轨道交通系统10kV供电线路差动保护应用研

　　1 引言

　　随着城市规模的不断扩大,我国城市轨道交通事业得到了飞速发展。在我国城市轨道交通系统中一般采用10kV环网供电或集中、分散供电相结合的供电方式。供电系统相对比较复杂，中压短线路较多，线路长度一般在2～5公里。这些短线路若采用一般的电流、电压和距离保护往往保护范围很小，甚至没有保护区，而且在整定值与动作时间上都难以配合，很难保证保护的选择性。

　　近些年来，随着电子技术、通信技术和计算机技术的飞速发展，纵联差动保护装置的性能得到了很大的提高，使其在中、低压短线路中得到了越来越广泛的应用。纵联差动保护具有原理简单、运行可靠、动作快速、准确等诸多优点，而且这种保护无须与相邻线路的保护在动作参数上进行配合,可以实现全线速动。因此，在城市轨道交通系统10KV线路中采用纵联差动保护可以很好地解决供电系统保护的选择性不好的问题。

　　2 纵联差动保护原理

　　2.1纵联差动保护的基本原理

　　纵联差动保护的动作原理是基于比较线路两侧电流的大小和相位。因此，需在线路两侧装设电流互感器，再以辅助导线将两侧电流互感器的二次线圈同极性端子相连接(设两侧电流互感器一次侧的极性以母线侧为正极性)。电流继电器接在差流回路内。两侧电流互感器之间的线路为纵差保护的保护区。

　　一般来讲，线路纵联差动保护分为两种类型：

　　(1)环流法差动电流保护，见图１(ａ)。

　　(2)均压法差动电流保护。见图１(ｂ)。

　　环流法接线的特点是线路两侧的电流回路按同极性关系连接(由母线流向线路为正方向)。在正常运行及外部故障时，差动回路中有环流流过。当忽略线路电容电流时，则流经两侧电流互感器的电流相等，因此继电器中的电流为零，保护装置不动作。

　　均压法接线的特点是将线路两侧的电流回路按反极性关系相连接，这样在正常运行及外部故障时，差动回路中没有电流流过，因而继电器不动作。但这样却会使电流互感器运行在空载状况，易产生过热及过电压。为改善上述工作条件，可利用中间电流互感器供电，但却增加了电流互感器的二次负担。

　　2.2 纵联差动保护装置的构成

　　纵差保护主要包括差动元件、电压或电流闭锁元件、导引线监视元件、逻辑元件等主要部分，通过导引线将两侧装置连接起来，以实现线路两侧的电流幅值和相位比较。为了减少导引线的数量、简化保护接线及较容易地对导引线实现监视，通常利用交流电流综合装置将二相电流输入变成单相电流输出。综合变流器原理接线见图2。

　　综合变流器实质上是一个将三相电流变成单相电流的变换装置。因而一次绕组带有抽头，电流互感器的A、B、C、0相分别接入相应抽头。出于各相至中性点的励磁匝数不等，因此在三相不衡时铁芯中的综合磁通不为零，在二次绕组中将感应出电势。图2示出了三相平衡输入时的向量图。由于导引线的阻抗远大于电流互感器二次侧所允许的阻抗值、因此利用综合变流器变流比可大大减小导引线在电流互感器二次侧的阻抗值。

　　2.3 纵联差动保护的整定

　　2.3.1差动保护中的不平衡电流

　　在环流法接线的差动保护中,电流继电器线圈接在两电流互感器励磁阻抗和差动回路两臂组成的对角线上。在理想情况下,假设两电流互感器完全同型号，则不平衡电流为零。实际上,因电流互感器的励磁阻抗不可能无限大。所以总有励磁电流存在，且其磁化曲线是非线性的。这样在一次电流很大时，铁芯将饱和，励磁阻抗下降，因而将有较大的不平衡电流出现。除稳态情况的误差外，在暂态情况下，一次电流中包含很大的非周期分量。在一般情况下，非周期分量的传变要坏得多，而这部分电流将使铁芯助磁，造成励磁阻抗下降，使不平衡电流增加。

　　2.3.2 纵差保护起动电流的选择和灵敏度校验

　　差动保护起动电流定值，应可靠地躲过区外故障时的最大不平衡电流、以及当电流回路二次侧断线时由于负荷电流引起的最大差电流。其计算公式如下：

　　(1)按躲过区别故障时的最大不平衡电流整定，即

　　（1）

　　式中 ——非周期分组系数。当采用速饱和变流器时，取当采用串联电阻时，取～2 ；

　　 ——同型系数。在两侧电流互感器同型号时，取其他情况取1；

　　——电流互感器最大误差系数，取0.1；

　　——流过电流互感器的最大短路电流；

　　——可靠系数，取1.3～1.5。

　　(2)按躲过电流互感器二次回路断线整定，即

　　（2）

　　式中 ——该线路在正常运行情况下的最大负荷电流；

　　 ——可靠系数，取1.5～1.8。

　　根据以上两个条件计算结果，选择其巾较大的一个数值作为保护装置的整定值。

　　保护装置的灵敏度校验为

　　 （3）

　　式中 单侧电源供电时保护范围末端短路的最小电流。

　　一般要求。

　　2.4 光纤纵联差动保护

　　对于距离较短的输电线路可以采用短引线差动保护[2] ,但短引线差动保护二次回路由于引线较长, TA 的二次负载较大,从而引起线路两侧的TA 特性不匹配,并且TA 的二次回路接线也较复杂,这些都将直接影响差动保护的动作特性和安全性。当然也可采用以导引线为通道的纵联差动保护,但导引线通道易受外界干扰,抗干扰能力差,易受线路故障影响,降低了差动保护的安全可靠性。目前,光纤通道技术已逐渐成熟,由于光纤传输不受电磁干扰的影响,通信误码率低,工作稳定,在安全性和可靠性方面与导引线通道相比有显著优势。同时,光纤通道频带宽,容量大,可以缓解电力系统的通道拥挤问题。因此,利用光纤传输的微机线路纵联差动保护得到了越来越广泛的研究和应用[3] 。

　　光纤纵差保护通过高速数据通信接口,实现线路两侧数据同步采样。同步采样的原理就是将线路两侧装置中的一侧作为同步端,另一侧作为参考端。以同步方式交换两侧信息,参考端采样间隔固定,并在每一采样间隔中固定向对侧发送一帧信息。同步端随时调整采样间隔,如果满足同步条件,就向对侧传输三相电流采样值;否则,启动同步过程,直到满足同步条件为止。因为同步通信方式所要求的外围辅助电路较为复杂,装置的整体造价较高,所以不太适用于中低压短线路的光纤纵差保护。因此采用异步通信方式就成为一种可能。但采用异步通信方式的通信波特率较低(一般为9600 bps) ,为提高纵联差动保护可以利用的数据采样密度(一般为每个周波12 点采样) ,就必须压缩线路两侧需要交换的数据量。为此可以采用电流综合量的纵联差动保护,这样需要传输的数据量就很小,而且使用电流综合量,还可以提高故障时电流继电器的灵敏度。

　　4 地铁供电系统10kV线路光纤纵差保护应用研究

　　4.1 系统保护配置

　　图6为地铁供电系统简化模型。图中1#、2#、3#和4#电源引自变电所附近供电局110kV或220kV变电所，正常情况下本段供电系统由1#、2#和4#电源供电，当1#、2#和4#电源均失电时，3#电源手动投入，给整段系统供电。

　　引自供电局110kV或220kV变电所的供电线路保护由供电局考虑。由于纵差保护能较完美地实现保护的选择性及灵敏性，因此地铁供电系统内部的10kV线路（不包括变电所母线至变压器的馈电线路）的主保护采用光纤纵联差动保护。定时限过流保护可作为线路故障的后备保护及母线故障的主保护，能够实现对供电一次设备的保护。现将纵差保护动作时限设为0秒，则不会造成其他保护装置（后备保护有时限）的误动作，从而保证保护的选择性。

　　4.2 线路纵差保护动作过程分析

　　如图6所示，电流正方向为S1-K1-K3-K4-K7-K8-K10。设在断路器K8和K10之间的d 1点发生短路故障，在保护装置正常的情况下，纵差保护启动，同时启动K3的过流保护，如K3和K4可靠跳闸，则故障被隔离，同时闭锁过流保护，MK1自投启动，经过时延Δt后，母线分段断路器自动合闸，变电所I段恢复供电。如纵差保护拒动，经过时间Δt后K3的过流保护动作，K3断路器跳闸，MK1自投启动。经过时延Δt后，母线分段断路器自动合闸，变电所I段恢复供电。

　　5 结束语

　　本文针对轨道交通系统供电线路复杂，中压短线路较多的特点，指出了采用一般的电流、电压和距离保护往往保护范围很小，在整定值与动作时间上难以配合，无法保证保护的选择性的弊病。详细介绍了纵差保护的基本原理、结构、及整定计算方法。针对某段地铁10kV供电系统，对纵差保护在轨道交通系统10kV供电线路中的应用作了探讨，并提出了光纤纵差保护应用方案。

　　由于纵联差动保护具有原理简单、运行可靠、动作快速准确等诸多优点，而且这种保护无须与相邻线路的保护在动作参数上进行配合,可以实现全线速动。因此，采用纵联差动保护可以很好地解决中压短线路保护的选择性问题。而且由于光纤传输不受电磁干扰的影响,通信误码率低,工作稳定,在安全性和可靠性方面与导引线通道相比有显著优势，光纤通道频带宽,容量大,可以缓解电力系统的通道拥挤问题。因此，采用光纤差动保护，不仅可以提高地铁供电系统的保护选择性，而且可以解决纵差保护线路的抗干扰问题，从而可以极大地提高供电系统的可靠性。

　　参考文献:

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　　[3] 许建德,陆以群. 新型数字电流差动保护装置中的数据采样同步和通信方式[J] . 电力系统自动化,1993 ,17(4) :23 - 26.

　　[4] 贺敏 ,陆于平，等.一种适用于中低压短线路的光纤纵差保护方案[J].继电器，2003，31（9）：31-34，39.