地铁供电系统零序保护问题探讨

摘要：文章首先简要介绍了地铁供电系统中性点接地方式及零序电流保护的工作原理，探讨了零序保护设计中存在的一些问题，提出改善变压器零序保护的措施，并应用实例进行分析，从而为地铁供电系统零序保护的研究积累了经验。

关键词：地铁供电系统；中性点接地；零序保护；电流传感器；电流互感器

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）01-0077-03

对于地铁来说，地铁供电系统是其全部动力的来源，它的主要作用是为地铁车辆的行驶提供电力牵引。如果在地铁的行驶过程中，供电系统出现故障，不仅会影响地铁的正常运营，还有可能威胁到乘客的生命安全。所以，在地铁运营时，必须采取必要的措施保证供电系统合理利用，从而使地铁的安全可靠运行得到保障。本文主要对地铁供电系统零序保护出现的问题和应对措施进行探讨。

1地铁供电系统中性点接地方式及变压器零序保护的工作原理

1.1地铁供电系统的重要性

采用独立的主变电所向沿线和降压变电所牵引供电，是目前我国地铁供电系统的主要方式。由于电压等级和电网制式不同，这就致使中性点接地方式也不尽相同，目前，我国电力系统中中性点接地方式主要有以下几种：如果出现单相接地短路，一般会采用零序电压保护和检测的三相三线制电网（6～10kV）；电网发生故障时，调节和调整连接方式的三相三线制电网（35～66kV）；相关故障容易被继电保护设备检测出的三相三线制电网（110～154kV）；三相三线制电网（220kV及以上）。

1.2中性点接地方式及零序电流保护的工作原理

1.2.1中性点接地方式。我国目前地铁供电系统中普遍采用的接地方式是中性点直接接地，中性点直接接地的特征是电压值为零且大地与中性点直接相连，电压相对地电压值在不出现任何故障的情况下是不变的，但是若出现故障，单相保护会立即启动起来，与此同时，断路器也会发生跳闸，故障得以排除。

1.2.2零序电流保护的工作原理。在电力系统正常工作的情况下，零序电流不会在中性点直接接地时产生，但是，零序电流会在中性点接地短路时产生很大的电流。

为了符合系统保护的需求，零序电流可以分为以下四个阶段：零序电流速断保护阶段，在非全相运动状态下，单相故障切除后电流产生闭锁现象，保护的范围在动作电流小时反而较大；零序电流限时速断保护阶段，零序电流限时速断保护阶段的起动电流需要配合下一段线路的零序电流速断保护阶段进行保护；零序过电流保护阶段，这一阶段的主要作用是保护相间短路过电流，零序过电流保护阶段一般作为后备来使用；方向性零序电流保护阶段，零序电流的实际流向是故障点流向各个中性点接地的变压器，所以，在电网中的变压器接地较多的情况下，必须考虑零序电流保护动作的方向性。

2地铁供电系统零序保护存在的问题与改进措施

2.1零序保护存在的问题

在目前我国地铁供电系统零序保护中存在着以下两个方面的问题：变压器中性点在中性点有效接地系统中，对地偏移电压被限制在一定的范围内，中性点间隙保护的作用得不到发挥，这样会造成间隙放电及保护存在一定程度的偶然性，并且由于间隙击穿过程中谐波的产生，也不利于变压器匝间绝缘；对于保护变压器中性点绝缘来说，在没有零序过电压保护的情况下只设置间隙电流保护是不够的，放电电流在间歇性击穿时出现中断，间隙电流保护的作用得不到实现，中性点不接地，变压器将无法脱离故障电网。

2.2零序保护改进措施

针对我国地铁供电系统零序保护中存在的问题，提出以下零序保护改进措施：为了确保供电系统为有效接地系统，并保证电源端变压器中性点有效接地，设置变压器中性点间隙电流和零序过电压保护；在设计阶段，对于将来可能带电源或者电源端变压器，应考虑包括母线开三角零序电压保护、中性点间隙电流保护以及中性点零序过电流保护在内的完整的中性点间隙保护；增大原先装设的中性点间隙距离，从而为避免出现中性点间隙抢先放电的情况。

3实例分析

深圳地铁一期工程35kV供电系统采用的电流保护采样元件是电流传感器，此元器件自投运以来共发生5起零序电流保护误动作，从而导致地铁出现大面积停电事故，这5起零序保护动作具有如下共同特点：每次零序保护动作都是故障相电流呈下降趋势，电压变化很小，试送电均能成功；进线故障相电流比对应馈出量总和小；其中一相电流比正常两相电流较小，一般小于10A；此现象具有随意性、短时性、离散性；此故障特征主要表现在传感器电流回路。造成以上的原因主要是：深圳地铁一期工程一号线和四号线33kV开关设备采用ABB的ZX2型号开关柜，电流、电压互感器使用组合传感器采集系统电流、电压信号，保护使用REF542+继电保护装置，由于系统电源的直流分量较大，导致三相的电流不平衡，有时会造成零序保护动作。

深圳地铁续建工程已进行相关改进，电流保护回路不再采用电流传感器，而是采用保护CT，针对此保护误动作制定了3种方案，以下为零序保护整改的3种方案：

方案一：在进线柜或出线柜的电缆侧（电缆层）增加3个穿心式电流互感器代替目前使用的电流传感器；继续使用目前电压传感器但是增加了电流互感器；保护装置更换REF542+模拟量卡，换为4个传感器和4个AT口的模拟量卡；增加了端子排及相关回路的二次布线，现场停电时间为5h/台。优点：能有效解决目前发生的零序保护误动作事件，可靠性较高；缺点：工作量较大，整改周期长。

方案二：采用电压闭锁电流模块的方法（此方案只能在出线柜使用），没有增加电流互感器，使用更改程序的办法进行解决，对程序进行修改，同时需要根据系统单相接地的情况，计算出电压闭锁值的范围，现场需要对该定值进行定值校验，现场停电时间为3h/台。优点：工作量相对较少，容易实施，且能可靠防止出线柜的误动；缺点：工作量较小，整改周期长，对进线柜的可靠性差。

方案三：一次部分保持不动，二次部分更换带电显示器，电压闭锁信号采用带电显示装置的出口信号代替，需要对现场的程序进行修改，增加闭锁信号回路接线和带有电闭锁型的带电显示器，现场停电时间为5h/台。优点：简单、费用少，无需改动一次部分；缺点：工作量较大，整改周期长，可靠性一般。

在深圳地铁会展中心1号线站H22柜于2005年6月5日增加低压闭锁零序电流保护功能方案，此方案运行至今未发生保护误动，对于会展中心1号线站采用如下方案：为了避免因电磁干扰引起零序电流保护误动作，增加低电压闭锁零序电流保护功能，零序电流保护只有在低于整定的闭锁电压值时，其保护出口才能启动；若线电压高于闭锁电压值，实际的零序电流再大也不能有保护出口。

4结语

本文以深圳地铁一期工程35kV供电系统为例，该供电系统采用ABBZX2开关柜和中性点直接接地方式，这种连接方式在非故障相电位变化较小的情况下会产生较大的接地电流，在运行过程中，一旦发生单相接地故障，不能准确有效地保护供电系统。通过上面分析地铁供电系统零序保护存在的问题与改进措施以及深圳地铁会展中心1号线站已试点部分防止零序保护误动作方案的应用，我们可以看到，零序保护能使地铁供电系统的正常运行得到

保证。

参考文献

[1]敖昌平，李勇．110kV变压器中性点保护与零序保护优化配置[J]．南昌航空工业学院学报（自然科学版），2005，19（3）：100-102．

[2]罗伟祺．地铁供电系统零序保护问题探讨[J]．技术与市场，2011，18（10）：57-58．

[3]赵尊华，薛素琴．浅论零序保护在电网中的应用[J]．科技信息，2010，（29）：359、368．

[4]李燕．110kV系统中性点零序保护配置的探讨[J]．甘肃科技，2010，26（16）：108-109．

[5]张默．谈地铁供电系统中的变压器保护及故障解决[J]．企业科技与发展，2010，286（16）：188-189．

[6]杜凌云．城市配网中性点接地方式的选择[J]．湖北电力，2008，32（3）：24-25．

作者简介：郑聃（1985-），男（土家族），重庆酉阳人，供职于深圳市地铁集团有限公司，研究方向：电气工程及其自动化。

（责任编辑：周琼）q