陳翼龍

0 引言

現(xiàn)階段，我國(guó)地鐵供電系統(tǒng)常采用35 kV中壓環(huán)網(wǎng)供電方式，并采用光纖差動(dòng)保護(hù)和過電流保護(hù)作為環(huán)網(wǎng)電纜的主保護(hù)和后備保護(hù)。供電線路差動(dòng)保護(hù)中，比率差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用最為廣泛，但工程實(shí)踐中，其保護(hù)定值的選取通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，沒有明確的理論算法[1]，對(duì)各整定參數(shù)之間的關(guān)系及其與差動(dòng)保護(hù)的靈敏性、可靠性之間的關(guān)系研究甚少；而比相差動(dòng)保護(hù)則很少在地鐵供電系統(tǒng)中應(yīng)用。對(duì)于“大分區(qū)”供電方式，傳統(tǒng)過電流保護(hù)存在較多弊端，需要采用與之更為匹配的過電流保護(hù)方案。

本文對(duì)比率差動(dòng)保護(hù)整定進(jìn)行理論分析，給出了相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法，并提出采用比相差動(dòng)保護(hù)作為比率差動(dòng)保護(hù)補(bǔ)充的思路。另外介紹了適用于“大分區(qū)”供電方式的動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)的邏輯及原理，并以某地鐵線路為例介紹了整定計(jì)算方法。

1 雙光纖差動(dòng)保護(hù)原理及整定分析

1.1 比率差動(dòng)保護(hù)整定分析

比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作曲線一般為一條不過原點(diǎn)的多段曲線，應(yīng)用中可簡(jiǎn)化為兩段折線，其動(dòng)作方程可表示為

式中：Id為差動(dòng)電流，是線路兩側(cè)電流矢量和的幅值；Ir為制動(dòng)電流，是線路兩側(cè)電流矢量差的幅值；Im、In分別為流過被保護(hù)線路兩側(cè)的電流幅值，電流均以指向線路為正方向；K1、K2分別為兩段折線的斜率，即比率差動(dòng)制動(dòng)系數(shù)；Iq為差動(dòng)啟動(dòng)電流；Irset為兩段折線的拐點(diǎn)處的制動(dòng)電流。通過對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行整定，以達(dá)到可靠保護(hù)的目的。

1.1.1 拐點(diǎn)電流及差動(dòng)啟動(dòng)電流的選擇

比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作曲線中，拐點(diǎn)電流Irset兩側(cè)折線斜率不同，其中第1段折線主要考慮在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)，第2段折線主要針對(duì)區(qū)內(nèi)故障情況下保護(hù)裝置可以靈敏動(dòng)作。拐點(diǎn)處電流一般選取正常運(yùn)行時(shí)該段線路上可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流In，并考慮一定系數(shù)Krset后的制動(dòng)電流，即

式中：Krset通常可取1.2～1.5。

供電線路發(fā)生保護(hù)區(qū)外部短路時(shí)，保護(hù)區(qū)內(nèi)線路上的電容電流中會(huì)產(chǎn)生大量高頻分量，其與工頻分量疊加后，電容電流幅值可能達(dá)到正常運(yùn)行情況下的4～5倍。因此考慮到高頻分量的影響，電容電流瞬時(shí)值Icm為[2]

式中：Un為線路電壓等級(jí)，kV；L為線路長(zhǎng)度，km；kf為變電所電力設(shè)備增加的電容電流百分?jǐn)?shù)，對(duì)于35 kV系統(tǒng)，可取0.13。

另外，若線路兩側(cè)選用完全相同的電流互感器，當(dāng)線路流過穿越電流時(shí)，理想情況下，線路兩側(cè)保護(hù)裝置檢測(cè)到的差動(dòng)電流為0。工程中，由于線路兩側(cè)電流互感器存在測(cè)量誤差等原因，保護(hù)裝置會(huì)檢測(cè)到兩側(cè)的不平衡電流。最大負(fù)荷時(shí)線路的最大不平衡電流Iu為[3]

式中：Krel為可靠系數(shù)，一般取1.3～1.5；Kaper為非周期分量系數(shù)，取1.5～2；Kst為同型系數(shù)，兩側(cè)電流互感器同型號(hào)時(shí)取0.5，不同型號(hào)時(shí)取為1；fi為電流互感器幅值誤差系數(shù)，取0.1。

差動(dòng)啟動(dòng)電流應(yīng)按照躲過線路正常運(yùn)行時(shí)本段線路的電容電流瞬時(shí)值Icm以及最大負(fù)荷電流引起的不平衡電流Iu進(jìn)行整定，即

1.1.2 比率差動(dòng)制動(dòng)系數(shù)的選擇

當(dāng)被保護(hù)的線路發(fā)生區(qū)外短路或正常負(fù)荷時(shí)，在保護(hù)區(qū)內(nèi)流過穿越性電流，假設(shè)穿越電流為I，則，且Im=In=I。此時(shí)差動(dòng)電流Id為穿越電流可能產(chǎn)生的最大不平衡電流，即Id=Iu，考慮最不利情況，Krel取1.5，Kaper取2，Kst取1，fi取0.1，In=I。以上代入動(dòng)作方程式（1）、（4）得，Id= 0.3I，Ir= 2I，根據(jù)動(dòng)作方程式（1），在差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作的情況下，滿足：

由式（6）可知，K1只要大于0.15，即可以保證穿越電流產(chǎn)生的不平衡電流處于非動(dòng)作區(qū)，此時(shí)的可靠系數(shù)為

隨著穿越電流的增大，保護(hù)可靠系數(shù)逐漸減小。因此當(dāng)穿越電流較大時(shí)，例如發(fā)生區(qū)外短路故障的情況，可通過增大第2段折線的斜率提高可靠性。可靠系數(shù)最小值為20K1/3，當(dāng)給定可靠系數(shù)最小值時(shí)，可由式（7）求出K1。

當(dāng)發(fā)生保護(hù)區(qū)內(nèi)短路時(shí)，假設(shè)短路電流為Ik，由于地鐵交流側(cè)單邊供電的特點(diǎn)，Id=Ir=Ik，代入動(dòng)作方程式（1）可得：

（1）當(dāng)Ir≤Irset時(shí)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，需滿足：

此時(shí)保護(hù)的靈敏系數(shù)為

當(dāng)Ik=Irset時(shí)，Ksen為最大值，即

（2）當(dāng)Ir＞Irset時(shí)，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，保護(hù)動(dòng)作靈敏系數(shù)為

對(duì)該式Ik求導(dǎo)可得

在滿足條件：

可使Ksen為Ik的單調(diào)遞減函數(shù)，因此Ik=Irset時(shí)，Ksen的最大值仍可由式（10）所示；而Ik趨于無窮大時(shí)，Ksen的最小值為

由上可得，在滿足式（12）時(shí)，當(dāng)靈敏系數(shù)取值范圍給定時(shí)，可由式（14）求出K2。

根據(jù)以上分析可知，在比率差動(dòng)保護(hù)可靠系數(shù)及靈敏系數(shù)給定后，Iq、K1、K2均在一定取值范圍內(nèi)，且Iq、Irset、K1、K2四者存在相互制約關(guān)系。通過提高Iq、K1、K2的值，可以加強(qiáng)保護(hù)的可靠性；而提高拐點(diǎn)電流Irset，理論上可以提高整個(gè)保護(hù)范圍內(nèi)的最大靈敏性。

1.2 比相差動(dòng)保護(hù)的應(yīng)用分析

比率差動(dòng)保護(hù)在應(yīng)用中需要考慮線路電容電流和電流互感器飽和等問題[4]。針對(duì)此類問題，可以采取提高差動(dòng)啟動(dòng)電流Iq的方法避開電容電流，以及提高制動(dòng)系數(shù)來克服CT飽和的影響，避免在較嚴(yán)重的CT飽和情況下保護(hù)誤動(dòng)，但這樣必然會(huì)在一定程度上影響保護(hù)的靈敏性。

比相差動(dòng)保護(hù)在原理上能夠避免以上問題，因此可以作為比率差動(dòng)保護(hù)的補(bǔ)充。

比相差動(dòng)保護(hù)是比較流入線路兩端電流的相角來判別為區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障。當(dāng)線路正常運(yùn)行或發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，流過兩端裝置的電流相位相反，當(dāng)線路發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，兩端裝置的電流同相位。

地鐵35 kV供電系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)電纜發(fā)生保護(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)，無源側(cè)電流為零，無法直接比較線路兩端電流相位，因此可選用電流突變量進(jìn)行相位比較。單電源線路區(qū)內(nèi)故障時(shí)，兩端電流突變量相位也相同，比相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作；正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流突變量為零，比相保護(hù)不動(dòng)作。

比相差動(dòng)保護(hù)采用兩端電流突變量作為判據(jù)，被保護(hù)線路的電容電流在突變量的計(jì)算中抵消，可消除電容電流的影響。另外，由于僅對(duì)采樣電流相位進(jìn)行故障方向判斷，因此動(dòng)作特性不會(huì)受到兩側(cè)電流互感器特性不一致的影響[5]。實(shí)際應(yīng)用中，電流互感器飽和引起的故障電流相角偏移量很有限，不會(huì)影響對(duì)故障方向的正確判斷[6]。

比相差動(dòng)保護(hù)需要整定的參數(shù)主要包括穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)閾值和突變量啟動(dòng)閾值。穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)閾值應(yīng)躲過線路最大負(fù)荷電流，并考慮與后備過流保護(hù)的配合系數(shù)，可取過流整定值的0.9倍。突變量啟動(dòng)閾值可整定為電流互感器額定電流的0.2倍，當(dāng)前電流采樣值與兩周波前的采樣值之差大于該定值時(shí)，進(jìn)入比相判別。

2 動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)邏輯及動(dòng)作

2.1 動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)設(shè)置原理

傳統(tǒng)級(jí)差過電流保護(hù)存在保護(hù)動(dòng)作級(jí)差時(shí)限配合困難、保護(hù)動(dòng)作無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)特性、保護(hù)動(dòng)作選擇性與速動(dòng)性不一致等缺點(diǎn)[7]。為克服傳統(tǒng)級(jí)差過電流保護(hù)的不足，可采用動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)作為差動(dòng)保護(hù)的后備保護(hù)，該保護(hù)的主要?jiǎng)幼鬟壿嬙砣缦隆?/p>

（1）地鐵35 kV供電系統(tǒng)的故障電流會(huì)流過電源到故障點(diǎn)之間所有的斷路器，若檢測(cè)到故障電流，過流保護(hù)裝置向同母線的進(jìn)出線以及母聯(lián)的保護(hù)裝置發(fā)出閉鎖信號(hào)。當(dāng)保護(hù)裝置收到本母線進(jìn)出線/母聯(lián)的閉鎖信號(hào)或通過光纖通道傳遞的對(duì)側(cè)閉鎖信號(hào)，則本保護(hù)裝置的電流Ⅰ段保護(hù)被閉鎖；當(dāng)本裝置過流啟動(dòng)且未收到其他保護(hù)裝置的閉鎖信號(hào)，則判斷故障點(diǎn)位于本斷路器與下級(jí)斷路器之間，從而經(jīng)過T1延時(shí)跳開本斷路器，并聯(lián)跳同母線的出線。

（2）當(dāng)檢測(cè)到保護(hù)裝置的通道異常或同母線上的進(jìn)出線/母聯(lián)的保護(hù)裝置發(fā)生異常，進(jìn)出線、母聯(lián)保護(hù)裝置的過流Ⅰ段保護(hù)閉鎖，同時(shí)開放電流Ⅱ段保護(hù)。此時(shí)若發(fā)生短路故障，過流Ⅲ段保護(hù)經(jīng)過T2延時(shí)跳開本斷路器。

（3）進(jìn)出線及母聯(lián)保護(hù)裝置設(shè)過流段保護(hù)，當(dāng)檢測(cè)到故障電流大于啟動(dòng)定值持續(xù)時(shí)間超過T3延時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作切除故障。以上過程邏輯如圖1、圖2所示。

圖1 進(jìn)出線動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)邏輯

圖2 母聯(lián)動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)邏輯

（4）環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線保護(hù)動(dòng)作時(shí)同時(shí)通過差動(dòng)通道向環(huán)網(wǎng)對(duì)側(cè)開關(guān)發(fā)出聯(lián)跳命令；母線故障時(shí)聯(lián)跳同母線上的其他進(jìn)出線。

（5）進(jìn)出線、母聯(lián)及饋線保護(hù)中配置失靈保護(hù)元件，經(jīng)斷路器失靈延時(shí)后動(dòng)作于所有進(jìn)出線、母聯(lián)以及上級(jí)變電所出線。

（6）采用差動(dòng)啟動(dòng)備自投方式，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后，向下級(jí)變電所母聯(lián)備自投裝置發(fā)出自動(dòng)合閘啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)電壓條件滿足后，合母聯(lián)斷路器，快速恢復(fù)供電。

2.2 動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)動(dòng)作分析

圖3 不同故障位置示意

采用動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)，變電所35 kV交流側(cè)發(fā)生如圖3所示的各位置故障時(shí)，系統(tǒng)處于不同狀態(tài)下保護(hù)動(dòng)作分析如表1、表2所示。

表1 35 kV環(huán)網(wǎng)電纜故障動(dòng)作分析（k1點(diǎn)故障）

表2 35 kV母線故障動(dòng)作分析（k2點(diǎn)故障）

2.3 動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)整定方法

進(jìn)出線及母聯(lián)動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)整定值應(yīng)考慮躲過被保護(hù)線路各運(yùn)行工況下的最大負(fù)荷電流，一般可整定為

系統(tǒng)最常見的故障為單相接地故障，此時(shí)短路回路中的過渡電阻較大，短路電流往往較小，一般僅有幾百安。為了有效切除單相接地故障，配置了動(dòng)態(tài)加速零序過流保護(hù)，零序電流保護(hù)按躲過正常運(yùn)行時(shí)的電容電流整定。

值得注意的是，過電流保護(hù)考慮的電容電流不同于差動(dòng)保護(hù)時(shí)考慮的電容電流。對(duì)于差動(dòng)保護(hù)，其原理是比較保護(hù)區(qū)兩端的電流差值，可僅考慮保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)線路產(chǎn)生的電容電流。而過流保護(hù)屬于單側(cè)保護(hù)，需要考慮整個(gè)供電范圍內(nèi)的線路的電容電流。在供電范圍內(nèi)，越靠近主所，保護(hù)裝置檢測(cè)到的電容電流越大[8]。對(duì)于零序過電流保護(hù)，電容電流的計(jì)算應(yīng)考慮一座主變電所支援供電的情況下，本變電所至供電末端的電容電流。零序過電流保護(hù)定值可由下式計(jì)算，式（15）、式（16）中可靠系數(shù)Krel取1.3。

進(jìn)出線及母聯(lián)動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)的整定延時(shí)分為3段，每段延時(shí)考慮0.15 s時(shí)間級(jí)差。T1需躲過饋線斷路器動(dòng)作時(shí)間，取0.25 s，T2取0.4 s，T3取0.6 s，斷路器失靈保護(hù)時(shí)間取0.25 s。

3 雙光差及動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)計(jì)算

以杭州某地鐵線路為例進(jìn)行整定參數(shù)計(jì)算。該線路35 kV側(cè)配置了雙光差+動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)，線路供電系統(tǒng)及相關(guān)電流計(jì)算參數(shù)見圖4和表3。

圖4 線路供電系統(tǒng)示意圖

表3 線路各變電所不同短路點(diǎn)故障電流 A

3.1 比率差動(dòng)保護(hù)整定參數(shù)計(jì)算

將全線最大負(fù)荷電流、各區(qū)間的電容電流和最大不平衡電流代入式（2）—式（5）、式（8），可靠系數(shù)Krel取1.2，得Irest= 1 147 A，可取1 200 A；Iq= 85.5 A，可取96 A。

比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的可靠系數(shù)Krel和靈敏系數(shù) 最小值均取2，代入式（7）、式（12）和式（14），可得比率差動(dòng)制動(dòng)系數(shù)K1= 0.3，K2= 0.5。該保護(hù)動(dòng)作曲線如圖5所示。

3.2 動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)整定參數(shù)計(jì)算

將全線最大負(fù)荷電流代入式（15），可得Iset= 693 A，可取720 A。

一座主變電所支援全線供電的情況下，本線所有變電所至供電末端最遠(yuǎn)距離約為16.19 km，代入式（3）、式（16），得Iset0= 92 A，取96 A。

圖5 線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文從理論上分析了地鐵中壓環(huán)網(wǎng)的比率差動(dòng)保護(hù)的差動(dòng)啟動(dòng)電流、拐點(diǎn)電流、比率差動(dòng)制動(dòng)系數(shù)之間的關(guān)系，以及這些參數(shù)對(duì)于保護(hù)可靠性靈敏性的影響，并給出了整定計(jì)算方法；針對(duì)比率差動(dòng)保護(hù)的不足，提出了采用比相差動(dòng)保護(hù)作為補(bǔ)充，構(gòu)建雙光差保護(hù)的建議；分析了采用動(dòng)態(tài)加速過流保護(hù)作為線路后備保護(hù)的優(yōu)勢(shì)，并給出了保護(hù)邏輯設(shè)計(jì)以及對(duì)于不同故障的動(dòng)作過程分析。