电流和电流互感器饱和等问题[4]。针对此类问题，可以采取提高差动启动电流Iq的方法避开电容电流，以及提高制动系数来克服CT饱和的影响，避免在较严重的CT饱和情况下保护误动，但这样必然会在一定程度上影响保护的灵敏性。

比相差动保护在原理上能够避免以上问题，因此可以作为比率差动保护的补充。

比相差动保护是比较流入线路两端电流的相角来判别为区内故障或区外故障。当线路正常运行或发生区外故障时，流过两端装置的电流相位相反，当线路发生区内故障时，两端装置的电流同相位。

地铁35 kV供电系统环网电缆发生保护区内故障时，无源侧电流为零，无法直接比较线路两端电流相位，因此可选用电流突变量进行相位比较。单电源线路区内故障时，两端电流突变量相位也相同，比相差动保护动作；正常运行时，负载电流突变量为零，比相保护不动作。

比相差动保护采用两端电流突变量作为判据，被保护线路的电容电流在突变量的计算中抵消，可消除电容电流的影响。另外，由于仅对采样电流相位进行故障方向判断，因此动作特性不会受到两侧电流互感器特性不一致的影响[5]。实际应用中，电流互感器饱和引起的故障电流相角偏移量很有限，不会影响对故障方向的正确判断[6]。

比相差动保护需要整定的参数主要包括稳态启动阈值和突变量启动阈值。稳态启动阈值应躲过线路最大负荷电流，并考虑与后备过流保护的配合系数，可取过流整定值的0.9倍。突变量启动阈值可整定为电流互感器额定电流的0.2倍，当前电流采样值与两周波前的采样值之差大于该定值时，进入比相判别。

2 动态加速过流保护逻辑及动作

2.1 动态加速过流保护设置原理

传统级差过电流保护存在保护动作级差时限配合困难、保护动作无法实现自适应特性、保护动作选择性与速动性不一致等缺点[7]。为克服传统级差过电流保护的不足，可采用动态加速过流保护作为差动保护的后备保护，该保护的主要动作逻辑原理如下。

（1）地铁35 kV供电系统的故障电流会流过电源到故障点之间所有的断路器，若检测到故障电流，过流保护装置向同母线的进出线以及母联的保护装置发出闭锁信号。当保护装置收到本母线进出线/母联的闭锁信号或通过光纤通道传递的对侧闭锁信号，则本保护装置的电流Ⅰ段保护被闭锁；当本装置过流启动且未收到其他保护装置的闭锁信号，则判断故障点位于本断路器与下级断路器之间，从而经过T1延时跳开本断路器，并联跳同母线的出线。

（2）当检测到保护装置的通道异常或同母线上的进出线/母联的保护装置发生异常，进出线、母联保护装置的过流Ⅰ段保护闭锁，同时开放电流Ⅱ段保护。此时若发生短路故障，过流Ⅲ段保护经过T2延时跳开本断路器。

（3）进出线及母联保护装置设过流段保护，当检测到故障电流大于启动定值持续时间超过T3延时，保护装置动作切除故障。以上过程逻辑如图1、图2所示。

图1 进出线动态加速过流保护逻辑

图2 母联动态加速过流保护逻辑

（4）环网进出线保护动作时同时通过差动通道向环网对侧开关发出联跳命令；母线故障时联跳同母线上的其他进出线。

（5）进出线、母联及馈线保护中配置失灵保护元件，经断路器失灵延时后动作于所有进出线、母联以及上级变电所出线。

（6）采用差动启动备自投方式，差动保护动作后，向下级变电所母联备自投装置发出自动合闸启动信号，当电压条件满足后，合母联断路器，快速恢复供电。

2.2 动态加速过流保护动作分析

图3 不同故障位置示意

采用动态加速过流保护，变电所35 kV交流侧发生如图3所示的各位置故障时，系统处于不同状态下保护动作分析如表1、表2所示。

表1 35 kV环网电缆故障动作分析（k1点故障）

表2 35 kV母线故障动作分析（k2点故障）

2.3 动态加速过流保护整定方法

进出线及母联动态加速过流保护整定值应考虑躲过被保护线路各运行工况下的最大负荷电流，一般可整定为

系统最常见的故障为单相接地故障，此时短路回路中的过渡电阻较大，短路电流往往较小，一般仅有几百安。为了有效切除单相接地故障，配置了动态加速零序过流保护，零序电流保护按躲过正常运行时的电容电流整定。

值得注意的是，过电流保护考虑的电容电流不同于差动保护时考虑的电容电流。对于差动保护，其原理是比较保护区两端的电流差值，可仅考虑保护区范围内线路产生的电容电流。而过流保护属于单侧保护，需要考虑整个供电范围内的线路的电容电流。在供电范围内，越靠近主所，保护装置检测到的电容电流越大[8]。对于零序过电流保护，电容电流的计算应考虑一座主变电所支援供电的情况下，本变电所至供电末端的电容电流。零序过电流保护定值可由下式计算，式（15）、式（16）中可靠系数Krel取1.3。

进出线及母联动态加速过流保护的整定延时分为3段，每段延时考虑0.15 s时间级差。T1需躲过馈线断路器动作时间，取0.25 s，T2取0.4 s，T3取0.6 s，断路器失灵保护时间取0.25 s。

3 双光差及动态加速过流保护计算

以杭州某地铁线路为例进行整定参数计算。该线路35 kV侧配置了双光差+动态加速过流保护，线路供电系统及相关电流计算参数见图4和表3。

图4 线路供电系统示意图

表3 线路各变电所不同短路点故障电流 A

3.1 比率差动保护整定参数计算

将全线最大负荷电流、各区间的电容电流和最大不平衡电流代入式（2）—式（5）、式（8），可靠系数Krel取1.2，得Irest= 1 147 A，可取1 200 A；Iq= 85.5 A，可取96 A。

比率差动保护动作的可靠系数Krel和灵敏系数 最小值均取2，代入式（7）、式（12）和式（14），可得比率差动制动系数K1= 0.3，K2= 0.5。该保护动作曲线如图5所示。

3.2 动态加速过流保护整定参数计算

将全线最大负荷电流代入式（15），可得Iset= 693 A，可取720 A。

一座主变电所支援全线供电的情况下，本线所有变电所至供电末端最远距离约为16.19 km，代入式（3）、式（16），得Iset0= 92 A，取96 A。

图5 线路差动保护动作曲线

4 结语

本文从理论上分析了地铁中压环网的比率差动保护的差动启动电流、拐点电流、比率差动制动系数之间的关系，以及这些参数对于保护可靠性灵敏性的影响，并给出了整定计算方法；针对比率差动保护的不足，提出了采用比相差动保护作为补充，构建双光差保护的建议；分析了采用动态加速过流保护作为线路后备保护的优势，并给出了保护逻辑设计以及对于不同故障的动作过程分析。