光纤纵差保护对地铁35kV供电系统的保护效果分析

刘超　魏冲

摘 要：维持地铁供电系统的稳定，保证地铁电力系统的正常工作对地铁的正常运作有重要的意义。简单地介绍了地铁35 kV供电系统，全面分析了电缆供电线路的光纤纵差保护，证明了光纤纵差保护在地铁电力系统中的线路保护效果，以期为相关单位提供参考和借鉴。

关键词：地铁；供电系统；纵差保护；故障停电

中图分类号：U231.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.090

随着我国经济的不断发展，地铁在城市建设中越来越普及，地铁对电力系统的要求也随之提高。但因供电系统易发生各种各样的短路事故，影响了电力系统和地铁的正常运行。因此，如何做好继电保护工作，以保证地铁的正常运行成为了工作人员需要解决的问题。下面就此进行讨论和分析。

1 地铁35 kV供电系统

1.1 供电系统简介

地下车站35 kV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，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，可保证全所在一路进线有电的情况下承载全站一、二级负荷。35 kV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。在35 kV供电系统中性点接地设置110/35 kV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，接地变压器兼顾所用电变压器。

1.2 接线方式

图1为标准站变电所的接线方式。其中，QF1和QF2为2路主进线开关；QF4和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（G1S），断路器采用真空断路器。

1.3 继电保护

35 kV继电保护必须具有可靠性、选择性、灵敏性和速动性，同时，在设计上还应采用简单、高效的配置。35 kV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，35 kV进线电缆主保护采用光纤纵差保护，后备保护由上级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无法进行精确的距离保护，特

别是在本线路末端和下级线路的始端。如果同时采集本线路始末端的数据再对比分析，则可以区分出是保护区内故障与区外故障，从而实现速动性和选择性。这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，还要传送两侧数据，存在纵向的信息联系，保护装置据此进行分析，才能获得正确的判断。

2.2 纵联保护通道

纵联保护所利用的通道有4种：导引线纵联保护、电力线载波纵联保护、微波纵联保护和光纤纵联保护。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。光纤通道的带宽很大，可使信息的传送更加快速、及时，能容纳更多的信息量，可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，可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的保护装置，每侧的保护装置根据本侧和对侧的数据进行分析，判断属于保护区内故障还是区外故障。保护装置判断的依据并不是已设定的电流定值、延时时间和电流方向等，而是根据基尔霍夫电流定律（Σi=0，流入1个节点电流向量和等于0）。这类保护在每侧都可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，必须比较同一时刻两端的电流值，这要求线路两端对各电流数据进行同步处理，要保证2个异地时钟的统一和同步，常用的数据通道同步方法有全球定位系统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，流入被保护线路的电流等于流出电流，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，当被保护线路中有保护区外的短路电流流过时，两侧保护装置会产生较大的不平衡电流，进而可能引起误动作。为了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。

四线段比率差动的动作方程如下：

式（1）（2）（3）（4）中：?M和?N为本侧和对侧分相（A，B，C）电流的相量，电流的方向均指向线路；IOP.MIN为分相差动启动电流定值，必须躲过在正常运行时的最大不平衡电流；K1和K2为两段比率制动的制动率；IINT为两段比率差动特性交点处的电流差动值，取额定电流的4倍；ISat.MIN为差动速断电流定值。

由此可见，纵差保护动作特性由四线段组成。这种动作特性的优点为：在区内故障电流较小时，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

从长期的运行经验可知，合理设置保护的各定值，其动作特性可完全满足保护的灵敏度和可靠性要求。

2.6 TA断线监视

差动保护设置了“TA断线监视”功能。在正常运行过程中，如果差电流长时间不返回，则TA断线动作闭锁差动保护，以防再次发生区外故障时的差动保护误动。

3 故障时性能分析

3.1 差动保护区外部故障的性能分析

假设发生保护区外故障，即变压器高压侧发生两相短路，进线差动保护流入线路的电流等于流出线路的电流，即：iM=iN（iM-iN=0）。因此，进线差动保护区外部故障时，进线差动保护不动作。

3.2 差动保护区内部故障的性能分析

假设发生保护区内故障，即进线线路上发生单相对地短路，35 kV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。

接地变压器的阻抗：

. （5）

式（5）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35 kV；SN为变压器容量，取500 kVA。

代入公式计算XT为0.15 Ω。

计算线路阻抗时，输电线路电阻忽略不计，线路阻抗为0.04 Ω/km。计算公式如下：

XL=X0L. （6）

式（6）中：X0为每千米线路的阻抗值，Ω/km；L为线路长度，km。

接地电阻R0=100 Ω。接地变和线路阻抗远小于固定的接地电阻，因此，接地短路电阻以100 Ω计算：?M=U/R=25 000/100=250 A；?N=0；?M-?N=250-0=250 A；?M +?N=250+0=250 A。而进线差动保护动作值为50 A，因此，进线差动保护区内故障时保护可可靠动作。

4 结束语

综上所述，电力系统的稳定保证了地铁的正常运作，在进行电力系统的保护工作中，要多方面地做好线路保护，严谨计算各项数据和有关的参数，并做好维修养护工作管理，保证能及时发现并处理问题。只有这样，才能有效保证地铁电力系统运行的稳定和安全，创造更大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]代莹，程秋秋，张庆伟.改进型光纤纵差保护装置在地铁供电系统中的应用[J].城市轨道交通研究，2014（02）.

〔编辑：张思楠〕