史 丹

0 引言

目前国内大多数城市地铁采用集中供电方式，新建110/35 kV主变电所，35 kV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]：（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[2]，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110/35 kV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 Ω，线路正负序单位阻抗取(0.061 8 + j0.117 4) Ω/km，零序阻抗为(0.956 1 + j0.767 5) Ω/km[3]，最长的一个供电分区内线路长度为8 km。

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[4～6]。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：3Ic= 119 A，Iop≥Kk×3Ic= 178.5 A。

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[7]。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 kV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。

3 典型事故案例分析

某市一地铁线路在运营调试期间发生一起400 V母线槽接地故障引起的跳闸事故。该线路局部供电系统如图3所示（省略部分变电所）。

图3 某地铁线路局部供电系统

3.1 事故过程

该地铁线路在运营调试期间，主变电所2尚未具备供电条件，因此变电所B的联络开关102A和102B为合闸状态，由主变电所1为全线负荷供电。事故发生当晚，由于需对主变电所1的Ⅰ段和Ⅱ段35 kV线路分别进行停电检修作业，为了保证线路上负荷不失电，对线路进行了倒闸操作。事故发生前，主变电所1的35 kV Ⅰ段母线停电，Ⅱ段母线带电，变电所A的101B和103开关在合闸状态。事故发生过程中，倒闸操作如表1所示（部分操作缺少时间记录）。

表1 倒闸操作记录

大约在1：28时，变电所C和D的Ⅱ段失电，低压400 V侧由于Ⅱ段进线失压跳闸，备自投自动投入，由 400 V Ⅰ段电源为所有低压负荷供电。在该过程中，变电所D的Ⅰ段配电变压器与400 V进线开关柜之间的母线槽发生接地短路故障，产生大量烟雾，但变电所D的104A并未动作，而是变电所C的122 A零序保护出口跳闸。

3.2 事故原因分析

变电所D的104A和变电所C的122A保护装置故障前后部分报文如表2和表3所示。IA，IB，IC和VAB，VBC，VCA分别为由电流互感器和电压互感器采集到的一次侧相电流和线电压，Ig为由保护装置计算得到的零序电流。104A作为变压器保护开关，设置速断保护、过电流保护、过负荷保护以及零序电流保护。速断电流整定一次值为 400 A，过电流保护整定一次值为150 A，过负荷保护整定一次值为 30 A，过负荷报警不跳闸，零序过电流保护整定一次值为100 A。

表2 变电所D的104A保护开关报文记录

表3 变电所C的122A保护装置报文记录

表2和表3记录时间均为各自保护装置事件记录时间，由于在调试阶段，尚未完成设备统一对时，因此不同保护装置的时间记录存在时间误差。

从表2中可知，约在01：28：29，Ⅱ段失电，400 V备自投合闸后，出现过电流，A相和C相电流为32 A，B相电流1 A，接近为0。配电变压器采用DYn11接线型式，利用对称分量法分析可知，当低压侧发生C相接地短路时，高压侧B相电流为0，A相电流和C相电流值相等[8，9]，因此可以判定，在故障初期，低压侧母线槽 C相发生接地故障。随后，故障发展成两相、三相接地，短路电流也逐渐增大，01：28：29：552时检测到C相电流超过整定值150 A，过电流保护跳闸延时设定为0.5 s，故障电流未达到时间定值时，变电所 C的122A先触发保护跳闸，因此本所 104A未动作。在此期间，104A高压侧计算的零序过电流Ig一直为0。

事故后对故障母线槽进行拆解查看，发现最外侧裸铜PE地排与紧邻C相绝缘铜排电击穿点周边存在母线绝缘层挤压迹象，铜排从外侧向内分别为E、C、B、A、N相依次排列，受损程度依次减轻。

从表3中可知，约在 01：28：29，变电所 C的122A出现三相不平衡电流，导致零序电流超过整定值100 A，此时由于出线101A和102A均未检测到过流，因此保护装置判定为母线故障，闭锁出线开关动作，母线保护延时为0.1 s，达到延时后，保护出口跳闸。

由于配电变压器采用DYn11接线型式，变电所 D的配电变压器低压侧发生单相接地短路时，在高压侧不会产生零序电流。在事故过后，断开变电所D的104A断路器，对变电所D的122A重新送电合闸时，122A再次产生较大的零序电流，但持续时间未超过0.1 s，没有引起故障跳闸。因此可以判定，变电所C的122A故障跳闸和变电所D的母线槽单相接地短路故障相互之间没有必然联系。由于事故发生时收集到的信息较少，无法判断122A冲击电流和零序电流产生的具体原因。

3.3 电流整定值分析

由上述事故分析可知，对于变压器低压侧至400 V进线柜之间的这段线路，当发生单相对地短路时，高压侧断路器设置的零序保护无法检测。因此，高压侧104A过电流保护的保护范围应一直延续到400 V进线开关的上口，同时还需要考虑对单相接地故障的灵敏度。

上述案例中，变电所D的配电变压器和400 V开关柜分层布置，中间通过母线槽连接，母线槽长度接近20 m。高压侧短路容量按300 MV·A考虑，配电变压器容量为1 250 kV·A，变压器阻抗电压百分比为6%。通过计算或查图集可得，在母线槽末端发生单相对地短路时，短路电流约为23 kA，折算到高压侧约为228 A。104 A断路器过流整定值为150 A，满足单相对地短路的灵敏度要求。但在事故发生初期，单相对地可能发生的是高电阻接地故障，故障电流小，无法达到整定值。

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。