地铁供电系统10kV线路光纤纵差保护应用研究

张朝军

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。

一、光纤差动原理

随着北京、上海、天津等大城市已进入轨道交通网络化时代，供电系统在轨道交通运营中，担负着为列车和各种运营设备提供电能的重要任务，而光纤差动保护是供电系统安全的重要保证和前提，其厂家主要有：AAB、西门子等，现在我们就西门子厂家来介绍其光纤差动原理;

1、西门子（7SJ686和7SD68）

对于一个正常运行的保护对象，从一侧流入的电流等于从另一侧流出的电流（图 3中虚线所示）。该电流从被保护范围的一端流入，从另一端流出。如果回路中出现了差流，则可以清楚地表明该范围出现了内部故障。

1）、动态启动阀值

2）、合闸时动态启动阀值

3）、稳态启动阀值

如果当前的稳态阀值超过稳态启动阀值，差动保护进入比相判别。

对于7SD68保护装置，差动继电器在所设置的差动值指的是继电器扣除了 CT误差和长线路充电电容电流后的纯差动电流，因此可不需要考虑CT 的非线性和饱和所造成的误差，计算公式：

ID =︱ IRel1 +IRel2︱

IS≈ I diff> + ε1*︱IRel1 ︱+ε2*︱IRel2︱+1.4%* IN

差动动作条件：ID> IS

其中IS：不再需要考虑CT 的非线性和饱和所造成的误差的差动定值，I diff>是设计差动定值，IRel1是本侧实际运行电流，IRel2是对侧实际运行电流，ε1、ε2为实际线路运行中电流系数（若IRel1和IRel2电流大于额定电流时，ε1、ε2按15%取值，若IRel1和IRel2电流小于额定电流时，ε1、ε2按5%取值），IN为额定电流。

二、光纤差动保护回路接线及单体调试

1、电流回路接线分析

纵差保护是以电流大小和相位比较为基础的，因此在保护区域的各站都必须安装一个保护装置.本站的保护装置分别检测本站的电流，同时通过光纤通信连接将本站的电流传动到对侧站的保护装置，以便进行电流比较.如图1所示，A站的接收端（RXD）通过光纤连接至B站的传送端（TXD），B站的接收端（RXD）通过光纤连接至A站的传送端（TXD）.如果A站和B站时间发生内部短路，配置A站和B站断路器就会同时跳闸。

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，需在被保护线路两站侧（A站和B站）装设电流互感器和斷路器，电流互感器一次侧极性端，对于A、B站，P1端指向母线，P2端指向线路（厂家对于电流互感器安装方式不同，也有P2端指向母线，P1端指向线路），再以辅助导线将两侧电流互感器的二次线圈S1和S2端，根据相应的极性要求接入对应的保护装置上（不同的保护装置，纵联差动保护两侧二次电流计算方式有两种：矢量差和矢量和），以图2一次电流的安装方式为例，若保护装置纵联差动保护两侧二次电流计算方式是矢量和，依据图3所示，那么：

对于A站，A相电流互感器的二次线圈S1端接入保护装置的A1端，（B、C相的S1分别接B1、C1端），A相电流互感器的二次线圈S2端接入保护装置的A2端，（B、C相的S2分别接B2、C2端）。

对于B站，A相电流互感器的二次线圈S1端接入保护装置的A1端，（B、C相的S1分别接B1、C1端），A相电流互感器的二次线圈S2端接入保护装置的A2端，（B、C相的S2分别接B2、C2端）。

若只改变B站电流互感器二次接线，那么：

对于A站，A相电流互感器的二次线圈S1端接入保护装置的A1端，（B、C相的S1分别接B1、C1端），A相电流互感器的二次线圈S2端接入保护装置的A2端，（B、C相的S2分别接B2、C2端）。

那么对于B站，必须使A相电流互感器的二次线圈S2端接入保护装置的A1端，（B、C相的S2分别接B1、C1端），A相电流互感器的二次线圈S1端接入保护装置的A2端，（B、C相的S1分别接B2、C2端）。

通过以上接线我们可以知道，只要电流互感器一次电流极性和保护装置纵联差动计算方式（矢量差或矢量和）确定，我们就可以确定电流互感器二次极性接线。

2、单体调试

对于光纤差动保护的单体调试，需要用光纤将上一站出线柜与下一站进线柜连起来，这样的调试給人员操作、通讯、信息查看带来很大不便，为了更方便的实现单体，我们用两根光纤分别把本站一段母线环网出线开关柜与二段母线环网进线开关柜，本站一段母线环网进线开关与二段母线环网出线开关连起来，对出线开关柜保护CT二次加电流至整定值，本开关柜差动保护动作，断路器跳闸，对应的进线开关柜被联跳，断路器跳闸，同时检查整定值的准确性以及跳闸出口、灯光、连片的完好性，保证外加电流量符合差动保护装置的算法。

对于7SJ686，为了更准确、方便模拟实际运行状态，以动态启动阀值为例，假设定值0.3A，通过继电保护测试仪创建状态序列，状态1电流为0.1A（当任一项电流大于0102断路器合位电流判据时，装置认为线路已充电），当状态2施加0.38A时（变化量0.28A），差动保护可靠不动，当状态3施加0.42A时（变化量0.32A），差动保护A相应可靠动作。用同样的方法可校验B相、C相的精度。

对于7SD68，为了调试方便，可设定对侧电流为零，仅对本侧施加电流量（I diff>设为3A），那么：在本侧施加的启动动作电路为3.23A，计算如下：

ID> IS，即：︱IRel1 ︱> 3 + ε1*︱IRel1 ︱+1.4%* IN

︱IRel1 ︱>3.23

三、光纤差动保护的系统调试

单体调试只是针对光纤差动系统的继电器进行调试，而两站之间一次电缆的接线是否正确、两站之间光纤电缆是否完好、两站的电流互感器的二次接线及极性是否正确，电流互感器连片是否有开路状态，均不易发现。等待高压电缆敷设、安装完毕，光缆熔接完毕，且衰减率测试合格;继电器单机调试完毕后，就要进行系统调试——双继电器调试。保证两侧差动回路极性符合保护装置的算法。

试验步骤如下：

（1）以主变电所馈向牵引变电所35kV电缆为例，如图1。

（2）在主变电所利用三相调压器加电压，在牵引变电所使用100mm2软铜线将所有牵引变压器、动力变压器低压侧三相短路接地，如图2，同时确保牵引变压器和动力变压器一次电缆接线完毕。

（3）理论计算一次电缆电流值，以石家庄地铁一号线人民广场牵引变电所为例，变压器参数如下表：

（4）接线完毕后，先合四个变压器断路器，再合牵引变电所的断路器，最后合主变电所的开关。缓慢升压至380V，同时注意调压器的电流在允许的范围内，如果接线与电流互感器、差动继电器的极性均正确，则从CD1、CD2读取的相电流应相同，差动电流应为零，

（5）降下电流，关闭电源。将主变电所电流互感器与差动继电器之间的二次短封（A相短封），此时再加电压到380V，CD1、CD2读取A相差动电流都应不为零。恢复主变电所电流互感器，将牵引变电所电流互感器與差动继电器之间的二次短封（A相短封），此时再加电压到380V，CD1、CD2读取A相差动电流也都应不为零。依次试验B、C相。

（6）试验完毕后，将电流降至零，关闭电源，将所有临时接线均拆除干净，将现场收拾干净，经过此次试验后，变电所主接线、二次接线均不得随意拆动。

此试验虽然施加380V模拟正常运行情况，但是380V电压，对人身安全还是致命的，且带电面大，危险系较高。

为了降低危险系数，我们也可以用升流设备（如互感器特性测试仪、继电保护测试仪）对三相电缆的其中两相或三相施加电流，例如，将牵引变电所A、B相一次电缆短封，主变电所通过互感器特性测试仪给AB相施加电流，就可以从CD1、CD2读取A、B相差动电流，依次试验BC相。

（作者单位：中铁电气化局集团第一工程有限公司）