德黑兰地铁纵联差动保护问题分析及对策

德黑兰地铁纵联差动保护问题分析及对策

张志成，屈明

中铁电气化局设计研究院检测试验中心 北京 100 16 6

摘 要：结合德黑兰地铁B3主所和AZADEGAN供电站的线路纵联电流差动保护的调试，简述了纵联差动保护的基本原理和校验方法，分析出了两站差动极性不匹配以及设计定值不合理的问题，并给出解决方案。

关键词：地铁；线路差动保护；定值计算

0 引言

城市电网给城市轨道交通的供电方式主要有两种：集中供电和分散供电。不管是哪种供电方式都是城市电网接入轨道交通线路的某一个或者几个站点，然后通过环网电缆连接线路其余站点。这样线路上各站点间的纵联差动保护具有至关重要的地位。一旦纵联差动配置不匹配，就会出现误动作而导致至少一个区间停电，如果发生在主所与线路的首站之间甚至会导致全线停电，严重影响到城市的交通。

1 线路电流差动保护基本原理

线路纵联保护是利用某种通信通道将线路两侧的电流纵向联系起来，将线路一侧的电流信息传到另一侧去，将两侧电流同时比较形成的保护。德黑兰地铁B3主所和AZADEGAN供电站的线路纵联电流差动保护是基于施耐德P521保护继电器实现的。

P521的主要保护元件是电流差动保护。该保护装置利用一个64 kbits/s的数字通讯系统，将两端通过直接光纤连接来实现对侧的电流监测，从而实时计算流进和流出保护区电流的差值。当差值超过设定限值时，保护动作。 由于CT饱和，在外部故障条件下也可能产生差动电流，为了在穿越性故障条件下保持稳定，保护装置不会误动作，P521采用了一种比率制动技术。该技术有效地依据穿越性故障电流的比例提升保护装置的定值，以避免误动。

2 比率电流差动的动作特性

比率电流差动保护的特性曲线如图

图1 比率电流差动保护特性曲线

Is₁：最小启动水平的基本差流定值。

K1：当制动电流低于Is₂时的低制动斜率整定值。这个斜率在CT轻微不匹配时可保持稳定性，同时确保在重负荷条件下有良好的灵敏度。

Is₂：制动电流门槛值，制动电流高于这个值的时候K2被采用。

K2：高制动斜率设定值，用于在严重的穿越性故障时提高稳定性。

曲线上方是保护动作区则跳闸判据表述如下：

1.当|Ibias| ＜ Is₂时，

|Idiff| ＞ K1 |Ibias|+Is₁

2. 当|Ibias|＞ Is₂时，

|Idiff|＞ K2|Ibias|﹣(K2﹣K1)Is₂＋Is₁

当差动元件发出一个跳闸信号时，除了跳本地断路器外，保护装置还会给远端的继电器发一个差动联跳信号。这样可以保证即使在边缘故障的情况下，被保护线路两侧的断路器也能同时跳闸。

3 差动保护调试中的问题

图2是B3主所和AZADEGAN供电站的电流差动原理示意图。

图2 电流差动保护原理示意图

为了方便计算把B3站这一侧定义为a侧，将AZADEGAN定义为b侧，根据P521说明书保护装置差动电流和制动电流的计算公式分别为：

查阅图纸和设计资料见表1

表1 两侧流互参数和定值表

由于两侧电流互感器的变比不一样，为确保保护准确动作，使差动元件在负荷与穿越故障电流条件下保持平衡，因此提供一个比率校正系数即表中的Ka，Kb。式中In,a和In,b是CT的一次额定电流值，I_FL是设计给定的线路最大负荷电流值。

3.1 CTa和CTb极性不匹配

将a侧的电流互感器通过母线接地，另一侧利用大电流发生器在电缆侧分别施加A、B、C单相对地电流，表2记录a侧的保护装置各项电流值。

表2 a侧保护装置各项电流记录表（1）

由记录表看出差动电流值大于制动电流值，可以初步判断两侧CT的极性匹配存在问题。以C相为例进行数据计算。对侧施加的一次电流为14A，则a侧差流一次值I_Diff为：

考虑到一次电流的波动，保护装置的采样精度，计算值与记录值可以认为近似相等。通过数据的计算可以确定Ia和Ib两个向量相互并未抵消为零，而是同相叠加成二倍的关系。

3.2 设计定值不合理

校验比率差动动作曲线是同样重要的调试步骤。主要包括校验动作跳闸的启动值以及选取合适的测试点确定斜率K1和K2是否与设计定值一致。

首先根据a侧定值和动作曲线计算启动电流。设启动值下的制动电流和差动电流的坐标为(Ibias,Idiff)只在CTa二次侧加单相电流Ia＇则有:

然而在调试过程中缓缓增加电流值当电流值达到0.62A时保护动作。与计算值相差很大，初步判断为设计定值不合适。

4 问题分析与解决方案

针对两侧CT极性不匹配的问题，建议更改流互二次绕组与保护装置接线方式。表3是将CTb二次绕组S₁，S₃引出线对调后重新试验的记录表。

表3 a侧保护装置各项电流记录表（2）

调整接线之后差动电流几乎为零，CT极性不匹配的问题得到解决。

针对a侧启动值远小于设计值的问题，在试验过程中只单侧施加电流，则保护装置的差流是：

因为0.899A<1.471A理论上并不符合a侧保护装置特性曲线，然而a侧差动保护动作，判断可能是对侧的保护动作而联跳了本侧，因此按照a侧方法计算b侧特性曲线的启动差流值。

由此可以判断出a侧保护动作是b侧联跳所致。进一步试验发现设计给的两组定值实际上在任何情况下都是启动值低的那一侧先动作，另一侧的启动值形同虚设。设计方考虑到虑到了两侧CT变比不同，给出了不同的启动值，然而设计忽略了两侧P521保护装置计算差流时已经考虑CT平衡系数，因此两侧的保护设定值应该一致。为了解决这个问题需要重新计算设定值。

5 定值计算与校验

P521保护说明书写到所有四组定值都是可调的，定值的灵活性使得继电器特性能适应独特的灵敏度和CT要求。推荐固定以下3个定值：

Is₂ = 2.0In K1 = 30% K2 = 150%

只需要用户决定Is₁的整定。尽管CT校正系数能减轻线路各端电流互感器不匹配的情况，Is₁的整定仍应超过CT不匹配所产生的差流值，电容充电电流的影响也是决定Is₁整定的重要因素。Is₁定值必须整定为超过2.5倍的稳态线路充电电流值。

图3 线路充电电流计算示意图

根据图中高压电缆的相关参数，先计算出高压电缆的容抗，然后根据公式计算出单相电缆的稳态线路充电电流。将线路充电电流定义为I_ch。

则Is₁的整定值分别为

P521保护继电器的差动保护定值设置模块中只能以0.05In的步长来设置。根据计算修改后定值见表4。

表4 修改后设计定值表

按照上述标定值对保护装置重新校验。在调试过程中保护没有再出现误动作现象试验数据见表5。

表5 试验数据记录表

由以上数据可以看到两侧启动值的差动电流为1.471A，然后选取拐点电流和线上任意一点来校验动作特性，并且验证曲线的斜率。选取的点所确定的斜率与设定值提供的数值完全一致。故设定值正确，问题得到解决。

6 结 语

通过对两站之间的电流差动保护出现的问题的分析，再一次验证了一次加流和二次继保校验相结合是调试差动保护的有效地方法。尤其是对于两侧互感器变比不一致的情况下更加需要仔细分析，不同的保护厂家差动保护计算的方法可能不同，遇到问题后需要先了解清楚保护装置的计算方法，再综合进行判断。只有这样才能真正消除差动保护的缺陷与隐患，在交接试验中提高变电所送电成功率，在正式运营过程中保证其可靠运行。

参考文献

1. 贺威俊，高仕兵,等。轨道交通牵引供变电技术[M]．成都：西南交通大学出版社，2011：132-133．

2. 刘朝晖.不平衡电流对纵联差动保护影响的分析[J].电气化铁道,2015(6): 32-35.

3. 王维俭，张学深. 电气主设备纵差保护的进展[J]. 继电器，2000,（5）:6-8.

4. 王宏杰. 差动保护电流互感器二次接线方式的探讨[J]. 电气化铁道2002,（4）:15-17.

作者简介：张志成,中铁电气化局设计研究院检测试验中心，助理工程师；屈明，高级工程师。

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