数字通信电流选跳保护应用研究

刘雨佳

（广州地铁集团有限公司运营事业总部，广东广州510310）

0 引言

目前广州地铁14号线和知识城线供电系统环网电缆以差动保护作为主保护，数字通信电流选跳保护作为后备保护。该保护配置方案与以往采用的传统保护方案有所区别，传统保护配置方案以差动保护为主保护，过流保护和零序保护为后备保护。

1 传统保护配置不足之处

广州地铁大部分的中压环网进出线开关一般配置纵联光纤差动保护作为主保护，过流保护和零序电流保护作为后备保护。但该保护方案在大供电分区及供电方式改变的情况下存在选择性和速动性矛盾，具有需根据运行方式切换整定值组及不能对母线故障进行快速切除等不足。

1.1 过流保护动作时限问题

为保证继电保护的选择性，过流保护的动作时间应设置极差，一般要求主变电所过流时限不大于1.5 s。而在大供电分区或某一主所解列由另一主所进行支援的运行方式下，环网开关的过流保护将无法实现极差要求，只能舍弃部分区段的过流保护选择性，减少极差。上述情况会导致末端几个变电所过流保护的动作时间一致，当环网线路尾端或中压母线发生短路时，相应保护出口切除故障，将造成同一动作时间的环网开关同时跳闸，扩大停电范围。

1.2 开关柜母线保护问题

轨道交通中压供电系统36 kV开关柜多数采用GIS柜，在配置传统保护方案的36 kV变电所，对开关柜内（含母线）的故障，仅依靠时限较长的过流保护显然不能满足母线保护要求。以广州地铁一号线为例，在实际运营中，母线短路故障发生概率较小，但一旦出现母线短路故障，最后将由环网开关柜的电流速断保护出口动作，动作时间无法拉开极差，会造成部分开关同时跳闸，严重影响地铁正常运营。

2 数字通信电流选跳保护

2.1 基本原理

数字通信电流保护方案利用保护装置之间的直接通信可编程功能，实现了线路两端信息的传递，在不降低保护系统可靠性的前提下，不仅完全可以替代传统的电流差动保护，还克服了传统保护选择性和速动性之间的矛盾，从而可以迅速切除故障，解决中压环网供电线路后备保护速动性与选择性相矛盾的问题，保证任一级故障均能在0.8 s内予以切除。如图1所示，这是36 kV交流环网系统。假设短路点发生在Ⅲ段，根据供电方向，K2是最后一个过流的开关，K3是第一个没过流的开关，则可判断故障发生在Ⅲ段，K2、K3开关应断开。

图1 区间故障区段的判断和隔离

2.2 实现方法

此数字通信电流保护方案利用保护装置之间的直接通信可编程功能，实现线路两端信息的传递，所以保护装置须具有强大的逻辑编程和装置间直接通信的功能。

如图2所示，当故障点出现在d1点时10、3、4均感受到过电流，4～7均无过电流，4是最后一个过流的保护装置，设备7与4将本身的过流与否信号互送，逻辑判断，设备4与7同时速断跳闸，从而切除故障点。

图2 保护装置连接图

3 对比分析

数字通信电流选跳保护具有以下优点：

（1）基于差动保护原理实现，电流选跳保护属于定性保护，而差动保护属于定量保护。电流选跳保护装置之间只传递状态量信息，而不是传统的电流测量值，也不需要像差动保护装置对电流进行复杂的矢量计算，具有极高的可靠性和抗干扰能力。

（2）可快速识别故障区域，无需动作时间，达到快速跳闸的目的，固有动作时间约几十毫秒，能达到选择性与速动性要求，比拟差动保护的效果。

（3）在光纤通信异常、断路器拒动、保护装置故障等情况下具备后备保护功能，动作时间无需极差，同时保护的动作时间远小于过流保护的整定时间。

（4）保护范围和定值不受供电分区大小及环网运行方式干扰，适用于较长分区环网的供电系统。

（5）可对开关柜内部和母线故障提供保护，这是差动保护所不具备的。

4 现场应用分析

4.1 各类故障下保护动作情况

以知识城线中压环网为例进行分析，将供电系统简化成如图3所示的供电结构，分别模拟保护配置方案中可能出现的各种故障，试验保护的动作情况并记录数据。其中，d1点模拟区间故障（线路差动保护退出），d2点模拟母线故障，d3点模拟馈线故障。

（1）电缆线路d1点故障，F35-6最后一个检测到过流，F35-7第一个没有检测到过流，断路器6和7跳闸，切除线路故障。电缆线路d1点故障，6、7号断路器的F35保护装置通信异常，则断路器6跳闸，切除线路故障。电缆线路d1点故障，6号断路器拒动，则断路器5和7跳闸，切除线路故障。

图3 供电系统简化结构图（镇龙—旺村）

（2）母排d2点故障，F35-4和F35-5检测到过流，F35-6未检测到过流，断路器5和6跳闸，切除母排故障。母排d2点故障，5号断路器拒动，则断路器4和6跳闸，切除母线故障。

（3）馈线d3点故障，断路器8跳闸，切除馈线故障。馈线d3点故障，8号断路器拒动，则断路器5跳闸，切除馈线故障。

4.2 电流选跳保护中电缆故障判断条件

（1）本线路开关过电流保护启动；（2）相邻变电所同一线路开关的过电流保护未启动；（3）数字通信电流保护延时时间到T。

4.3 电流选跳保护中母线故障判断条件

（1）本线路开关过电流保护启动；（2）相邻变电所同一线路开关的过电流保护启动；（3）本变电所同一母线上其他所有开关的过电流保护均未启动；（4）数字通信电流保护延时时间到T。

当保护装置判断为电缆故障时跳本线路开关，并发信号联跳相邻变电所同一线路开关；当保护装置判断为母线故障时跳本线路开关，并发信号联跳本变电所的其他进出线开关及母联开关。

5 结语

针对地铁供电系统网络化及大分区供电的需求，如采用常规阶梯式保护配置方案将很难保证整个系统的选择性，提出电流选跳保护解决方案，并融入了通信技术，从而将固定的时间级差转化为动态时间级差，大大缩减了故障切除时间，同时可以最大可能性地增加供电臂的长度，在已运营的地铁线路中可随时进行延伸，既解决了线路扩容问题，也延长了设备使用寿命。

[1]贺家李，李永丽，董新洲，等.电力系统继电保护原理[M].4版.北京：中国电力出版社，2010.

[2]邓克.线路差动保护升级在地铁中的应用[J].都市快轨交通，2009，22（6）：33-34.