地铁中压供电系统零序保护整定探讨

赵福兴

济南轨道交通集团第一运营有限公司 山东 济南 250000

摘要：目前国内大多数城市地铁采用集中供电方式，新建110/35 k V主变电所，35 k V侧一般为小电阻接地系统，35 kV中压网络采用双环网连接。针对线路上发生的单相接地短路，设置纵差保护作为主保护，零序过电流保护作为后备保护。针对变电所内变压器馈线回路发生单相接地短路，设置零序过电流保护。近年来随着信息技术的发展，部分地铁线路通过配置数字通信过电流保护判断故障区域，满足保护选择性。

关键词：地铁；中压供电；整定

关于零序保护的整定值，目前设计单位整定原则并不一致，整定方法模糊不清，主要采用“经验值”，给供电系统的安全稳定运行带来一定隐患。本文首先建立地铁环网供电系统单相接地短路等效电路模型，理论分析零序电流保护的整定计算；通过某地铁线路一次倒闸操作过程中发生的单相接地故障分析，进一步说明零序保护整定中需要注意的问题，可为设计人员提供一定参考。

1 环网零序保护整定

零序保护的动作电流应满足以下3个条件:(1）应可靠躲过线路的电容电流；（2）满足线路单相接地故障灵敏度要求；（3）与上、下级开关零序电流保护定值配合。

为了满足以上条件，一般零序电流保护定值较低，为了避免误动作，地铁线路上的零序保护仅设置Ⅰ段零序过电流保护。线路上由于采用环网结构，一个供电分区内连接多个变电所，零序电流保护定值无法逐级配合。目前很多城市地铁线路配置数字通信过电流保护，可以判断故障区域，不需要再逐级设置时间级差保证跳闸的选择性。

在正常运行方式下，地铁1个主所通常会为2个供电分区供电，每个分区内有4、5个变电所，如图1所示，A1～A3和B1～B2为每条线路连接的变电所名称，数量仅为示意。

图1 地铁主所供电示意图 

假设在A2变电所出线线路末端发生单相对地短路，系统等值电路如图2所示。由于地铁110/35k V主变压器二次侧一般为三角形接线，是通过接地变压器连接接地电阻构成小电阻系统，在三角形接线中零序电流无法流通至主变压器一次侧，因此零序等值电路中无需考虑系统阻抗。图中，XS为系统阻抗，XT为变压器阻抗，ZL为线路正序阻抗，ZL0为线路零序阻抗，R为系统接地小电阻值，为相电压，分别为短路点正序、负序和零序电压。

图2 单相对地短路时等值电路

正序和负序短路阻抗（变压器和线路负序阻抗与正序相同）：

 

零序阻抗：

 

单相对地短路电流：

 

以某市一地铁线路实际参数为例，取基准容量Sb为100 MV·A，基准电压Ub为37 kV，最小运行方式下，系统短路容量S按1 000 MV·A考虑，主变压器容量ST为40 MV·A，电压百分比ukn取12.5%，接地电阻额定电流1 000 A，电阻20，线路正负序单位阻抗取(0.061 8+j0.117 4)/km，零序阻抗为(0.956 1+j0.767 5)/km，最长的一个供电分区内线路长度为8 km。

根据以上条件计算得到：

将以上计算数据代入式（3）得短路电流标幺值：，换算成有名值后得故障电流If=833 A。

其中，X*s为系统短路阻抗标幺值；X*T为主变压器短路阻抗标幺值；R*为接地电阻标幺值；为线路正序和负序阻抗标幺值；为线路零序阻抗标幺值；为单相对地短路时正序短路阻抗标幺值；为单相对地短路时负序短路阻抗标幺值；为单相对地短路时零序短路阻抗标幺值；为相电压标幺值；为短路电流标幺值。

由以上计算可知，单相对地短路电流值受接地电阻值影响较大，受线路长度的影响较小。地铁线路在应急支援供电方式下，即1座主变电所给全线负荷供电时，支援线路长度长，零序保护整定应按照应急支援方式下可能的最长线路进行核算，灵敏度系数Ksen取2。针对该工程，最长线路近25 km，同理计算可得单相接地短路电流为631 A。则零序保护动作值：。

同时，零序保护动作值还应躲过线路电容电流，可靠系数Kk取1.5。当线路A发生单相对地短路故障时，非故障线路流过电缆电容对地电流，在非故障线路首端的零序电流为正常运行时电缆电容电流的3倍。同样需要按照应急支援供电方式下最长电缆线路考虑，利用式（4）进行计算：

 

其中：Un为线路电压；fn为线路频率；C为每公里的电容值，电缆线路可取250 nF/km;l为线路长度。

当线路长度为25 km时，代入式（4）可得：

 

此外，还需考虑当发生非金属性单相对地短路，短路电流较小时的灵敏度，线路末端的零序电流保护整定值不宜过大，一般取0.2～0.3倍额定接地电流。因此，针对该地铁线路，选取零序保护动作值180 A为合适的。

综上所述，针对地铁供电系统线路上的零序保护整定，当采用数字电流保护时，全线路零序保护动作电流值可采用统一值，但需要根据应急支援运行方式下最长线路进行计算校验。当未采用数字电流保护时，则需要根据每段线路长度分别计算，且在不同运行方式下需设定不同的定值。

2 馈线零序保护整定

2.1 变压器高压侧发生单相对地短路

地铁供电系统中每座变电所35 k V母线连接变压器高压侧均为三角形接线，低压侧的零序电流无法流通至高压侧，因此在35 kV变压器馈线上设置的零序过流保护仅能保护到变压器高压侧。一般情况下，35 kV母线至变压器这段电缆长度不超过30 m，在整定值上无法与线路环网零序定值完全区分，可利用数字过电流保护判定故障区域或通过时间级差予以区分。

2.2 变压器低压侧发生单相对地短路

当变压器低压侧发生单相对地短路时，以配电变压器为例，当配电变压器与400 V开关柜分层布置，中间通过母线槽连接时，当母线槽发生单相对地短路，35 kV馈线保护装置无法检测到零序电流，此时只能依靠35 kV馈线过电流保护。因此，在进行35 kV馈线过电流保护整定时，需要对变压器低压侧发生单相对地短路时的短路电流进行校验。

4 结论

本文全面分析了地铁供电系统零序保护的整定计算方法。针对环网线路的零序保护，在考虑不同运行方式下，可以按照最长线路工况下的单相短路电流进行整定，在保证躲过电缆电容电流的情况下，使得整定电流尽量小，以保证在发生高电阻单相接地短路时的灵敏性要求。针对变压器馈线回路设定的零序保护，无法保护变压器低压侧的接地故障，而应采用过流保护作为变压器低压侧单相接地故障的主保护。通常配电变压器馈线回路过电流的整定由于需要考虑与下级AC 400 V进线开关短路短延时的保护配合，过流定值设置偏大，当变压器低压侧出线回路距离较长时，尤其需要校验线路末端发生单相对地短路时变压器馈线过电流保护的灵敏度。如果灵敏度无法满足要求，则需要考虑其他附加措施，例如在变压器低压侧的线路上单独设置零序电流互感器。同时在设计过程中也应尽量将变压器与下级进线开关柜就近设置，避免出现较长的连接电缆或母线槽，从而减小事故发生机率。

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