城市軌道交通中壓環網大分區供電保護方案比選

王 蛟 楊靈芝

（中交機電工程局有限公司技術中心，430063，武漢∥第一作者，高級工程師）

目前，我國城市軌道交通供電系統普遍采用雙環網接線的中壓網絡供電方案。其根據分區內變電所的數量可劃分為小分區供電方案和大分區供電方案。通常小分區供電方案的每個分區內設置3～4個變電所，且供電區間敷設的電纜較多，因此現已逐步采用大分區供電方案。大分區供電方案中1個分區通常設置6個及以上變電所［1］。環網供電保護配置方案與供電系統的電壓等級、電網結構方式以及供電系統的運行方式等有關，且應滿足可靠性、選擇性、靈敏性及速動性4項基本要求。

1 大分區供電保護方案對比分析

城市軌道交通中繼電保護與自動裝置的配置方案與供電系統的電壓等級、電網結構方式、供電系統的運行方式、系統接地方式及供電系統故障水平等有關［2］，當供電系統發生故障時，應盡快切除故障、縮減故障范圍并快速恢復供電系統。

城市軌道交通中壓網絡結構備用關系復雜，在實際運行中運行方式多種多樣。大分區供電保護在各種運行方式下均應能可靠動作，確保系統安全。

城市軌道交通相鄰變電所的間距較短，35 kV環網各點的線路阻抗相差較小，環網上不同地點的短路電流值相差亦很小［3］。因此，如何實現過流保護的選擇性顯得尤為重要。

目前，城市軌道交通大分區供電保護實際采用的方案有過流時間級差方案、硬線閉鎖方案、近區速動方案、動態加速方案、GOOSE（面向通用對象的變電站事件）網絡方案、電流選跳方案及線路母線全差動方案等。

1.1 過流時間級差方案

過流時間級差方案為原小分區供電保護方案，其在個別大分區接線工程中亦有應用。大分區下的各種供電保護方案均以此為基礎進行改良。

過流時間級差方案的保護裝置配置為：設置差動保護裝置作為35 kV電纜故障的主保護；設置電流保護裝置作為35 kV電纜故障的后備保護，同時將該裝置作為35 kV開關柜故障的保護。

線路差動保護動作快速、運行可靠、原理簡單準確，且無需與其他保護進行配合，保護的選擇性和速動性好。該方案對電纜故障可快速切除。但在大分區接線下對母線故障選擇性難以實現，對出現電纜故障且線路光纖差動保護退出的情況下亦無法達到要求的選擇性，其近端短路動作時限較長。電力系統一般要求主變電所出口開關過電流保護動作時限不得大于1.5 s。而城市軌道交通上下級變電所間如采用時間進行級差配合，需要設置0.3 s的級差，即最多僅能設置4級級差，但4級級差無法滿足大分區供電保護配合要求。此外，該方案對于靠近主變電所端短路電流較大的情況，保護動作時間反而較長，且對設備的影響較大。

1.2 硬線閉鎖方案

硬線閉鎖方案的保護裝置配置與過流時間級差方案相同。該方案通過判斷故障兩側開關（包含進線、出線和母聯）是否同時流過短路電流來判斷出現故障范圍并跳開相應開關。由于其采用硬接線在進線、出線與母聯開關的保護裝置間傳遞過流啟動信號并相互閉鎖，故稱為硬線閉鎖方案。

該方案部分解決了過流時間級差方案的弊端，實現了保護的選擇性，解決了近端短路故障動作時限過長的問題。但其邏輯較為復雜，尤其在構建后備保護方案后邏輯更為復雜。當變電所存在多個出線、電流流向存在多種可能時，方案的復雜性將進一步增加。

該方案采用硬接線傳遞信號，隨著信號傳遞數量的增加，電纜量亦同步遞增，某種程度上增加了設備生產以及施工的難度。

1.3 近區速動方案

近區速動方案的保護裝置配置與過流時間級差方案相同，其主要是在進出線柜裝設差動保護裝置和過電流保護裝置，且通過硬接線在差動保護裝置和過電流保護裝置間傳遞保護動作信號。該方案通過邏輯運算判斷是否為本變電所內發生故障，并斷開相應的開關切除故障。

近區速動方案和硬線閉鎖方案的不同之處在于：近區速動方案引入了差動保護動作信號來參與邏輯判斷，但其本質上仍為硬線閉鎖方案。因此，該方案與硬線閉鎖方案均具備接線多、邏輯復雜以及工程造價低等特點。

1.4 動態加速方案

動態加速方案是對于過流時間級差方案的一種改進方案，其保護裝置配置與過流時間級差方案相同，均為在進出線柜上分別設置1套差動保護裝置和1套過流保護裝置。差動保護裝置作為電纜的主保護，在電纜出現故障時可快速動作并切除故障。過流保護裝置實現了對母線故障的主保護、后備保護以及電纜故障的后備保護。過流保護裝置設置了后備段和加速段兩段過流保護。加速段正常運行時為閉鎖狀態，且其動作時限小于后備段。

在發生電纜故障或母線故障時的保護動作邏輯如下：當電纜出現故障時，在差動保護裝置正常的情況下由差動保護動作快速切除故障；當差動裝置出現故障（含通信故障）時，激活過流保護裝置加速段，由其動作切除故障；當35 kV母線出現故障時，采用35 kV開關內的電弧信號激活本段母線上進出線和母聯過流保護裝置速斷電流段，跳開進出線和母聯，實現選擇性。

該方案的邏輯及接線較簡單，方案中所有保護動作的判據不依賴其他車站的信號，其獨立性強、工程造價低、便于調試及維護。

1.5GOOSE網絡方案

GOOSE網絡方案是過流時間級差方案的一種改良方案，其保護配置和過流時間級差方案相同。該方案在變電所內和變電所間的過流保護裝置間設置冗余GOOSE通信網，各過流保護裝置以此來實現故障信息的傳遞，從而更好地判別故障位置。得到故障的位置信息后，各過流保護裝置通過設置動態的動作時限（動作時限由故障點至電源方向逐步提高），從而實現過流保護的選擇性和多重后備。

該方案很好地解決了過流保護的選擇性問題，并實現了多重后備，其在保護裝置和通信網絡完全正常的前提下，可實現過流保護的選擇性。但該方案過流保護的選擇性通過通信網絡實現，其調試及校驗較不方便，且城市軌道交通的電磁環境影響較大。此外，該過流保護方案依賴多個過電流保護裝置協同工作，故可靠性較低、邏輯較為復雜。

1.6 電流選跳方案

電流選跳方案同樣也是對過流時間級差方案的一種改良，類似于GOOSE網絡方案。該方案通過電流保護裝置之間的通信判斷故障位置，從而實現保護的選擇性和后備保護。其與GOOSE網絡方案的區別是：該方案通過保護裝置直接通信實現過流保護的選擇性，而GOOSE網絡方案則采用組建通信網絡實現。

該方案的特點和GOOSE網絡方案基本相同，由于其過流保護裝置之間直接通信，減少了網絡設備，故工程造價和實施難度相對較低。

1.7 線路母線全差動方案

線路母線全差動方案為在過流時間級差方案的基礎上增設了母線差動保護，通過增設的母線差動保護完善母線故障主備保護以及電纜故障的后備保護的選擇性問題。

該方案對于線路和母線故障均構建了2套保護，2套保護采用不同原理且相互獨立。第一套保護為線路差動保護和母線差動保護，由線路差動保護裝置和母線差動保護裝置實現；第二套保護為進線柜、出線柜和母聯柜上裝設的過流保護裝置構成的光纖比選過電流保護。2套保護方案原理不同，但形成了良好的冗余關系。

該方案采用了2套不同原理、不同子產品系列的保護，某種程度上增加了保護的獨立性和可靠性。在1套保護出現故障的情況下，另外1套保護仍然可快速動作，不需考慮復雜的備用關系和后備邏輯，因此其邏輯較為簡單。但由于該方案增設了母線差動保護裝置，需增加一定的工程投資，但隨著母線差動保護裝置在各行業的大量應用，使得目前母線差動保護裝置的性價比得以提高。

1.8 方案對比

城市軌道交通大分區供電保護各方案的性能對比如表1所示。

表1 城市軌道交通大分區供電保護各方案的性能特點

2 結語

對城市軌道交通中壓環網大分區供電保護的各種方案（包括過流時間級差方案、硬線閉鎖方案、近區速動方案、動態加速方案、GOOSE網絡方案、電流選跳方案以及線路母線全差動方案）進行了分析，并對各方案的可靠性、選擇性、靈敏性和速動性等性能進行了對比。方案各具特點，且在具體項目中亦在不斷完善和改進。在實際工程中，應根據各方案的特點，結合工程實際情況，合理采用最適合的方案，以保證城市軌道交通供電系統的正常運行。

［1］ 于松偉，楊興山.城市軌道交通供電系統設計原理與應用［M］.成都：西南交通大學出版社，2008.

［2］ 鮑鳴.一種35 kV大分區供電保護方案在地鐵中的應用分析［J］.現代城市軌道交通，2013（4）：19.

［3］ 王蛟.武漢4號線中壓系統保護及運行方式研究［D］.成都：西南交通大學，2015.