城市轨道交通供电系统数字通信过电流保护方案优化

程咏斌，常宝波，谢悦海，黎国君

（1.广州市世科高新技术有限公司，广州 510540；2.广州市扬新技术研究有限责任公司，广州 510540）

0 引言

目前，国内外城市轨道交通33 kV供电系统主要采用光纤差动保护作为主保护，数字通信过电流保护作为区间故障的后备保护。数字通信过电流保护是近年来随着计算机技术和通信技术的快速发展，在传统过电流保护的基础上开发的一种新型速动过电流保护。各装置间通过光纤进行通信，通过光纤进行直接快速地传输装置间的采样信息和动作信息，并结合装置的可编程功能实现相邻站间的保护联跳及闭锁信息等。当区间线路发生故障时，两端的保护装置检测线路中流过的电流是否达到其设定的过流启动值，并将此启动信号通过光纤在两装置间传递，在保护装置的内部进行逻辑比选、判断，快速判别线路故障区段，实现选择性地快速切除故障线路[1－3]。

从数字通信过电流保护原理可以发现其保护只是对是否有过电流进行判定传递，但未对这个过电流的由来进行判据。保证过电流是区间故障电流：根据数字通信过电流保护判定逻辑，在通信正常的情况下，如本站过流启动，对侧站点过流未启动，此时数字通信过电流保护启动，执行保护动作。本文通过分析现场事例提出一个数字通信过电流保护优化方案，即通过在线路两侧增加方向元件的方法快速定位故障点，并通过可编程逻辑判定数字通信过电流保护是否闭锁，保证继电保护装置动作的准确性。

而数字通信过电流保护是在原过电流保护的原理及功能不变的基础上将区间两端继电保护装置联网，通过光纤进行直接快速的传输站间两台继电保护装置的采样信息和动作信息，并结合继电保护装置的可编辑功能实现相邻站间的保护联跳及闭锁信息、开关量信息等。区间线路发生故障、接地等情况时，两端的继电保护装置检测线路中流过的电流是否达到其设定的判据电流启动值，并将此启动与否的信号，通过光纤在两装置间进行传递，在保护装置的内部进行逻辑比选、判断，快速判别线路故障区段，实现选择性地快速切除故障线路。同时数字通信过电流保护是在原过流保护去基础上开发出来的，其具备过流保护装置的所有功能，并可解决“光纤纵差保护＋过电流保护”的保护配置方案局限性问题[1－3]。

1 运行事故案例

1.1 事故经过

现场的一次系统接线如图1 所示，区间的进、出线柜均配置了线路差动保护装置作为主保护单元，配置综合保护测控装置（数字通信过电流保护装置）作为后备保护单元。当区间线路d1故障时，线路两侧的线路差动保护装置和综合保护测控装置均可同时跳闸切除故障。

图1 现场一次系统接线

现场B 站停电进行正线环网切换，切换完成后恢复供电过程中，图中B 站AC 33 kV 综合保护测控装置及C 站综合保护测控装置均出现数字通信过电流保护误跳情况。

1.2 事故原因

出现误跳情况的开关现场故障录波波形如图2～3 所示，从波形可以看出当B 站开始送电变压器启动过程中存在励磁涌流，三相电流的波形符合励磁涌流波形的特征，这种情况下理论上继电保护装置不应该发生数字通信过电流保护动作，但线路两端的继电保护装置都发生了数字通信过电流保护动作。

图2 现场B站进线动作录波数据

经询问及现场查看发现B 站出线柜的继电保护装置数字通信过电流保护动作值设定为1.48 A。C站进线柜继电保护装置的数字通信过电流保护动作值设定为1.11 A。

分析图2所示波形可以看出，Ic相所产生的励磁涌流在T2附近达到了1.11 A的数字通信过电流保护的启动值，而从图3发现，Ia、Ib、Ic都没有达到1.48 A的数字通信过电流保护的启动值。根据数字通信过电流保护的保护逻辑关系，如图4 所示，在光纤通讯正常的情况下，本侧或对侧有一侧达到过流启动，另一侧未达到过流启动，在一定时延内，相数字通信过电流保护启动。继电保护装置的数字通信过电流保护动作是正确的。

图3 现场C站出线动作录波数据

图4 数字通信过电流保护的逻辑关系

因现场对侧站处于运行状态，经现场大量分析后建议电调将该段馈线全部分开，利用母联对该段母排供电，送电成功，后续分别对馈线进行送电亦成功，本站直流牵引用电恢复。现场检查该段2台动力变正常，无烧焦味、无放电。下载录波，进出线波形无明显故障电流。这也从侧面验证了是由于变压器空投产生的励磁涌流引起继电保护装置数字通信过电流保护误动作。

在中压供电系统中，变压器空投产生励磁涌流是正常现象，一般都会在保护设计及整定值设计时考虑励磁涌流对二次保护系统的影响，在定值整定中避免励磁涌流引起的保护误动。经与设计方沟通现场定值组整定确实考虑了这方面影响。从现场查看情况可以看到，该线路两侧数字通信过电流保护启动定值不一致，C站保护定值明显偏小。通常情况下线路两侧数字通信过电流保护定值应该保持一致，后经询问设计方了解到在设计阶段B站的二次变比为300∶1，C站的二次变比为400∶1，设计通过二次变比计算出保护整定值，B、C两站定值均无错误。但在具体实施阶段为使两侧二次变比保持一致，对C站二次变比进行变更为300∶1，但定值未进行变更依然使用原整定定值，故造成线路两侧数字通信过电流保护整定值不一致。在上述分析中保护动作启动及保护动作过程均符合现场保护设定及保护整定范围，经检查其他回路不存在故障，考虑图2～3录波波形为典型的变压器励磁涌流波形，综合现场定值设置情况分析，确定事故原因为两侧数字通信过电流保护过流启动定值不匹配。

同时，在检验分析中发现当两侧过流启动值设定一致，但当一侧保护装置检测到馈线波动电流达到整定值临界点时，数字通信过电流保护也会启动。经过大量的分析，发现数字通信过电流保护逻辑未判定过电流的由来，所以当馈线变压器产生励磁涌流引起母线电流变化时，继电保护装置只是判定两侧有无电流达到启动值，未对故障点进行判定。当且有一侧电流达到启动值，另一侧未启动时保护动作。

2 优化方案

数字通信过电流保护的误动作是由于线路两侧过电流整定值不匹配引起的，线路两侧的一侧由于定值整定较小，变压器励磁涌流达到了过电流整定值从而启动保护。而馈线变压器励磁涌流产生的涌流电流应为站内感应电流，当涌流电流过大时应由站内保护动作跳开断路器起到保护作用，而不是由区间线路保护动作跳开两侧断路器。但由于现阶段的数字通信过电流保护只判定是否有启动电流，且保护时延较短，当检测到过电流时，未等站内保护响应，该保护就先启动，从而导致数字通信过电流保护误动作。针对该情况，提出优化解决方案如下。

优化数字通信过电流保护逻辑如图5 所示，在两侧都增加一个方向元件，即当继电保护装置采集到电流并判定电流方向后，数字过电流保护才会启动。图中为优化后典型的数字过电流保护方案逻辑，数字通信过电流保护在装置间只传递有无启动信号，由装置判定通信情况。光纤通信正常，若本侧无过流启动，此时电流从母线流出，而对侧有过流启动；若电流从母线流出，则两侧电流方向相同，数字通信过电流保护启动；若电流流向母线，则两侧电流方向相反，数字通信过电流保护闭锁。

图5 优化数字通信过电流保护方案逻辑

以本文图1 中B、C 站为例。当B 站馈线变压器同时启动从而产生励磁涌流，引起母线电流变化。结合上述事件分析，因C 站数字通信过电流保护启动值设定的较小，变化电流达到了过电流启动值，而B 站启动值设定的较大一些，变化电流未达到启动值，根据原逻辑判定有一侧启动，数字通信过电流保护启动。如果使用优化方案，增加方向元件闭锁逻辑，根据供电系统特性，电流从电源点流向故障点（假设B站馈线变压器为故障点），此时B 站电流从母线流向馈线开关，而C站电流从线路流向B站母线，两侧电流方向相反，数字通信过电流保护闭锁。

而在其他线路区间保护中，当线路中发生故障或接地时，根据电流从电源点流向故障点这一特性结合35 kV供电系统特点，线路两侧均由母线电流流向区间故障点，此时线路两侧电流方向相同，方向闭锁解除，再判定两侧继电保护装置采集到的电流是否达到过流启动值，从而判定数字通信过电流保护是否启动，起到区间线路保护作用。

3 结束语

数字通信过电流保护在地铁供电系统具有重要意义，可与光纤纵差保护配合使用，解决“光纤纵差保护＋过电流保护”的保护配置方案局限性问题，是城市轨道交通供电系统的发展趋势。但现阶段的保护逻辑、定值整定等方面依然有进一步优化的空间，即存在电流方向无法判定而导致保护误动作的问题。本文主要是提出了一种对保护逻辑优化的方案，即在线路两侧增加方向元件闭锁逻辑，通过检测线路两侧电流方向准确点位故障位置，从而闭锁数字通信过电流保护，避免数字通信过电流保护误动作，保证继电保护装置动作的准确性。