佛山地鐵2號線35 kV中壓環(huán)網(wǎng)繼電保護方案分析

王 順，尹小清

0 引言

地鐵供電系統(tǒng)承擔著為整個地鐵運行的牽引負荷和動力照明負荷供電的任務，為設(shè)備提供安全、可靠、穩(wěn)定的供電環(huán)境，保障乘客的安全和舒適。地鐵供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，因此對繼電保護的要求較高，繼電保護的配置須合理、規(guī)范、準確，確保供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和適用性。

自1969年北京建成第一條地鐵線路之后，北京、上海、廣州等大城市已積累了豐富的地鐵供電系統(tǒng)運行經(jīng)驗，但以往的繼電保護配置方案存在一些不滿足系統(tǒng)運行要求的缺陷，特別是隨著中壓環(huán)網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)過流保護的時限極差配合已很難滿足選擇性和速動性的要求[1～3]。本文將對在建的佛山地鐵2號線35 kV中壓環(huán)網(wǎng)繼電保護配置方案進行分析和研究，在綜合以往方案的基礎(chǔ)上結(jié)合差動保護和選跳保護的優(yōu)點，提出適用于35 kV中壓環(huán)網(wǎng)的繼電保護配置優(yōu)化方案。

1 中壓環(huán)網(wǎng)

1.1 地鐵供電系統(tǒng)的構(gòu)成

地鐵供電系統(tǒng)電源一般取自城市電網(wǎng)，通過供 電系統(tǒng)的輸送和變換將電能以一定等級直流電或交流電的形式引入到各牽引所和降壓所，為機車和設(shè)備提供電能。地鐵供電系統(tǒng)主要由外電源系統(tǒng)（城市電網(wǎng)）、主變電所、中壓供電環(huán)網(wǎng)、牽引變電所、降壓變電所、接觸網(wǎng)系統(tǒng)、動力照明配電系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、雜散電流腐蝕防護系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 地鐵供電系統(tǒng)構(gòu)成簡圖

1.2 35 kV中壓環(huán)網(wǎng)

中壓環(huán)網(wǎng)擔負著為全線所有牽引變電所和降壓變電所輸送電能的重任，在地鐵供電系統(tǒng)中具有承上啟下的關(guān)鍵作用。佛山地鐵2號線供電系統(tǒng)采用110/35 kV兩級電壓集中供電方式，全線設(shè)置2座110/35 kV主變電所、15座牽引降壓混合變電所、5座獨立降壓變電所、6座跟隨式降壓變電所，35 kV中壓供電環(huán)網(wǎng)采用雙環(huán)網(wǎng)絡大分區(qū)供電模式，如圖2所示。

圖2 佛山地鐵2號線35 kV中壓環(huán)網(wǎng)大分區(qū)供電示意圖

2 傳統(tǒng)繼電保護配置方案

國內(nèi)城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)傳統(tǒng)繼電保護配置方案將光纖縱聯(lián)保護作為電纜線路的主保護，定時限過電流保護作為后備保護，定時限零序過電流保護作為遠后備保護；定時限過電流保護及定時限零序過電流保護作為變電所母線及母線上設(shè)備的主保護；電流速斷保護作為所內(nèi)35 kV母線饋線主保護。

2.1 光纖縱聯(lián)保護

光纖縱聯(lián)保護是用光纖將輸電電纜兩端的保護裝置縱向聯(lián)結(jié)起來，以光纖作為通信傳輸通道，將輸電電纜一端的電流、功率的方向等電氣量傳送到另一端，通過比較兩端的電氣量判斷故障點，從而做出保護選擇動作[4]。光纖縱聯(lián)保護主要有光纖縱聯(lián)電流差動保護、光纖縱聯(lián)距離保護、光纖縱聯(lián)方向保護等，中壓環(huán)網(wǎng)常用光纖縱聯(lián)電流差動保護。光纖縱聯(lián)電流差動保護利用微機裝置將輸電電纜兩端電流的幅值和相位信息進行比較，當達到電流差動值時，發(fā)出選跳動作指令，完成繼電保護動作，具有保護范圍廣和良好的選擇性、速動性、靈敏性等優(yōu)點。

2.2 定時限過流保護和定時限零序過流保護

定時限過電流保護通過將各繼電保護裝置的動作時間按階梯原則整定，從而實現(xiàn)過電流保護的動作選擇性。每套保護裝置的動作時間為固定值，與電流整定值無關(guān)，各級保護裝置的動作時間整定值自負荷向電源方向逐級增大。

零序過流保護是大電流接地系統(tǒng)（中性點有效接地系統(tǒng)）主要的接地短路保護，當大電流接地系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地短路故障時，會產(chǎn)生較大的零序電流，通過專門的零序電流互感器檢測零序電流分量，當零序電流分量超過零序電流整定值時，由微機裝置發(fā)出繼電保護動作指令，完成零序過流保護動作。

2.3 典型故障保護動作分析

2.3.1 區(qū)間電纜故障

當環(huán)網(wǎng)電纜區(qū)間發(fā)生故障時，光纖縱聯(lián)電流差動保護動作，實現(xiàn)保護的選擇性、速動性。如圖3所示，當環(huán)網(wǎng)電纜d點發(fā)生接地短路故障時，短路電流流經(jīng)C1、C2、D1、D2環(huán)網(wǎng)開關(guān)，F(xiàn)1沒有短路電流流過。D2和F1電纜區(qū)間達到縱聯(lián)電流差動保護動作值，D2和F1環(huán)網(wǎng)開關(guān)跳閘；C2和D1均流過短路電流，縱差保護不動作；C1過流，啟動定時限過流保護，但存在延時，當D2和F1開關(guān)跳閘切除故障點后，環(huán)網(wǎng)開關(guān)C1狀態(tài)復位。

2.3.2 所內(nèi)35 kV母線故障

母線差動保護在110 kV及以上等級母線上設(shè)置，35 kV母線一般不設(shè)置專門的母線差動保護，而是用環(huán)網(wǎng)電纜后備保護作為變電所內(nèi)35 kV母線的主保護。佛山地鐵2號線不配置專門的35 kV母線保護，35 kV母線分段斷路器采用限時電流速斷保護和零序電流保護。

圖3中，正常運行時母線分段斷路器分閘，當c點母線發(fā)生短路故障時，短路電流流經(jīng)C1、C2、D1等開關(guān)：若發(fā)生相間或三相短路，定時限過流保護啟動，D1先跳閘切除故障點，C1和C2狀態(tài)復位；若發(fā)生單相接地短路或兩相接地短路，定時限零序過電流保護啟動，D1先跳閘切除故障點，C1和C2狀態(tài)復位。

圖3 35 kV中壓網(wǎng)絡典型故障示意圖

2.4 傳統(tǒng)繼電保護配置方案的不足

光纖縱聯(lián)電流差動保護作為中壓環(huán)網(wǎng)的主保護，具有良好的選擇性、速動性、穩(wěn)定性、可靠性和高靈敏度等優(yōu)點，但差動保護無法判斷所內(nèi)母線故障和開關(guān)柜內(nèi)故障，保護范圍存在一定局限性。實際運行中母線故障率較低，但開關(guān)柜內(nèi)直接插在母線上的電壓互感器短路故障卻時有發(fā)生[5]。電壓互感器短路相當于母線故障，最終均由環(huán)網(wǎng)進線開關(guān)柜中過流保護出口動作，故障切除時間長。若配置專門的母線差動保護，配置原理和接線較復雜，降低系統(tǒng)的適用性和經(jīng)濟性。

環(huán)網(wǎng)電纜的后備保護（定時限過流保護和定時限零序過流保護）作為所內(nèi)母線的主保護，同樣具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，但整個系統(tǒng)的過流保護存在時限極差配合問題。隨著大分區(qū)供電中壓環(huán)網(wǎng)規(guī)模的擴大，繼電保護系統(tǒng)時限極差配合愈加困難，過流保護的速動性和選擇性更加難以兼顧。某些情況下，故障持續(xù)時間長，不僅影響設(shè)備壽命和絕緣性能，還可能會造成越級跳閘，擴大事故范圍[6]。

3 差動保護和選跳保護配置方案

3.1 電流選跳保護

佛山地鐵2號線一期工程新建石灣和花卉2座主變電所，35 kV出線一期建設(shè)2×2回，預留2×4回，終期建成2×6回。隨著中壓雙環(huán)網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，系統(tǒng)承擔著越來越多的變電所用電負荷，傳統(tǒng)定時限極差配合很難滿足系統(tǒng)對選擇性和速動性的要求。因此針對大環(huán)網(wǎng)35 kV繼電保護，提出采用光纖縱聯(lián)電流差動保護+數(shù)字通信過電流選跳保護配置方案，環(huán)網(wǎng)電纜仍采用光纖縱差保護作為主保護，母線故障、斷路器失靈及光纖線路縱差保護裝置故障時采用電流選跳保護作為主保護，過流保護作為后備保護，電流速斷保護為饋線主保護。電流選跳保護時限配置示意如圖4所示。

圖4 電流選跳方案時限配置示意圖

電流選跳保護將各繼電保護裝置的時間整定為同一值，利用通信網(wǎng)絡將各繼電保護裝置的信息交互匯總，由微機裝置的邏輯選跳部分快速判斷故障點，實現(xiàn)選擇性快速切除故障點或閉鎖跳閘。

3.2 典型故障分析

3.2.1 區(qū)間電纜故障

當環(huán)網(wǎng)電纜區(qū)間d點（圖4）發(fā)生短路故障且差動保護裝置正常時，同2.3.1節(jié)中分析，判斷為區(qū)間環(huán)網(wǎng)電纜故障，D2和F1開關(guān)跳閘；若差動保護裝置異常，由后備保護（電流選跳保護）作為主保護來判斷故障點，斷路器C1、C2、D1、D2過流，F(xiàn)1未過流，通過邏輯判斷為D2和F1區(qū)間環(huán)網(wǎng)電纜短路故障，延時0.2 s后D2和F1開關(guān)跳閘；若差動保護和電流選跳保護裝置異常，由環(huán)網(wǎng)電纜遠后備保護（過流保護）判斷故障點，斷路器C1、C2、D1、D2過流，延時0.4 s后C1、C2、D1、D2斷路器跳閘。圖5為環(huán)網(wǎng)電纜區(qū)間故障保護邏輯示意圖。

圖5 環(huán)網(wǎng)電纜區(qū)間故障保護邏輯示意圖

在差動保護異常時，電流選跳保護可以快速判斷故障點，并選擇性跳閘。與過流遠后備保護相比，電流選跳保護縮短了跳閘時間，減小了停電范圍，保證了供電的可靠性。

3.2.2 所內(nèi)35 kV母線故障

電流選跳保護作為所內(nèi)35 kV母線的主保護，當c點（圖4）發(fā)生短路故障時，C1、C2、D1過流，D2、D3、D7、D8、D9未過流，邏輯判斷為所內(nèi)母線故障，故障點在D2和D7之間，延時0.2 s后斷路器D1跳閘，C2、D2、F1、D3、E1、D7、D8、D9聯(lián)跳。當電流選跳保護裝置異常：若發(fā)生相間或三相短路，過流保護啟動，C1、C2、D1延時0.4 s跳閘切除故障點；若發(fā)生單相接地短路或兩相接地短路，零序過電流保護啟動，C1、C2、D1延時0.4 s跳閘切除故障點。圖6為所內(nèi)母線故障保護邏輯示意圖。

圖6 所內(nèi)母線故障保護邏輯示意圖

電流選跳保護不存在時限極差配合問題，同時兼顧了母線繼電保護速動性和選擇性的要求，通過邏輯判斷快速定位母線故障點、選擇跳閘，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)語

中壓環(huán)網(wǎng)是供電系統(tǒng)的主要組成部分，對地鐵安全穩(wěn)定運營起著至關(guān)重要的作用。

針對地鐵供電系統(tǒng)繼電保護的時限極差配合問題和運行中出現(xiàn)的典型故障，在分析佛山地鐵2號線35 kV中壓環(huán)網(wǎng)繼電保護配置方案的基礎(chǔ)上，提出采用光纖縱聯(lián)電流差動保護+數(shù)字通信過電流選跳保護的中壓環(huán)網(wǎng)繼電保護配置方案。該方案結(jié)合了差動保護和選跳保護的優(yōu)點，解決了繼電保護系統(tǒng)速動性和選擇性矛盾的問題，并且在預期擴容、增大環(huán)網(wǎng)規(guī)模的情況下，不需重新考慮系統(tǒng)時間整定值配合和邏輯程序修改的問題，具有良好的經(jīng)濟效益，可為相關(guān)工程建設(shè)提供參考。