環(huán)網(wǎng)過電流保護整定參數(shù)對運營的影響及對策

張開波

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司地下鐵道設(shè)計研究院，四川成都 610031）

0 引言

在國內(nèi)城市軌道交通工程供電系統(tǒng)的設(shè)計中，中壓供電網(wǎng)絡(luò)（10 kV / 20 kV / 33 kV / 35 kV）基本上均采用了分區(qū)環(huán)網(wǎng)方案，多座變電所組成 1 個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)中的 1 座變電所直接從主變電所（或開閉所）的 2 段母線分別引入 1 回電源，其他變電所采用環(huán)接方式接入，開環(huán)方式運行，典型的方案如圖 1 所示。

由于線路大部分位于市區(qū)，站間距較小。分區(qū)環(huán)網(wǎng)采用的保護配置方案，需滿足保護靈敏性、選擇性、速動性、可靠性等方面的要求。上海明珠線 10 kV 及目前部分新建城市軌道交通工程的中壓環(huán)網(wǎng)保護，采用了數(shù)字通信方式的電流選跳或其他后加速電流保護方案。但大多數(shù)城市軌道交通工程的中壓環(huán)網(wǎng)保護方案配置中，考慮到技術(shù)的成熟性和可靠性，一般仍采用光纖縱聯(lián)差動保護作為環(huán)網(wǎng)電纜的主保護，同時采用常規(guī)的過電流保護作為后備保護。

圖1 典型城市軌道交通工程供電系統(tǒng)示意圖

本文對中壓環(huán)網(wǎng)保護中的后備過電流保護整定在實際應(yīng)用中存在的一些問題進行分析，供大家探討。

1 保護配置與運營需求間的關(guān)系

系統(tǒng)設(shè)計是以運營需求為導(dǎo)向的，城市軌道交通最基本的運營需求是：安全、快捷、準(zhǔn)時地將乘客送至目的地。

供電系統(tǒng)的高可靠性是保證運營需求的最基本條件。在保證安全的前提下，不間斷地為城市軌道交通各相關(guān)機電系統(tǒng)提供電源；如果供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應(yīng)在最短時間內(nèi)及時恢復(fù)系統(tǒng)的供電，盡量減少對線路正常運營的影響。

在之前的工程中，對于供電系統(tǒng)本身的安全性和可靠性考慮較多，而對于系統(tǒng)或整個城市軌道交通工程的可用性指標(biāo)考慮較少，而現(xiàn)在的設(shè)計理念是：真正能為用戶帶來價值的是系統(tǒng)的可用性。

可用性A（t）定義為：系統(tǒng)在使用過程中，可以正常使用的時間與總時間之比。它包含了系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、可管理性和可維護性。可用性好意味著給用戶帶來更多的正常使用時間，把故障后的不可用時間降到最低限度。

式（1）中：MTBF為平均無故障工作時間；MTTR為平均修復(fù)時間。

因此，在供電系統(tǒng)的設(shè)計中，不僅需設(shè)置各種保護裝置來保證運行安全，出現(xiàn)故障時能盡快地切除和隔離故障，同時也應(yīng)考慮故障區(qū)隔離后能盡快地恢復(fù)非故障區(qū)的供電，即保護配置及參數(shù)整定應(yīng)能保障正常供電方式下的運行安全，同時也需適應(yīng)各種供電方式的切換需求。

2 過電流保護參數(shù)設(shè)置現(xiàn)狀

在工程應(yīng)用中，較多保護參數(shù)的設(shè)置僅從各供電方式穩(wěn)定運行后進行詳細的計算和考慮，其參數(shù)設(shè)置能滿足各供電方式穩(wěn)定運行后的需求，但沒有深入考慮各種供電方式在切換過程中，各項參數(shù)的設(shè)置是否合理的問題，即沒有結(jié)合整個城市軌道交通工程運營后各種情況下的實際需求進行綜合考慮。

以下以某實際工程為例進行分析，從影響過電流保護裝置參數(shù)設(shè)置的方面考慮，供電系統(tǒng)有以下幾種運行方式。

2.1 供電系統(tǒng)運行方式

以圖 1 為例，供電系統(tǒng)運行分式有以下幾種情況。

（1）方式 A：2 座主變電所正常運行，設(shè)置于華西壩站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開。

（2）方式 B：皂角樹主變電所故障退出，設(shè)置于華西壩站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，由火車南站主變電所向全線 1、2 級負(fù)荷供電。

（3）方式 C：火車南站主變電所故障退出，設(shè)置于華西壩站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，由皂角樹主變電所向全線 1、2 級負(fù)荷供電。

2.2 不同運行方式下的過電流保護參數(shù)設(shè)置

過電流保護參數(shù)的設(shè)置原則為：

（1）動作電流應(yīng)躲過線路的最大過負(fù)荷電流；

（2）動作靈敏系數(shù)≥1.5，按照保護線路末端最小兩相短路電流校驗。

過電流保護的參數(shù)設(shè)置主要有 2 個，一個是動作電流值Id，另一個是動作延時參數(shù)Td。對應(yīng)不同的運行方式，為實現(xiàn)保護動作的選擇性，一般會對應(yīng)不同的參數(shù)。

因此，圖 1 中第 3、第 4 供電分區(qū)作為主變電所之間的聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，對應(yīng)供電運行方式 A、B、C 分別有3 組保護參數(shù)設(shè)定值。

以圖 1 中錦江賓館站的 35 kV 進線環(huán)網(wǎng)開關(guān)常規(guī)過電流保護參數(shù)設(shè)置為例進行說明。表 1 為進線開關(guān)過電流保護設(shè)置，其中進、出線開關(guān)的區(qū)別以正常供電方式 A 下的功率潮流方向進行區(qū)別，電流互感器變比均為 600/1。

表1 進線開關(guān)過電流保護設(shè)置

對應(yīng)方式 A，其保護參數(shù)的設(shè)定值僅需考慮本站及華西壩站范圍內(nèi)的最大負(fù)荷電流；時限配合關(guān)系僅需考慮華西壩站到皂角樹主變電所。因此，其動作電流整定值較小，為 0.15 A。

對應(yīng)方式 B，其保護參數(shù)的設(shè)定值需考慮天府廣場站一直到車輛段變電所范圍內(nèi)的最大負(fù)荷電流；時限配合關(guān)系需考慮從車輛段變電所開始至火車南站主變電所。因此，其保護動作電流整定值較大，為 1.08 A。

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對應(yīng)方式 C，其保護參數(shù)的設(shè)定值需考慮本站一直到世紀(jì)城站變電所范圍內(nèi)的最大負(fù)荷電流；時限配合關(guān)系需考慮從世紀(jì)城變電所開始至皂角樹主變電所。因此，其動作電流整定值最大，為 1.45 A。

2.3 參數(shù)設(shè)定值存在問題的分析

針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，以上常規(guī)的 3 組過電流保護參數(shù)設(shè)定值就每一種供電方式而言都沒有問題，均能很好地滿足各種運行方式下的靈敏性和選擇性的需求。但其沒有深入考慮城市軌道交通運營的實際需求，即將這 3 種供電運行方式割裂開來，沒有考慮故障后相互間的切換過程對于實際工程運營的影響程度。

（1）如果先停電，分別切換各環(huán)網(wǎng)開關(guān)過電流保護裝置的整定值后，再改變供電系統(tǒng)的運行方式，以上3 組設(shè)定值均沒有問題。但存在停電時間太長、對于線路正常運營的影響程度太大的缺點。

（2）如果為實現(xiàn)故障后的快速恢復(fù)供電的需求，需先及時改變供電系統(tǒng)的運行方式，后切換環(huán)網(wǎng)開關(guān)過電流保護裝置的整定值，以上常規(guī) 3 組保護設(shè)定值就會有一定問題。

以表 1 進線開關(guān)過電流保護設(shè)置為例，對應(yīng)供電方式 A 的動作電流整定值為 0.15 A；對應(yīng)供電方式 C 的動作電流整定值為 1.45 A，2 種方式下的電流整定值差別較大。如果供電運行方式從方式 A 改變到 C 時，先改變供電運行方式，即先切換環(huán)網(wǎng)開關(guān)，后切換對應(yīng)環(huán)網(wǎng)開關(guān)過電流保護裝置的整定值，供電方式 C 正常情況下的負(fù)荷電流就可能會導(dǎo)致該變電所的環(huán)網(wǎng)進、出線開關(guān)出現(xiàn)保護裝置的過電流保護動作，導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)開關(guān)跳閘，從而出現(xiàn)保護整定值不合理而導(dǎo)致供電運行方式切換失敗。同樣的問題也會出現(xiàn)在從供電運行方式 A 改變到方式 B 時。

3 運營需求分析

在實際運營中，如出現(xiàn)主變電所故障退出運行（不考慮其 35 kV 母線同時故障）的事件，即會出現(xiàn)供電運行方式 B 或 C 的情況，到底是應(yīng)該先改變供電運行方式，還是先切換保護裝置的整定值，以火車南站主變電所故障退出的情況為例進行詳細分析，同理也適用于皂角樹主變電所故障退出的情況。

3.1 運營需求分析

在火車南站主變電所故障退出的情況下，華西壩站環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)，南段的省體育館站、倪家橋站、桐梓林站、火車南站、火車南站主變電所、高新站、行政中心站、孵化園站、海洋公園站，還包括控制中心各變電所全部失電。該情況下，相關(guān)站點所有的 1、2、3 級負(fù)荷電源全部失電。其中部分特別重要的負(fù)荷僅能靠配置的蓄電池、不間斷電源（UPS）、應(yīng)急電源（EPS）設(shè)施繼續(xù)供電，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，其后備時間分別為 0.5 h、1 h 和 2 h 不等。如果在線路正常載客運營期間出現(xiàn)該故障，則在該區(qū)段內(nèi)運行的所有列車均停在原地，終止運行，有的列車可能在車站，而大部分的列車可能是在區(qū)間隧道內(nèi)。為保證列車上乘客的安全和情緒的穩(wěn)定，僅能靠列車上的蓄電池組供電保持車輛通風(fēng)、照明等設(shè)施的工作。由于負(fù)荷較大及列車上條件的限制，該蓄電池組的后備時間也極為有限，同時大量列車在線路上停運的時間太長，也可能會給列車上的乘客帶來恐慌，導(dǎo)致一些不可預(yù)知的后果。特別是在早晚運營高峰期，在城市軌道交通線網(wǎng)運營有大量換乘客流的情況下，1 條線路的運營中斷故障也會嚴(yán)重影響其他線路的正常運營。

因此，由于 1 個主變電所正常供電的范圍較大，一旦出現(xiàn)類似這種近一半運營線路失電停運的情況時，重中之重是通過及時改變供電系統(tǒng)的運行方式，盡快恢復(fù)系統(tǒng)供電，保證相關(guān)車站設(shè)備及運營列車重新獲得電源，盡量減少對運營的影響。

如果出現(xiàn)主變電所故障退出，在改變供電運行方式時，為避免出現(xiàn)保護裝置誤動作，必須先切換保護整定值。對應(yīng)圖 1 的供電系統(tǒng)圖，如火車南站主變電所故障退出，必須先切換皂角樹主變電所、騾馬市站、天府廣場站、錦江賓館站、華西壩站、省體育館站、倪家橋站、桐梓林站、火車南站、火車南站主變電所的一共涉及 10 個變電所的多個環(huán)網(wǎng)進出線開關(guān)的保護整定值，然后再對環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)和 2 個主變電所與聯(lián)絡(luò)分區(qū)相關(guān)的幾個開關(guān)進行操作，這種方法需要的時間太長，在目前沒有更好的技術(shù)手段支撐的情況下，對運營的影響太大。

其耗時較長的原因分析如下。

（1）如果在各變電所開關(guān)柜現(xiàn)場對保護整定值進行切換。在變電所內(nèi)開關(guān)柜現(xiàn)場由專業(yè)人員切換保護整定值，時間短且可靠性高。但由于目前城市軌道交通各類變電所均考慮為無人值班模式，在該模式下，如果考慮到市區(qū)內(nèi)經(jīng)常的堵車現(xiàn)象，專業(yè)人員在故障發(fā)生后立即趕到每個變電所現(xiàn)場的時間是很不確定的，而且有 10 個變電所的保護整定值需要切換，都需要到現(xiàn)場進行操作。在所有整定值切換完成后，再考慮其對應(yīng)環(huán)網(wǎng)開關(guān)的倒閘操作，其時間可能遠在 30 min 以上。

（2）如果在控制中心對保護整定值進行切換。由于對保護裝置整定值的切換是一個比較慎重的工作，如切換錯誤，可能出現(xiàn)事故范圍擴大或?qū)υO(shè)備運行的安全帶來其他不利影響，其安全可靠性及最終執(zhí)行完成時間的長短還需要后續(xù)項目進行專項試驗驗證。目前各工程項目在控制中心基本沒有采用程控卡片來一次性實現(xiàn)所有開關(guān)的整定值切換。保護整定值的切換有一個指令發(fā)出和確認(rèn)的過程，如需在控制中心通過通信指令完成涉及 10 個變電所多個環(huán)網(wǎng)開關(guān)的過電流保護整定值的切換，然后再考慮環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)和 2 個主變電所與聯(lián)絡(luò)分區(qū)相關(guān)的出線開關(guān)的倒閘操作，其耗時應(yīng)該也遠在20 min 以上。

根據(jù)以上分析，無論是在各變電所開關(guān)柜現(xiàn)場還是在控制中心執(zhí)行該保護整定值切換的操作內(nèi)容，其導(dǎo)致運營線路停電的范圍太廣，時間也均較長，應(yīng)該都是實際城市軌道交通運營中不易接受的后果。

3.2 運營需求總結(jié)

針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，在過電流保護參數(shù)的設(shè)置中，在保證運行安全的前提下，應(yīng)滿足保護功能具備的情況下，在最短的時間內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)供電的運營需求。即滿足先改變供電系統(tǒng)的運行方式，再擇機進行相關(guān)的整定值組切換，其過電流保護參數(shù)的設(shè)置應(yīng)能適應(yīng)在供電方式的改變過程中、在沒有環(huán)網(wǎng)故障出現(xiàn)的情況下，不能出現(xiàn)過電流保護誤動作；如果在切換過程中環(huán)網(wǎng)又出現(xiàn)故障的情況下，也能及時地保護跳閘。因此，需對目前過電流保護的整定值進行修正，以滿足城市軌道交通實際運營的各種需求。

4 過電流保護整定值的優(yōu)化

4.1 設(shè)定原則

針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，在原保護參數(shù)設(shè)定原則的基礎(chǔ)上，進行適當(dāng)修改：

（1）保護裝置的動作電流應(yīng)同時躲過各種供電運行方式下（包括運行方式切換過程中）線路的最大過負(fù)荷電流；

（2）保護裝置的靈敏系數(shù)≥1.5，按照保護線路末端最小兩相短路電流校驗。

4.2 保護動作電流整定值的設(shè)定

（1）各種供電運行方式下動作電流值Id的整定：對應(yīng)方式 A、B、C，動作電流值Id的整定值分別為Id（A）、Id（B）、Id（C）。

（2）各種供電運行方式下的動作靈敏度校驗：對應(yīng)方式 A、B、C，線路末端最小兩相短路電流分別為Id2（A）、Id2（B）、Id2（C）；其動作靈敏度系數(shù)分別為K（A）、K（B）、K（C）。通過計算和校驗，需滿足各種供電運行方式下的動作靈敏度系數(shù)均≥1.5。

（3）保護定值設(shè)置。由于各種供電運行方式下保護動作的靈敏度系數(shù)校驗均≥1.5，滿足工程需求，因此，動作電流值Id的整定值取值可修訂為：

其動作靈敏度系數(shù)實際為：

以錦江賓館站的 35 kV 進線開關(guān)整定值為例：

即：在滿足保護靈敏度的前提下，對應(yīng) 3 種供電運行方式，其動作電流整定值可設(shè)置為一致，取 3 種供電運行方式中動作電流的最大值，其選擇性由對應(yīng)不同供電運行方式下的不同時間動作延時參數(shù)Td實現(xiàn)。

4.3 保護動作延時整定值的設(shè)定

針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，由于對應(yīng)不同的供電運行方式，為保證保護動作的選擇性，其動作延時整定值差別較大，應(yīng)根據(jù)各種具體的供電方式分別整定。

以錦江賓館站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)進線開關(guān)整定值為例，最終的過電流保護整定值修改見表 2。

這種整定模式下，在各種故障情況下改變供電系統(tǒng)的運行方式，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷電流正常時，均不會出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)過電流保護的誤動作。

表2 進線開關(guān)過電流保護設(shè)置修訂表

但在主變電所故障退出的情況下，如果該聯(lián)絡(luò)分區(qū)的環(huán)網(wǎng)電纜上同時又出現(xiàn)故障，或者該聯(lián)絡(luò)分區(qū)的35 kV 開關(guān)母線同時又出現(xiàn)故障的情況下，由于保護整定值涉及的延時時間還沒有及時進行切換，此時會犧牲一定的選擇性。但在系統(tǒng)的設(shè)計中一般不考慮雙重故障的情況，因此，這種極端情況可以不考慮；或者說在盡快恢復(fù)城市軌道交通工程的供電系統(tǒng)供電、保證線路正常運營為首要考慮因素的前提下，需接受這種在雙重故障情況下犧牲一定選擇性的條件。

5 結(jié)語

通過以上分析及調(diào)整，針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，該調(diào)整后的過電流保護整定方式不僅能滿足正常供電運行方式下的靈敏性和選擇性需求，也能在主變電所故障退出時，滿足供電運行方式的切換，能直接合閘環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，最大限度地滿足盡快恢復(fù)整個城市軌道交通工程系統(tǒng)供電的運營需求，即先改變供電運行方式，后根據(jù)運營情況擇機切換環(huán)網(wǎng)開關(guān)的保護定值，以滿足城市軌道交通“以人為本”的設(shè)計理念。