地铁35kV供电系统继电保护分析
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深圳市机场（集团）有限公司、深圳市地铁集团有限公司的研究人员闫石、钟素梅，在2019年第12期《电气技术》杂志上撰文，对地铁35kV供电系统中线路保护、变压器保护、母线保护的配置以及整定进行分析。说明地铁35kV供电系统的特点，分析阶段式电流保护应用中存在的问题并提出解决方法。
应配置独立的主变限时电流速断保护以快速切除主变35kV出口故障。主变限时电流速断保护、主变低后备保护、接地变零序电流保护的动作出口应根据系统运行方式的变化进行调整。降压/牵引变电所的35kV母线分段保护应根据运行方式的变化进行投退，与其相配合的保护整定值也应相应地调整。
1 地铁35kV供电系统的特点
地铁35kV供电系统多采用双环网接线，多个35kV变电所链接成1个供电分区，每个供电分区从110kV主变电所引入2路电源。集中供电方式下的35kV供电系统与城市电网相对独立，继电保护配合较少，运行方式调整方便。
但是为避免电磁合环造成事故，35kV供电系统只能开环运行，这意味着35kV供电系统运行大、小方式相同（主变电所解列除外），继电保护整定相对简便。1个供电分区的变电所少则3～5个，平均距离在3km以内，供电半径短、保护级数多，对继电保护的配置及整定造成困难。
图1 35kV双环网供电系统示意
2 线路保护
2.1 瞬时电流速断保护
对于供电半径较短的35kV电缆线路，其短路电流曲线变化平缓，按躲线路末端最大三相短路电流整定的瞬时电流速断保护会没有保护范围。以某地铁35kV供电系统为例，其简化接线如图2所示，相关参数分别见表1、表2。
图2 35kV供电系统简化接线
表1 系统参数
表2 母线短路电流
表3 L和Kf、Kc的关系
2.2 定时限过电流保护
通常配置光纤电流差动保护作为线路的主保护，它能综合反应线路两端的电气量变化，瞬时切除本线路全长范围内的短路，但它不能反应相邻线路上的短路，不能作相邻线路的后备保护。
定时限过电流保护作为本线路的近后备保护及相邻线路的远后备保护，按躲最大负荷电流整定，所以它的灵敏度较高，保护范围大。相应的上下级定时限过电流保护只能依靠时间级差配合实现有选择性地切除故障。
以图2中的B—F变电所的供电分区为例，保护0、1、3、5、7、9、11的定时限过电流保护动作时间应相配合。若保护11保护的元件是整流变压器，就不需要与下一级保护相配合，其定时限过电流保护的动作时间可整定为0.3s。
若保护11保护的元件是动力变压器，就需要与0.4kV进线断路器的短延时过电流保护相配合，通常0.4kV断路器动作切除故障时间约0.1s，则0.4kV分段、进线断路器的短延时过电流保护的动作时间分别整定为0.1s、0.2s，考虑保障动作的可靠性，保护11的定时限过电流保护的动作时间整定为0.4s。
相应的保护0、1、3、5、7、9的定时限过电流保护动作时间分别整定为2.2s、1.9s、1.6s、1.3s、1.0s、0.7s，作为35kV母线主保护及35kV线路远后备保护的保护0切除故障时间大于2s。国家电网公司十八项电网重大反事故措施规定：“当短路电流大于变压器热稳定电流时，变压器保护切除故障的时间不宜大于2s”。
可以通过缩短时间级差来解决保护0动作时间过长的问题。弹簧储能操作机构断路器的分闸时间一般小于60～80ms，采用全波傅氏算法故障检测的保护出口时间在30ms左右，继电器驱动时间一般为5ms左右，考虑一定的时间裕度，时间级差可以设置为200～250ms。
那么保护0、1、3、5、7、9的定时限过电流保护动作时间可分别整定为1.6s、1.4s、1.2s、1.0s、0.8s、0.6s。对于1个供电分区内有有4个变电所的时间级差可整定为0.25s，有3个及以下变电所的时间级差可仍为0.3s。
2.3 延时电流速断保护
光纤电流差动保护易受光纤通道故障的影响而退出运行，此时通过定时限过电流保护切除故障时间较长。有必要配置延时电流速断保护作为光纤电流差动保护退出运行时的主保护快速切除线路故障。延时电流速断保护按运行小方式下对本线路末端故障有灵敏度整定。
若按与相邻元件的速动段（光纤电流差动保护/瞬时电流速断保护）配合，动作时间可整定为0.2s，但对于供电半径短的线路存在误动的问题。对于保护1，延时电流速断保护电流值按式（3）整定为2.205kA，其对于供电分区最末端的F母线故障（2.739kA）有不小于1.2的灵敏度，仍能起到远后备保护的作用。
当C—F母线故障，保护1的延时电流速断保护均会动作，造成停电范围扩大。若按式（3）整定的延时电流速断保护的保护范围超出相邻线路的末端，则必须与相邻线路的延时电流速断保护相配合。
若保护11的瞬时电流速断保护整定为0.934kA，0ms，其上级线路的延时电流速断保护整定值见表4。从表4中可见，保护范围的伸长，必然导致动作时限的升高。
表4 延时电流速断保护整定值
2.4 零序电流保护
从表1、表2可见，由于接地变、接地电阻的零序阻抗比线路的零序阻抗大很多，同一供电分区，各母线单相接地短路电流几乎相同。上下级零序电流保护同样只能依靠时间级差配合实现有选择性地切除故障，整定思路与相间短路保护的整定思路相同，具体可见DL/T 584规程。
3 主变35kV侧保护
3.1 主变低后备保护
为使保护整定简单，35kV可不配置独立的分段保护，由低后备保护（图2中保护0）联跳分段断路器。35kV母线并列运行时，低后备保护第一时限跳分段断路器以缩小故障影响范围。
从2.2节分析可知，第二时限仍有1.8～1.9s，考虑35kV进线断路器拒动的情况，在2s内将主变与故障隔离，动作跳主变两侧断路器。
35kV母线分列运行时，低后备保护跳分段断路器并不能切除故障，所以第一时限跳35kV进线断路器，第二时限跳主变两侧断路器。
3.2 主变限时电流速断保护
从2.3节的分析可知，缩短时间级差后的低后备保护动作时间仍有1.8～1.9s，而主变35kV侧出口短路故障切除时间长，极易导致主变、开关柜损毁。为快速切除故障，增设一套限时电流速断保护作为35kV母线的主保护，此保护与低后备保护的电流取自主变35kV侧不同的电流互感器，且其直流电源与低后备保护的直流电源取自不同的直流母线。
主变限时电流速断保护，按与馈出线的限时电流速断保护配合整定，带两段动作时限，最短1.2s即可动作，动作出口与低后备保护相同。
4 接地变零序电流保护
地铁主变电所的接地变通常是接入35kV母线，其零序电流保护作为接地变单相接地故障的主保护和系统各元件的总后备保护，按DL/T 584规程的要求整定。但其动作出口可按以下原则整定：
1）35kV母线并列运行时，零序电流保护第一时限跳分段断路器，第二时限跳主变两侧断路器及接地变断路器。
2）35kV母线分列运行时，零序电流保护第一时限跳35kV进线断路器，第二时限跳主变两侧断路器及接地变断路器。
如图3所示，考虑接地故障发生在主变35kV引线上（主变差动保护区外），零序电流保护跳开35kV进线、接地变断路器后，故障仍然存在，变成不接地系统的接地故障，主变保护不能在第一时间把故障切除，可能发展成相间故障对主变造成更大冲击，所以零序电流保护跳主变两侧断路器。
图3 主变35kV引线接地故障
5 母线保护
5.1 主变电所35kV母线保护
主变电所35kV母线的故障由主变低后备保护、主变限时电流速断保护、接地变零序电流保护反应。
5.2 降压/牵引变电所35kV母线保护
35kV母线分列运行时，降压/牵引变电所35kV母线的故障由其上级变电所的出线保护反应。35kV母线并列运行时，投入分段保护以缩小故障影响范围。考虑保护配合的困难，分段保护只配置延时电流速断保护，零序电流Ⅰ段保护。
整定值与其上级变电所出线的延时电流速断保护，零序电流Ⅰ段保护的整定值相同即可，但其以上各变电所的延时电流速断保护、零序电流保护的动作时间增加一个时限。
如图2中B母线并列运行，则保护0的延时电流速断保护，保护1的延时电流速断保护、零序电流Ⅰ段保护，接地变零序电流Ⅰ、Ⅱ段保护的动作时间均需调整。从2.3节分析可知，B母线分段保护对F母线故障仍有灵敏度，只能通过升高动作时间实现有选择性地切除故障。
6 结论
1）35kV线路的定时限电流保护采取缩小时间级差的方式，使主变低后备保护的最长动作时间不大于2s。
2）35kV线路无法配置瞬时电流速断保护，应配置延时电流速断保护，在光纤电流差动保护退出时，有选择性地快速切除故障。
3）主变35kV侧配置独立的限时电流速断保护，快速切除主变35kV侧出口故障。
4）主变低后备保护、主变限时电流速断保护、接地变零序电流保护、35kV母线分段保护的动作出口或整定值应根据运行方式的变化而调整以快速切除故障。