地鐵35kV中壓環(huán)網(wǎng)和繼電保護方案

黃俊

（南昌軌道交通設(shè)計研究院，江西 南昌 330038）

隨著我國城市化進程的加快，新建軌道交通城市越來越多，軌道交通日益成為公共交通的重要方式，供電系統(tǒng)是地鐵安全運營的重要基礎(chǔ)，而供電系統(tǒng)的中壓供電網(wǎng)絡(luò)是供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)，中壓供電網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定有著重要意義。

1 中壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成方案比選

（1）方案一：小分區(qū)方案。小分區(qū)環(huán)網(wǎng)構(gòu)成方案在上海、廣州及南京等地有所應(yīng)用，其特點是全線供電分區(qū)多，每個供電分區(qū)僅3～4座車站。該方案將全線共劃分為若干個供電分區(qū)，在供電分界車站設(shè)置環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。正常運行時，環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)打開，任一主變電所退出運行時，由另一座主變電所支援供電。

（2）方案二：大分區(qū)方案。大分區(qū)環(huán)網(wǎng)構(gòu)成方案近年在寧波、廣州、蘇州、長沙等地已經(jīng)推廣應(yīng)用，該方案減少了電纜投資，還減少了環(huán)網(wǎng)電纜在區(qū)間的敷設(shè)回數(shù)，有利于區(qū)間管線的敷設(shè)。

該方案的特點是全線供電分區(qū)少，每個供電分區(qū)的車站數(shù)量依據(jù)主變電所位置、線路負荷分布等確定。結(jié)合主變電所與線路各車站的相對位置關(guān)系，大分區(qū)方案也分為若干個供電分區(qū)，在供電分界的車站設(shè)置環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。當(dāng)一個主變電所退出運行時，則相鄰另一座主變電所支援供電。

（3）環(huán)網(wǎng)不同分區(qū)方案的技術(shù)經(jīng)濟比較。上述2種供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案的優(yōu)缺點綜合比較如表1所示。

表1 環(huán)網(wǎng)構(gòu)成方案優(yōu)缺點比較

隨著繼電保護技術(shù)的發(fā)展和中壓環(huán)網(wǎng)電纜可靠性的提高，方案一、二均能滿足系統(tǒng)可靠性、靈活性、兼容性、運營方便性的要求。

方案二的電纜相對較少，對土建要求低，工程實施更加方便，且節(jié)約投資，是地鐵供電系統(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)接線方式的發(fā)展方向，因此推薦采用大分區(qū)方案。

2 中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)接線方式比選

目前軌道交通供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)廣泛采用的是環(huán)網(wǎng)環(huán)接的接線方式，為向業(yè)主提供一個全面的方案設(shè)計，對環(huán)網(wǎng)T接也作以比選。

2種接線形式的簡單示意如圖1所示。

圖1 環(huán)網(wǎng)環(huán)接與T接方式示意圖

以下對這兩種接線方式進行簡單的比較分析：

（1）方案可靠性。若采用T接方式，對于任一個供電分區(qū)，當(dāng)一回進線電纜故障（無論故障發(fā)生在哪一點）時，主變電所及該供電分區(qū)的所有變電所的相關(guān)斷路器均需打開，切除故障電纜，然后閉合該供電分區(qū)所有變電所的母聯(lián)開關(guān)，由另一回進線電源供電，故障影響范圍為整個供電分區(qū)的全部變電所；當(dāng)兩回進線電纜故障時，整個供電分區(qū)將全部失電。若采用環(huán)接方式，當(dāng)一回進線電纜故障（無論故障發(fā)生在哪一點）時，故障影響范圍為一個變電所；只有當(dāng)兩回進線電纜故障，且發(fā)生在供電分區(qū)始端時，供電分區(qū)才會全部失電，但這種情況發(fā)生的概率較T接方式低很多。

（2）繼電保護配置。對于環(huán)接方式，已經(jīng)有成熟可靠的繼電保護配置方案來完善地解決環(huán)網(wǎng)的保護問題。環(huán)接方式的繼電保護既可以選擇廣泛應(yīng)用的差動保護方案，也可以選擇先進的數(shù)字通信電流保護方案，設(shè)備選擇的余地比較大，利于對設(shè)備招標的控制。若采用T接方式，縱聯(lián)差動保護不能作為環(huán)網(wǎng)電纜的主保護，如果選用常規(guī)的過電流保護，則環(huán)網(wǎng)電纜短路時，保護跳閘時間將達到0.9～1s，與差動保護相比（保護時間約50ms），保護時間大大延長，對電纜極為不利。盡管可以采用數(shù)字通信電流保護作為環(huán)網(wǎng)主保護，來解決上述問題；但系統(tǒng)可靠性較環(huán)節(jié)方案差。

（3）工程可實施性。對于T接方式，35kV電纜T接頭可以采用兩個方法實現(xiàn)：電纜T接方案和進線開關(guān)柜雙電纜方案。目前，國際上已有性能良好的35kV電纜T接頭，國內(nèi)也已經(jīng)生產(chǎn)出性能良好的35kV電纜T接頭，并已在相關(guān)工程應(yīng)用。在AC 40.5kV進線開關(guān)柜采用雙電纜方案也可實現(xiàn)電纜的T接，且可靠性較高，易于工程實施。

（4）設(shè)備選擇及工程投資。若采用T接方式，每個變電所只設(shè)2臺進線開關(guān)，不設(shè)出線開關(guān)，全線供電系統(tǒng)每個中間變電所節(jié)省2臺開關(guān)柜及相應(yīng)保護裝置。

（5）運營維護。當(dāng)斷路器進線端為T接網(wǎng)絡(luò)時，不需要增加新設(shè)備，因而無新增維護工作量。電纜數(shù)量、正常情況下的電纜壓降以及電纜的通過功率與推薦方案相同，不會增加電纜損耗，因此，從能耗上講T接方式與雙環(huán)網(wǎng)接線方式基本相同。但是，當(dāng)發(fā)生短路故障時，故障點難以快速進行定位，運營人員需要在整個供電分區(qū)的范圍內(nèi)查找故障點，與環(huán)接方式中只需在故障區(qū)間查找故障點相比，增加了事故搶修的難度。

35kV環(huán)網(wǎng)環(huán)接與環(huán)網(wǎng)T接的綜合比較見表2。

表2 35kV環(huán)網(wǎng)環(huán)接與環(huán)網(wǎng)T接的綜合比較

綜合以上分析可以看出，兩種接線方式各有優(yōu)缺點，采用環(huán)接方式具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢及工程實施應(yīng)用經(jīng)驗，因此推薦中壓環(huán)網(wǎng)采用環(huán)接方式。

3 國內(nèi)軌道交通供電系統(tǒng)繼電保護現(xiàn)狀及發(fā)展

（1）中壓交流環(huán)網(wǎng)繼電保護影響因素。就集中供電方式來說，從早期的廣州地鐵一號線中壓環(huán)網(wǎng)采用的大環(huán)串供電方式，發(fā)展到后來軌道交通工程的小環(huán)串供電方式，以至近年來重新興起的中壓環(huán)網(wǎng)的大環(huán)串供電方式，前后經(jīng)歷了近十幾年的發(fā)展演變。

中壓交流環(huán)網(wǎng)繼電保護方案與供電系統(tǒng)的電壓等級、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運行方式、系統(tǒng)接地方式、故障率及故障水平等密切相關(guān)。主要原則是當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，盡可能迅速切除故障，盡可能縮小故障范圍，快速恢復(fù)系統(tǒng)的正常運行。

（2）“線路差動主保護＋過電流保護后備”方案的優(yōu)缺點。目前，在軌道交通領(lǐng)域，小環(huán)中壓環(huán)網(wǎng)大多采用的是“線路差動主保護＋過電流保護后備”方案。當(dāng)保護區(qū)內(nèi)發(fā)生相間及接地故障時，線路差動保護作為環(huán)網(wǎng)電纜的主保護，在幾十毫秒內(nèi)跳開故障電纜兩側(cè)斷路器，具有較高的速動性和選擇性。

目前，線路差動保護已被各地地鐵線路廣泛采用，從歷次地鐵調(diào)試或運營中發(fā)生過的環(huán)網(wǎng)接地故障差動保護準確動作情況來看，差動保護的選擇性、可靠性、靈敏性、速動性已得到足夠的證實。但差動保護的保護范圍還存在局限性，其保護范圍僅是2側(cè)電流互感器之間的環(huán)網(wǎng)線路，無法作為相鄰元件的后備保護，過電流保護只能作為環(huán)網(wǎng)電纜短路故障的后備保護。過電流保護的時間設(shè)定，與中壓環(huán)網(wǎng)供電方式中每個供電分區(qū)的變電所數(shù)量，以及主變電站饋線側(cè)的過電流保護時間的設(shè)定密切相關(guān)。

如果供電方式采用大環(huán)網(wǎng)供電方式，每個供電分區(qū)有6～7個變電所，使得每個車站進出線后備過電流保護按時限逐級配合無法實現(xiàn)，即存在差動保護裝置故障，由后備過電流保護和零序電流保護動作時的選擇性與速動性的矛盾。對于母線故障、斷路器失靈故障等開關(guān)柜的內(nèi)部故障，也只能由過電流保護和零序電流保護擔(dān)當(dāng)主保護，動作時間較長。根據(jù)既有工程設(shè)計經(jīng)驗，主變電站環(huán)網(wǎng)饋出線側(cè)過流時限一般為1.5s左右，如果環(huán)帶6～7個變電所，后備過流保護的時限無法滿足選擇性要求。

（3）數(shù)字通信電流保護的特點及對“差動保護+過電流保護”方案的優(yōu)化。數(shù)字通信電流保護具有完善的斷路器失靈保護功能、完善的后備保護功能、母線的短延時保護功能，以上3個特點有效的彌補了傳統(tǒng)過電流保護在選擇性、速動性方面的缺點，對于中壓環(huán)網(wǎng)安全運行有重要的現(xiàn)實意義。

數(shù)字通信電流保護主要原理還是以過電流保護原理為基礎(chǔ)，運用通信光纖技術(shù)建立通信回路，快速傳輸保護裝置的采樣、動作信息，從而可以快速地對線路兩端的電流保護動作進行邏輯判斷，能在幾十毫秒內(nèi)動作切除故障。解決了傳統(tǒng)過電流保護級差之間配合難的問題，從而進一步優(yōu)化了原有過電流保護方案。

（4）推薦方案。推薦方案仍采用線路差動保護作為主保護，數(shù)字通信電流保護作為后備保護，而且數(shù)字通信電流保護中還包含著不依賴于網(wǎng)絡(luò)通信的傳統(tǒng)過電流保護。系統(tǒng)中的短路故障，都會按照線路差動保護、數(shù)字通信電流保護和過電流保護的順序依次啟動，即使數(shù)字通信電流保護出現(xiàn)故障，也不會影響線路差動保護的正確動作。當(dāng)包含數(shù)字通信電流保護的微機綜合保護測控單元本身發(fā)生故障的時候，數(shù)字通信電流保護的邏輯中，將自動啟動上一級的遠后備保護裝置，確保故障的正確切除。

在電纜故障、母線故障、斷路器失靈及差動保護裝置故障時，推薦的保護方案具有以下優(yōu)點：

①電纜故障。線路差動保護為主保護，在30ms內(nèi)出口跳閘；數(shù)字通信電流保護為后備保護，在100ms內(nèi)出口跳閘；過電流保護和零序電流保護為下一級后備保護，根據(jù)設(shè)定級差，在0.5s內(nèi)出口跳閘。

②母線設(shè)備故障。數(shù)字通信電流保護為主保護，在100ms內(nèi)出口跳閘；過電流保護和零序電流保護為后備保護，根據(jù)設(shè)定級差，在0.5s內(nèi)出口跳閘。

③斷路器失靈。當(dāng)饋線斷路器失靈故障時，數(shù)字通信電流保護啟動環(huán)網(wǎng)上的進線切除故障，在斷路器失靈后0.3s內(nèi)出口；當(dāng)環(huán)網(wǎng)進出線斷路器失靈故障時，上一級環(huán)網(wǎng)斷路器的數(shù)字通信電流保護作為遠后備保護，在既有過電流保護延遲時間的基礎(chǔ)上，再延長一個級差0.3S，出口跳閘。

④線路差動保護裝置。故障線路差動保護裝置的任何故障，都將導(dǎo)致線路差動主保護的退出。數(shù)字通信電流保護作為主保護，在電纜故障的情況下，100ms內(nèi)出口跳閘；而過電流保護則作為后備保護，在設(shè)定的延遲時間內(nèi)跳閘。

目前數(shù)字通信電流保護利用GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)變電所內(nèi)和變電所間保護裝置間的信息傳輸、交換、配合，改變了傳統(tǒng)保護裝置的工作模式，代表著繼電保護技術(shù)新的發(fā)展方向，打破了地鐵中壓供電系統(tǒng)現(xiàn)行環(huán)網(wǎng)保護裝置間通過時間級差配合的傳統(tǒng)繼電保護設(shè)計理念，提出了通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)保護裝置間的網(wǎng)絡(luò)化快速配合，從而實現(xiàn)保護功能的“選擇性”和“速動性”，是對傳統(tǒng)繼電保護理念的創(chuàng)新和發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上所述，“差動主保護+數(shù)字通信電流保護”相結(jié)合的中壓環(huán)網(wǎng)保護配置方案，不僅風(fēng)險低，還可以解決傳統(tǒng)保護功能上的不足；同時國內(nèi)和國外已有多家保護廠家能支持該配置方案，在工程實施和技術(shù)支持上能得到保障，是中壓交流繼電保護的最優(yōu)方案。