數(shù)字通信過電流選跳保護(hù)在地鐵大環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉曉暉 肖濤古 鐘建恩

(廣州市地下鐵道總公司，510165，廣州∥第一作者，助理工程師)

隨著城市軌道交通線網(wǎng)的逐步擴(kuò)大，在后續(xù)建設(shè)的城市軌道交通線路中，33 kV 供電系統(tǒng)已逐步開始采用大環(huán)網(wǎng)供電方式，傳統(tǒng)的過流保護(hù)已無法滿足其對保護(hù)級差的要求。數(shù)字通信過電流選跳保護(hù)的應(yīng)用，正好彌補(bǔ)傳統(tǒng)過流保護(hù)的這一缺點(diǎn)。在廣州地鐵6號線33 kV 大環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)中，采用美國通用公司數(shù)字通信保護(hù)技術(shù)，主要包括選跳保護(hù)、母線保護(hù)和進(jìn)出線后備保護(hù)等主要保護(hù)類型。

數(shù)字通信過電流選跳保護(hù)是近年來隨著計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，在傳統(tǒng)電流保護(hù)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型速動過電流保護(hù)。各裝置之間通過光纖進(jìn)行通信，并對裝置之間傳遞的信息進(jìn)行比較和邏輯判斷，克服了傳統(tǒng)電流保護(hù)需要時間配合的缺點(diǎn)，具有類似于差動保護(hù)相同的效果，解決了傳統(tǒng)定時限過電流保護(hù)選擇性與速動性之間的矛盾。

1 數(shù)字通信過電流保護(hù)原理

數(shù)字通信過電流保護(hù)應(yīng)用綜合保護(hù)測控一體化單元，裝置設(shè)嵌入式R7C 光纖接口模塊。同一線路、同一段母線兩端相鄰裝置之間通過該光纖接口模塊實(shí)現(xiàn)直接通信，用于傳輸相鄰所間、同一段母線的保護(hù)聯(lián)跳及閉鎖信息、開關(guān)量信息、失靈保護(hù)聯(lián)跳信息等。當(dāng)環(huán)網(wǎng)線路或饋線發(fā)生短路故障時，相關(guān)聯(lián)網(wǎng)的裝置通過開關(guān)信號比選、邏輯判斷，可快速判別線路故障區(qū)段，并且有選擇地快速切除故障線路。

選跳保護(hù)目前主要應(yīng)用在地鐵供電系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)電纜和所內(nèi)母排保護(hù)，也可作為主保護(hù)與傳統(tǒng)過流后備保護(hù)配合應(yīng)用。在開關(guān)柜母線保護(hù)方面，受母線保護(hù)造價昂貴，相應(yīng)規(guī)范并未要求配置母線保護(hù)等因素的影響，前期線路均不設(shè)置母線保護(hù)。實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)證明，利用環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線開關(guān)過流后備保護(hù)切除母線或PT(電壓互感器)故障，其動作時限過長。在大環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中，尤其時間級差不滿足要求的部位，極有可能引起上級環(huán)網(wǎng)開關(guān)保護(hù)動作，從而造成較大危害。數(shù)字通信過電流母線保護(hù)利用各開關(guān)原有保護(hù)裝置相互進(jìn)行通信和邏輯判斷，能很好地解決這類問題。通過數(shù)字通信方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)出線后備保護(hù)，有效避免了傳統(tǒng)后備保護(hù)速動性與選擇性之間的矛盾，若主保護(hù)失效，就能可靠切除故障線路。

2 數(shù)字通信過電流選跳保護(hù)

2.1 選跳保護(hù)特點(diǎn)

眾所周知，無論是線路差動，還是主變差動保護(hù)，其基本原理均是通過比較被保護(hù)對象兩端流過電流的大小和相位來實(shí)現(xiàn)的，是一種矢量保護(hù)。在這種差動保護(hù)中，由于要進(jìn)行2 個電流的矢量和計算，因此它涉及到設(shè)備兩端電流互感器一次和二次接線的極性問題。極性必須依據(jù)保護(hù)裝置的要求來確定。對于單個設(shè)備的差動保護(hù)，例如變壓器，可以通過二次接線來實(shí)現(xiàn);而對于距離較長的線路差動保護(hù)來說，由于線路本身損耗較大，因此，通?？紤]利用站間光纖通信來解決。

選跳保護(hù)也是基于差動保護(hù)原理而實(shí)現(xiàn)的。不過，它與普通的差動保護(hù)還是有一定的區(qū)別。其具有以下兩個特點(diǎn):

1)選跳保護(hù)只與電流的大小有關(guān)系，而與電流互感器的二次接線的極性無關(guān)。也就是說，該保護(hù)不是矢量保護(hù)。

2)各臺開關(guān)保護(hù)之間通過光纖或二次硬接線只傳輸跳閘信號(或裝置故障閉鎖信號)，并不傳輸電量信號。也就是說，裝置本身并不對每臺斷路器的電流進(jìn)行計算。

2.2 選跳保護(hù)動作邏輯

數(shù)字通信選跳保護(hù)在各保護(hù)裝置之間只傳遞ON 或OFF 信號，由裝置判斷光纖通信狀態(tài)。光纖通信正常，若本側(cè)無過流啟動(OFF)，而對側(cè)裝置有過流啟動(ON)，則經(jīng)延時T 后產(chǎn)生兩側(cè)保護(hù)動作;若兩側(cè)均有或均無過流啟動，則閉鎖動作。圖1 為典型電流選跳保護(hù)動作邏輯圖。

圖1 典型電流選跳保護(hù)動作邏輯圖

以圖2 作為示例，在城市軌道交通環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中選取3 個變電所，分析電流選跳保護(hù)動作原理。在圖2 中，正常狀態(tài)下環(huán)網(wǎng)各保護(hù)裝置均未采集到過流信號，則選跳保護(hù)不動作;若故障發(fā)生在B所出線環(huán)網(wǎng)電纜 D1 點(diǎn)，保護(hù)裝置 A1、A2、B1、B2 均采集到過流，保護(hù)裝置C1、C2 無過流，供電方向由A—C，B2 為環(huán)網(wǎng)最后一個有過流的開關(guān)，C1 為環(huán)網(wǎng)第一個無過流的開關(guān)，根據(jù)圖1 動作邏輯，經(jīng)延時T，B2、C1 開關(guān)選跳保護(hù)動作;若故障發(fā)生在C所PT或母線 D2 點(diǎn)，保護(hù)裝置 A1、A2、B1、B2、C1 均采集到過流，而 C2 無過流，則經(jīng)延時 T，C1、C2 開關(guān)選跳保護(hù)動作。

圖2 選跳動作原理分析示意圖

3 選跳保護(hù)運(yùn)行案例

廣州地鐵6號線采用大環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)，也是國內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)領(lǐng)域首條設(shè)計使用數(shù)字通信過電流保護(hù)的地鐵線路。現(xiàn)作為案例，對其運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

3.1 環(huán)網(wǎng)及保護(hù)配置

廣州地鐵6號線環(huán)網(wǎng)電纜保護(hù)以差動保護(hù)作為主保護(hù)，與選跳及傳統(tǒng)過流后備保護(hù)配合使用，另設(shè)有數(shù)字通信進(jìn)出線后備保護(hù);變電所內(nèi)母線設(shè)備設(shè)有母線主保護(hù)，與母線后備保護(hù)及傳統(tǒng)過流后備保護(hù)配合使用。

3.2 運(yùn)行事故案例分析

3.2.1 事故經(jīng)過

2013年10月8日，因設(shè)備檢修作業(yè)需要，在燕嶺主變電所進(jìn)行切換操作。切換操作開關(guān)為燕嶺主變電站322、324 開關(guān)(如圖3所示)。322 開關(guān)饋至天平架站101B 開關(guān)，324 開關(guān)饋至燕塘站101B 開關(guān)。本次負(fù)荷切換造成燕嶺主變電所322、324 開關(guān)，天平架站101B 開關(guān)和燕塘站101B 開關(guān)發(fā)生相選跳保護(hù)動作或啟動。

圖3 廣州地鐵6號線中壓環(huán)網(wǎng)部分分區(qū)圖

3.2.2 事故原因

僅以天平架站101B 開關(guān)與燕嶺主變電所322開關(guān)為例，結(jié)合現(xiàn)場保護(hù)設(shè)置類型、保護(hù)裝置F35 事件記錄及故障錄波等數(shù)據(jù)，分析相選跳保護(hù)啟動或動作過程的正確性及事故原因。表1、表2 為節(jié)選部分事件記錄，圖4 為保護(hù)裝置錄到的勵磁涌流波形。

在裝置通信正常狀態(tài)下，101B 開關(guān)保護(hù)裝置首次檢測到A、B 相電流越線，101B 開關(guān)相選跳保護(hù)啟動，同時在延時T 內(nèi)接收到來自對側(cè)322 開關(guān)的相選跳保護(hù)啟動信號(表1 事件編號20560)，但不滿足相選跳保護(hù)只有一側(cè)過流啟動的動作邏輯，因此，相選跳保護(hù)啟動復(fù)歸。322 開關(guān)首次相選跳保護(hù)啟動及復(fù)歸過程與101B 開關(guān)類似，不再贅述。

表1 天平架站101B 繼電保護(hù)事件記錄

101B 開關(guān)在首次相選跳保護(hù)啟動復(fù)歸后，B、A相電流越線相繼恢復(fù)(表 1 事件編號 20564、20567)。但來自對側(cè)322 開關(guān)的相選跳保護(hù)啟動信號繼續(xù)保持，滿足本側(cè)相選跳保護(hù)啟動條件，在保護(hù)啟動后延時 T 內(nèi)對側(cè)啟動信號(表1 事件編號20560)仍未復(fù)歸，其滿足相選跳保護(hù)動作邏輯，相選跳保護(hù)動作。

表2 燕嶺主變電所322 繼電保護(hù)事件記錄

322 開關(guān)首次相選跳保護(hù)啟動在接收到對側(cè)保護(hù)啟動信號后，不滿足動作條件，所以復(fù)歸;而故障電流持續(xù)，電流越限并未恢復(fù)，繼續(xù)保持向?qū)?cè)輸出相選跳啟動信號。與此同時，101B 開關(guān)發(fā)送的相選跳啟動信號復(fù)歸，滿足相選跳保護(hù)啟動邏輯，故322快關(guān)啟動第2 次相選跳保護(hù);啟動延時15 ms(小于設(shè)定的T=20 ms)后，322 開關(guān)自身電流越限恢復(fù)，即322 開關(guān)、101B 開關(guān)均無過電流，故終止相選跳保護(hù)動作。

以上整個保護(hù)啟動及動作過程均符合設(shè)定動作邏輯。經(jīng)檢查其他回路不存在故障后，考慮圖4 錄波波形為典型變壓器勵磁涌流波形，綜合現(xiàn)場保護(hù)定值設(shè)置情況分析，確定事故原因?yàn)閮蓚?cè)選跳保護(hù)過流啟動定值不匹配。在主變電站進(jìn)行切換操作，站內(nèi)多臺變壓器同時啟動時，變壓器勵磁涌流達(dá)到過流啟動定值，勵磁涌流持續(xù)時間超過保護(hù)延時T，從而造成兩側(cè)相選跳保護(hù)動作。

3.3 優(yōu)化建議

1)數(shù)字通信選跳保護(hù)對啟動定值匹配度的要求較高，存在邏輯判斷的保護(hù)裝置之間必須使用同一啟動定值。在保證靈敏性及可靠性的前提下，同一供電分區(qū)甚至同一線網(wǎng)最好使用同一選跳保護(hù)啟動定值。

圖4 故障錄波典型波形實(shí)景圖

2)設(shè)計有差動保護(hù)與選跳保護(hù)配合使用的系統(tǒng)，可適度延長選跳保護(hù)動作延時。

3)當(dāng)電流信號采集回路發(fā)生故障，投切變壓器時，勵磁涌流極有可能造成選跳保護(hù)誤動作。

4)可利用GPS(全球定位系統(tǒng))數(shù)字時鐘對時系統(tǒng)以進(jìn)一步提高對時精度，這對于分析事故過程尤為重要。

4 結(jié)語

數(shù)字通信過電流保護(hù)在地鐵中壓大環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)中具有其特殊的優(yōu)越性，可實(shí)現(xiàn)與差動保護(hù)相類似的效果，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)過電流保護(hù)選擇性和速動性之間的矛盾，是大環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)保護(hù)的發(fā)展方向。但在裝置間的通信方式、定值配置及與其他保護(hù)配合使用、保護(hù)延時及裝置對時等方面，仍有進(jìn)一步優(yōu)化的必要。

［1］高云霞，王立天.地鐵供電系統(tǒng)電流選跳保護(hù)及方案優(yōu)化［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2011(4):1.

［2］張江.地鐵中壓供電系統(tǒng)選跳保護(hù)原理及試驗(yàn)方法［J］.電氣化鐵道，2008(4):43.