城市軌道交通工程中壓供電網絡保護方案優化

陳建君，周才發

0 引言

城市軌道交通工程供電系統是城市軌道交通的動力之源，為車輛、車站和沿線用電設備提供電源，供電系統一旦送電，繼電保護就必須保證其安全可靠地運行，否則將給城市軌道交通的運行埋下嚴重的事故隱患，危及生命財產安全和社會穩定。目前，國內城市軌道交通工程供電系統多采用集中供電方式，中壓供電網絡采用雙環網分區供電。

1 傳統環網保護配置方案

城市軌道交通工程中壓供電網絡的傳統保護配置方案通常采用光纖縱差保護作為主保護，定時限過電流保護和零序電流保護作為后備保護。該方案便于理解，保護的選擇性邏輯非常清晰，具有后備保護的多重（級）性，保護的獨立性強。

但是，該方案的過電流后備保護，主要是依靠上下級繼電保護來整定電流和時間的級差，以實現選擇性，因此，故障點越靠近電源側，保護動作時間越慢。而且，針對不同的運行方式，保護整定值必須進行相應的切換，這給運營調度帶來了不便。由于城市電力調度部門提供的主變電所35 kV 側母線的過電流時間定值通常較短，因此，該方案僅適用于小分區中壓供電環網系統，在大分區供電環網系統或主變電所支援越區供電時，后備過電流保護裝置的動作無法保證選擇性。

作為面向公眾的城市軌道交通工程，對供電系統繼電保護的可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求是不斷提高的，因此，對中壓供電環網傳統的過電流后備保護進行優化顯得十分必要。筆者在此提出一套過電流后備保護優化方案，并對其原理和工作過程進行分析，供中壓供電網絡繼電保護設計時參考。

2 優化方案

城市軌道交通工程供電系統中壓供電網絡優化后的保護配置方案采用光纖縱差保護作為主保護，定時限過電流保護（帶后加速）和零序電流保護作為后備保護。下面將以各故障點為例，對優化方案的原理和工作過程進行分析。鑒于城市軌道交通工程供電系統中壓供電網絡接地故障的零序電流不會反映到主變電所的高壓側，因此，零序電流保護不受整定時間級差的限制，優化方案中的零序電流保護與傳統方案中的零序電流保護一致，下面的分析將不涉及零序電流保護。

圖1 為城市軌道交通工程供電系統中壓供電網絡過電流后備保護優化方案原理圖，考慮各級保護時間配合級差為0.3 s。中壓供電環網過電流后備保護的時間定值為0.9 s，光纖縱差保護裝置故障退出時觸發過電流后加速保護時間定值為0.6 s，考慮母線故障時邏輯判斷所需時間為0.2 s（相當于母線故障時，進線過電流保護的時間定值為0.2 s），母線限時速斷保護時間定值為0.4 s，饋線速斷保護的時間定值為0 s，饋線過電流保護時間定值為0.3 s。

圖1 過電流后備保護優化方案原理圖

針對城市軌道交通工程采用集中供電方式、中壓供電網絡為雙環網分區的交流供電系統的特點，與環網保護配置相關的故障可以概括為環網電纜故障、母線故障、饋線電纜故障。

2.1 環網電纜故障

如圖1 所示，當SS2站的開關R3與SS3站的開關R4之間的環網電纜F1點故障時，正常情況下，開關R3與開關R4上的光纖縱差保護裝置0 s 啟動跳閘；如果光纖縱差保護裝置故障，開關R4的后加速過電流后備保護裝置延時0.6 s 啟動跳閘；如果開關R4拒動，則通過拒動保護裝置啟動上一級進線開關R5。

此時，如果由于某種原因，導致光纖縱差保護裝置故障，且又沒有啟動后加速過電流保護裝置，環網開關上配置的過電流保護裝置延時0.9 s 啟動跳閘，則跳閘失去選擇性，該情況已經是多重故障，實際運營中發生的概率極低，可以沒有選擇性。其他任何區間，環網電纜上的故障分析與之相同。

2.2 母線故障

由于后加速過電流保護裝置是通過光纖縱差保護裝置故障退出時觸發的，因此，在母線故障時，后加速過電流保護裝置失去作用，只能通過環網開關上配置的過電流保護裝置延時0.9 s 啟動跳閘，跳閘失去選擇性，不能滿足繼電保護裝置的選擇性要求。對此，筆者考慮通過饋線、母聯分段和出線電流保護啟動閉鎖進線電流保護的方法，實現母線故障的選擇性和速動性。

通過對圖1 分析可知，當SS2站的母線F2點故障時，出線開關R2無過流，進線開關R3有過流，母聯分段開關無過流（因母聯分段開關正常情況下是分斷的），饋線開關R1無過流。由此，可以得出母線故障保護裝置的動作邏輯如圖2 所示。

圖2 母線保護動作邏輯圖（一）

由于任何情況下城市軌道交通工程中壓供電環網都以單環網、單電源方式運行，也就是說在任何運行方式下，供電環網上的每座變電所的任意一段母線上，只能有一個進線，其他均為出線，考慮在主變電所支援越區供電的情況下，有些變電所進出線會發生改變，母線故障保護的動作邏輯可以簡化如圖3 所示。

圖3 母線保護動作邏輯圖（二）

當母線發生故障時，通過以上邏輯判斷，延時0.2 s 后，進線開關過電流保護裝置啟動跳閘。

當變電所一個進線電源解列、母聯分段開關閉合時，進線電源解列所在的母線發生故障，此時，通過邏輯判斷的母線故障保護裝置將失去作用，而母聯分段開關的限時電流速斷保護裝置可以起到保護作用，滿足選擇性的要求。

2.3 饋線電纜故障

如圖1 所示，當SS2站的饋線電纜F3點故障時，正常情況下，由開關R1的電流速斷、過流或零序電流保護裝置動作，若開關R1拒動，則通過拒動保護裝置啟動上一級進線開關R3；若母聯分段開關處于合位，則由母聯分段開關的限時電流速斷或零序電流保護裝置動作，滿足選擇性的要求。

3 方案優點

優化方案優點如下：

（1）與傳統方案過電流后備保護的整定原則一致，不改變過電流后備保護的靈敏性和可靠性。

（2）中壓供電環網過電流后備保護的選擇性不再依賴整定時間的級差，整定時不需要考慮與上下級變電所整定值的配合問題，只需要考慮變電所內部的整定配合。繼電保護不再受供電分區內變電所數量的限制，適用于各種分區供電環網系統。

（3）多座變電所進出線過電流后備保護的整定時間可以相同，因而縮短了過電流后備保護的動作時間，發生故障時可以快速切除故障。

（4）無需整定值切換，一套整定值可以適應各種運行方式，當線路的功率方向發生改變時，也不需要調整整定值。

（5）邏輯判斷簡單，普通廠家的微機保護裝置均能實現，不需要采用特殊的設備。

（6）設備之間的邏輯判斷信號在同一個變電所內，可以通過硬線連接，基本上不增加工程投資。

（7）保護裝置的獨立性較強，無需相鄰變電所的信號配合；在多重故障情況下，均能切除故障，可靠性高。

（8）原理簡單，可靠性高，調試、維護方便。

4 結語

綜上所述，優化方案的接線簡單，可靠性高，保護裝置的選擇性得到了保障，同時提高了過電流后備保護裝置和母線故障保護裝置的速動性，在城市軌道交通工程中有很好的實用性，值得在國內城市軌道交通工程建設中推廣。

[1] GB 50157-2003 地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2] GB/T50062-2008 電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[2] 中鐵二院工程集團有限責任公司.杭州地鐵4 號線一期工程初步設計文件[R].杭州，2013.

[3] 施耐德.施耐德城市軌道交通供電環網繼電保護解決方案[G].杭州，2013.

[4] 黃德勝，張魏.地下鐵道供電[M].北京：中國電力出版社，2009.