EN 50633關于軌道交通直流保護應用分析

尹超準

0 引言

城市軌道交通供電系統具有額定電流大、雙邊供電、短路電流大等特點，對直流系統保護提出了很高的要求，通常要求在極短的時間內將故障大電流切除，防止發生人身傷害及設備損壞等事故。國內城市軌道交通直流牽引供電系統起步較晚，且由于直流供電系統保護具有其特殊性，對直流牽引供電系統二次保護的理論研究不夠深入。另外，目前涉及城市軌道交通供電系統保護方面的標準規范數量少，且技術要求不具體，國內到目前為止并未建立完備的直流供電系統保護理論體系。

歐洲標準EN 50633《軌道交通—固定裝置—直流和交流電力牽引系統保護原則》[1]對直流牽引供電制式系統保護原則作了較為詳細的闡述，對主保護及后備保護的定義及配合關系也作了詳盡的解釋，并且重點對保證保護可靠性的方法給出了詳 細闡述和示例。

本文通過對EN 50633在直流系統保護的要求方面與國內工程應用進行逐一對比分析，求同存異，總結可取之處，可為國內直流牽引供電制式的軌道交通供電保護系統設計提供指導和參考，也可為直流供電系統保護走向國際化提供新的思路。

1 保護的基本要求

1.1 保護目標

保護系統應在系統異常或故障情況下提供相應的保護。保護系統的主要功能目標：

（1）持續提供電力牽引系統的服務和性能，并盡可能減少運行干擾；

（2）限制對受影響設備的沖擊和損壞；

（3）避免級聯效應及擴大故障范圍；

（4）最小化故障期間的電弧效應和能量釋放；

（5）保護人員免受間接電擊。

EN 50633對保護目標的描述與國內保護設立的理念是完全一致的，其主要目的是防止和限制設備損壞，并為與間接接觸和次生影響有關的電氣安全提供保障。

1.2 保護的要求

保護的要求包括：可靠性、靈敏性、選擇性、速動性、經濟性等[1]。EN 50633對保護的要求額外提到了經濟性要求，認為在系統保護設計時應考慮被保護設備的經濟價值以及對故障未切除或非必要跳閘失電而引起的后果進行評估，國內工程可參考和借鑒。

2 系統保護的界面劃分

2.1 輸入電源

直流供電系統與輸/配電系統（通常為中壓環網系統）之間的界面是整流機組前的中壓斷路器，該界面上游裝置輸/配電系統（通常為中壓環網系統）的保護范圍：保護配合、通信、自動重合閘、潮流方向（能耗模式和再生模式）。

該分界與國內工程基本一致，中壓饋線斷路器用于保護整流機組（能耗模式）或再生制動裝置（再生模式），同時其與中壓環網進出線斷路器之間通過時間級差或通信閉鎖的方式來進行保護配合以確保選擇性。唯一不同點是國內工程通常不設置自動重合閘。

2.2 車輛

直流牽引系統和車輛之間的界面是車輛牽引單元斷路器。對于車輛牽引單元的內部故障（即發生在牽引單元斷路器下游的故障），變電所饋線斷路器和車輛牽引裝置斷路器均應立即跳閘，不應設置人為延時。

該分界與國內工程是完全一致的，車輛內部故障時，車輛牽引單元斷路器與變電所饋線斷路器之間不考慮選擇性。

2.3 由牽引系統供電的設備（國內不常用）

與牽引供電沒有直接關系的電氣裝置，如站用電源，不是牽引供電系統的一部分，也可以由電力牽引系統供電。

國外一些工程的做法是：站用變壓器一次側不專門設置中壓斷路器，而是通過低壓斷路器或熔斷器接至整流變壓器的二次側。國內工程中，站用變壓器通常采用專門的中壓斷路器，不適用于該界面劃分。

3 保護的可靠性方案簡介

為了保護牽引供電系統，即使在保護系統中存在一個單一故障的情況下，也應檢測到回路中的單個故障情況并切除故障。

基于牽引供電系統的長期運行經驗，可采用以下一種或多種適用的保證保護可靠性的方法。

3.1 M1：同時獨立冗余

主保護（main-1）與另一個主保護（main-2）并行且各自獨立運行。其包括獨立的保護繼電器，也可以包括獨立的下列項：輸入采集，包括傳感器、互感器、溫度傳感器、位置指示器（可選）；脫扣器（可選）；跳閘回路（可選）；輔助電源（可選）。

該方法即為雙重主保護，國內工程直流饋線和直流進線（若采用斷路器）一般采用該方法，由本體大電流脫扣保護和速斷保護實現，確保在main-1保護發生故障時仍能以最快的速度清除故障。

3.2 M2：回路近后備保護

該方案中回路近后備保護為主保護提供冗余，后備保護僅在持續故障情況下才起作用，如當主保護可能無法清除故障時。其包括獨立的保護繼電器，也可以包括獨立的一些項，同M1。

M2可靠性方案在國內工程中壓饋線、直流饋線和直流進線（若采用斷路器）中普遍采用，

中壓饋線、直流饋線以及直流進線的過流保護可實現速斷主保護的回路近后備保護。需要引起注意的是，該方案在清除故障條件時會包括一個額外的延遲時間，以防止主保護裝置失效，因此更考驗系統短時電流耐受水平。

3.3 M3：重疊后備保護

該方案采用變電所近后備保護或遠后備保護功能。保護系統分為不同的被保護分區，后備保護通過重疊相鄰分區的覆蓋范圍實現。保護系統中不同層級的保護繼電器為其劃定的保護分區提供主保護，并應作為后備保護覆蓋相鄰的保護分區，僅當持續故障情況下相鄰分區的主保護可能無法清除故障時，其才作為后備保護起作用。

該方案主要用于：

（1）環網進出線斷路器與中壓饋線斷路器之間，環網進出線過流保護作為饋線速斷保護的后備，其實現方式既可采用時間級差也可采用邏輯閉鎖。

（2）雙邊供電兩端直流饋線斷路器之間，兩端直流饋線斷路器作為相互之間的后備保護，由于線路阻抗原因，通常無法覆蓋到整個保護分區，因此需借助于雙邊聯跳[2]來實現。

需要引起注意的是，在主保護裝置發生故障的情況下，需要一定額外的延遲時間才能切除故障，因此更考驗系統短時電流耐受水平。

3.4 M4：監視

該方案提供一種監視機制，可幫助檢測影響保護系統能力的潛在缺陷，以便于啟動干預措施，從而減少存在缺陷時保護系統動作的可能性。

該方案功能包含但不限于：重要功能監測、跳閘回路監視、輔助電源監視、傳感器監視（如電流互感器和電壓互感器）。

該方案與國內工程中實際應用的方案理念也是一致的，如國內工程通常采用的跳閘回路監視、控制回路失電報警、保護裝置故障報警等。

4 直流牽引系統保護可靠性分析

4.1 整流機組進線保護

整流機組進線保護的可靠性應通過下列至少一種可靠性方案的應用實現：

（1）M2：回路近后備保護，能夠覆蓋整個被保護分區。

（2）M3：由上游主進線回路保護的重疊后備保護，可配置為變電所近后備或遠后備保護。

（3）M3受限制的范圍由M4支持：如果回路近后備保護不能覆蓋整個被保護分區，則需要對主保護進行監視。

（4）M4：當主保護退出時，主保護監視和跳閘相關斷路器。

（5）失靈保護。

國內工程整流機組進線保護的配置與其完全一致。另外需要注意的是，整流機組進線保護應考慮整流機組耐受能力和最大故障清除時間。

EN 50327中規定：除非買賣雙方另有協議，否則整流變壓器和變流器應設計為可承受至少150 ms的短路沖擊[3]（國標也有相同的規定）。

4.2 直流進線保護（采用斷路器時）

直流進線保護應在低阻抗保護情況下提供母線主保護。保護可靠性方案主要用于以下3種情況：

（1）母線故障時。采用M1方案，過流保護作為大電流脫扣主保護的另一獨立主保護。

（2）整流機組故障時。采用M1方案，逆流保護作為獨立冗余的主保護，以應對其他整流機組或線路流入的反向故障電流。

（3）饋線故障時。采用M2方案，直流進線大電流脫扣保護作為饋線的后備保護（無法完全覆蓋保護分區）。國內工程整流機組進線保護的配置與其完全一致。

需要引起注意的是：由于直流饋線斷路器也設置有大電流脫扣保護，因此饋線發生大電流故障時將無法實現選擇性。

4.3 直流饋線保護

直流饋線保護應為饋線保護分區中的低阻抗故障情況提供主保護，其可靠性通過應用至少下列一種方案實現：

（1）M1：同時獨立冗余。

（2）M2：能夠覆蓋整個被保護分區的回路近后備保護。

（3）對于M2受限制的范圍：a.由M3支持：當回路近后備保護不能覆蓋整個被保護分區時，需要聯跳相關的相鄰饋線斷路器；b.由M4支持：當回路近后備保護不能覆蓋整個被保護分區時，需監視主保護。

（4）對于M3受限制的范圍：當上級進線保護不能覆蓋整個保護分區，則需監視主保護。

國內工程中直流饋線保護比較完備，但缺乏各類保護之間的主被關系的論述，而EN 50633對各類保護關系的定義與論述較詳盡，邏輯清晰，值得國內工程參考和借鑒。

5 結語

本文對EN 50633直流牽引系統保護的系統接口界面劃分與協調，主保護與后備保護之間關于可靠性的配合關系進行了研究與解讀，通過逐項與國內工程實際應用進行對比分析，再通過實例總結了直流系統保護的架構關系，理清了直流供電系統各級保護的保護關系、保護方法及保護范圍。EN 50633先進的理念可為國內直流系統保護設計提供指導和參考借鑒。