城市軌道交通大分區(qū)供電系統(tǒng)故障解決方案

沈敬松廈門ABB開關(guān)有限公司

城市軌道交通大分區(qū)供電系統(tǒng)故障解決方案

沈敬松
廈門ABB開關(guān)有限公司

隨著城市的發(fā)展，我國(guó)各地正大力發(fā)展城市軌道交通。城市軌道交通供電系統(tǒng)是城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的生命線，是城市軌道交通安全可靠運(yùn)行的重要保證。由于目前軌道交通35kV供電系統(tǒng)大多采用大分區(qū)供電方式，每個(gè)供電分區(qū)內(nèi)分所較多，因此傳統(tǒng)供電模式下以級(jí)差配合的保護(hù)方式已經(jīng)無(wú)法滿足大分區(qū)供電系統(tǒng)的需求。本文針對(duì)現(xiàn)在城市軌道交通的這種大分區(qū)環(huán)網(wǎng)供電方式,提出了數(shù)字電流選跳保護(hù)方案。

大分區(qū)供電；數(shù)字電流保護(hù)；選跳；GOOSE

1　前言

1.1目前軌道交通大多采用的大分區(qū)供電方式

由于目前軌道交通35kV系統(tǒng)大多采用大分區(qū)供電結(jié)構(gòu)（一個(gè)供電分區(qū)由5～8個(gè)，甚至更多個(gè)變電所組成，各變電所間的電源連接彼此通過電纜，以手拉手的環(huán)網(wǎng)方式相連），每個(gè)供電分區(qū)內(nèi)分所較多。

1.2傳統(tǒng)的線路和母線保護(hù)方案

傳統(tǒng)的軌道交通供電系統(tǒng)采用光纖縱差保護(hù)和過流保護(hù)相互配合的保護(hù)方案。該保護(hù)方案中環(huán)網(wǎng)電纜之間的光纖縱差作為主保護(hù)，過流保護(hù)作為后備保護(hù)，兩種保護(hù)的配合實(shí)現(xiàn)了“主后結(jié)合”，可靠性高、穩(wěn)定性好，因此被廣泛應(yīng)用。但是現(xiàn)有的保護(hù)方案是采用固定時(shí)間級(jí)差的過流保護(hù)來(lái)保證保護(hù)不越級(jí)動(dòng)作。這種方案導(dǎo)致靠近電源側(cè)的出線后備保護(hù)延時(shí)隨著供電級(jí)數(shù)的增加而延長(zhǎng)。對(duì)于10級(jí)以上供電環(huán)網(wǎng)，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)甚至達(dá)到5秒鐘以上，因此傳統(tǒng)的保護(hù)方案已無(wú)法滿足現(xiàn)代軌道交通供電系統(tǒng)對(duì)于繼電保護(hù)的要求。

本文主要針對(duì)目前軌道交通分所大分區(qū)環(huán)網(wǎng)供電方式，提出采用數(shù)字電流保護(hù)的選跳方案，在不同運(yùn)行方式下（正向供電、反向供電及線路故障母聯(lián)合閘供電），發(fā)生各類故障時(shí)，能快速、選擇性的切除故障，而無(wú)需切換保護(hù)的運(yùn)行方案。

2　軌道交通分所組成

現(xiàn)在軌道交通的分所一般是牽引+降壓混合所或純降壓所，下圖為牽引/降壓混合所。

2.1牽引變電站

將35kV交流電經(jīng)變壓器、整流器轉(zhuǎn)換為直流1500V/750V,給接觸網(wǎng)/接觸軌供電。

2.2降壓變電站

將35kV交流電降壓為400V,供車站除電動(dòng)車輛以外的所有動(dòng)力和照明電源。

2.3跟隨所變電站

功能等同于降壓變電所，位于兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的分所之間，是為離降壓變電站較遠(yuǎn)的地鐵設(shè)備供電。

2.4 35kV開關(guān)柜的配置

進(jìn)出線柜：進(jìn)線柜是本所的電源，出線柜是下一分所的電源。隨著供電方式的轉(zhuǎn)變，進(jìn)出線柜的功能是可以相互轉(zhuǎn)換的；

母聯(lián)柜：起聯(lián)絡(luò)作用，正常情況下處于分閘狀態(tài)。當(dāng)一路進(jìn)線出線故障時(shí)，跳掉本路進(jìn)線，合上母聯(lián)，實(shí)現(xiàn)一段進(jìn)線帶兩段母線供電的臨時(shí)方案；

配電變饋線柜：也稱動(dòng)力變饋線柜，為降壓所變壓器供電；

整流變饋線柜：也稱牽引變饋線柜，為牽引所變壓器供電。

3　大分區(qū)供電方式的保護(hù)方案

所謂數(shù)字電流保護(hù)，并不是說(shuō)繼保采集的電流是數(shù)字量電流，而是該繼保可以提供過流閉鎖信號(hào)，同時(shí)能根據(jù)接收到的過流閉鎖信號(hào)，進(jìn)行邏輯計(jì)算，決定保護(hù)是否需要?jiǎng)幼?。其?shí)很多合資品牌的微機(jī)保護(hù)裝置都有這個(gè)邏輯編程能力，比如ABB、西門子和施耐德等。所以采用數(shù)字電流保護(hù)，并不是一定要更換繼保，而是只要原來(lái)繼保具有該邏輯計(jì)算能力就可以。

新的保護(hù)方案，主要針對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)無(wú)法滿足大分區(qū)供電方式要求的備自投及母線保護(hù)。對(duì)于進(jìn)出線柜和母聯(lián)柜影響比較大，而關(guān)于動(dòng)力變和牽引變的保護(hù)基本上沒有多少變化，還是延續(xù)傳統(tǒng)保護(hù)的方案。

3.1備自投

3.1.1低電壓?jiǎn)?dòng)備自投

這是傳統(tǒng)的備自投啟動(dòng)方式，其工作原理為：當(dāng)檢測(cè)到某段母線低電壓時(shí)，先將該段進(jìn)線跳閘，并發(fā)自投命令給母聯(lián)；母聯(lián)柜接收到自投命令后，判斷另一段母線電壓是否正常，如果電壓正常，立即合母聯(lián)，讓另一段進(jìn)線帶兩段母線供電。這時(shí)，由于母線故障及正常的就地/遠(yuǎn)方分閘操作導(dǎo)致的低電壓需要閉鎖備自投。

當(dāng)采用大分區(qū)供電方式時(shí)，一旦一段母線失壓時(shí)，它后續(xù)拉手供電的站也都一起失壓。這時(shí)各個(gè)站的備自投都一起啟動(dòng)，為了只讓靠近電源端的站啟動(dòng)備投，需要給各個(gè)站加級(jí)差。這樣就出現(xiàn)兩個(gè)問題，如果拉手的站數(shù)量太多，到最后一個(gè)站的時(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法滿足快速要求，這是其一；還有一個(gè)問題是需要考慮供電方向，正向供電時(shí)第一個(gè)分站，反向供電時(shí)就變成最后一個(gè)分站，所以還需要考慮供電方式。因此，低電壓?jiǎn)?dòng)備自投已經(jīng)不能滿足大分區(qū)供電方式的要求。

3.1.2線路差動(dòng)故障啟動(dòng)備自投

這是針對(duì)大分區(qū)供電方式提出的備自投啟動(dòng)方式，其工作原理是：當(dāng)線路出現(xiàn)差動(dòng)故障，并且斷路器已經(jīng)跳閘后，進(jìn)出線發(fā)差動(dòng)故障啟動(dòng)備自投信號(hào)給母聯(lián)，母聯(lián)再根據(jù)兩段母線的電壓情況，決定是否投入。比如說(shuō)當(dāng)1段進(jìn)線發(fā)來(lái)自投信號(hào)，如果母聯(lián)檢測(cè)到1段無(wú)壓，2段有壓，母聯(lián)就投入；如果是1段出線發(fā)來(lái)自投信號(hào)，母聯(lián)柜這時(shí)檢測(cè)到的是兩段母線都是電壓正常，這時(shí)母聯(lián)就不投入。

線路差動(dòng)故障啟動(dòng)備自投的方式，不僅不用設(shè)級(jí)差，而且不用考慮系統(tǒng)的供電方式，不管是正向供電還是反向供電都不用考慮。

3.2數(shù)字電流保護(hù)選跳方案

針對(duì)大分區(qū)供電方式提出的數(shù)字電流保護(hù)選跳方案，主要用于解決母線故障。進(jìn)出線及母聯(lián)可以通過選跳方案，判斷出該故障屬于區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障。如果是區(qū)內(nèi)故障，啟動(dòng)跳閘命令；如果是區(qū)外故障，閉鎖保護(hù)出口，不觸發(fā)跳閘命令。這樣可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)差、無(wú)延時(shí)的母線故障保護(hù)。以下的方案討論以地鐵為例。

3.2.1饋線柜選跳方案

饋線柜（動(dòng)力變柜和牽引變柜）只發(fā)過流閉鎖信號(hào)給母聯(lián)柜及同母進(jìn)出線柜，不接收過流閉鎖信號(hào)。

3.2.2母聯(lián)柜選跳方案

母聯(lián)柜發(fā)過流閉鎖信號(hào)給兩段母線的進(jìn)出線柜，并接收兩段母線進(jìn)出線柜和饋線柜的過流閉鎖信號(hào)。當(dāng)母聯(lián)柜出現(xiàn)過流信號(hào)，且收到任何一路饋線柜的過流閉鎖信號(hào)或來(lái)自兩段母線的同時(shí)過流閉鎖信號(hào)，這時(shí)代表區(qū)外故障，母聯(lián)柜過流保護(hù)不出口。反之，如果母聯(lián)柜出現(xiàn)過流信號(hào)，且沒有收到任何一路饋線柜的過流閉鎖信號(hào)或兩段母線同時(shí)過流的閉鎖信號(hào)，這時(shí)代表區(qū)內(nèi)故障，母聯(lián)柜過流保護(hù)動(dòng)作，出口跳本柜斷路器。

3.2.3進(jìn)出線柜選跳方案

進(jìn)線柜發(fā)過流閉鎖信號(hào)給母聯(lián)柜及同母出線柜，同時(shí)接收母聯(lián)柜、同母出線柜和本段饋線柜的電流閉鎖信號(hào)。當(dāng)進(jìn)線柜出現(xiàn)過流信號(hào)時(shí)，如果有收到母聯(lián)柜、同母出線柜或本段饋線柜任何一路的過流閉鎖信號(hào)，代表為區(qū)外故障，閉鎖過流出口。如果進(jìn)線柜出現(xiàn)過流信號(hào)時(shí)，沒有收到任何一路的過流閉鎖信號(hào)，代表為區(qū)內(nèi)故障，這時(shí)過流保護(hù)動(dòng)作，出口跳本柜斷路器，并且聯(lián)跳同母出線柜。出線柜和進(jìn)線柜的選跳方案一致，這里不再重復(fù)。

3.2.4選跳方案舉例說(shuō)明

地鐵一般有三種運(yùn)行方式和三種故障類型。三種運(yùn)行方式為：正常運(yùn)行方式、非正常運(yùn)行方式一（母聯(lián)開關(guān)合閘）和非正常運(yùn)行方式二（環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘）；三種故障類型為：饋線故障、母線故障及線路故障。此次只列舉正常運(yùn)行方式下的三種故障類型。

正常運(yùn)行方式下的饋線線路故障

如上圖例所示，當(dāng)d2點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，3和14號(hào)柜的繼保都會(huì)檢測(cè)到過流信號(hào)。這時(shí)，14號(hào)繼保發(fā)過流信號(hào)給3號(hào)繼保，并且延時(shí)一段時(shí)間后動(dòng)作跳閘；3號(hào)繼保接收到14號(hào)繼保的過流閉鎖信號(hào)，判斷為區(qū)外故障，保護(hù)不出口，所以這時(shí)只有14號(hào)柜跳閘。

正常運(yùn)行方式下的母線故障

如上圖例所示，當(dāng)d4點(diǎn)發(fā)生母線故障時(shí)，1、2、5、6和9號(hào)柜的繼保都會(huì)檢測(cè)到過流信號(hào)。1和2之間、5和6之間互送過流閉鎖信號(hào)，判斷為區(qū)外故障，因而閉鎖過流保護(hù)不動(dòng)作。9號(hào)繼保沒有收到任何過流閉鎖信號(hào)，判斷為區(qū)內(nèi)母線故障，過流保護(hù)動(dòng)作，跳閘9號(hào)柜。

正常運(yùn)行方式下的線路故障

如上圖所示，d1點(diǎn)發(fā)生線路故障時(shí)，3、4、7和8號(hào)繼保都會(huì)檢測(cè)到過流信號(hào)。3和4之間、7和8之間互送過流閉鎖信號(hào)，判斷為區(qū)外故障，因而閉鎖過流保護(hù)不動(dòng)作。這時(shí)8和11號(hào)光纖差動(dòng)保護(hù)會(huì)檢測(cè)到故障信號(hào)，而出口將8和11號(hào)柜子的斷路器跳閘。

3.3過流閉鎖信號(hào)的兩種傳送方式

3.3.1通過硬接線傳送

過流閉鎖信號(hào)經(jīng)保護(hù)出口，通過硬接線送到站內(nèi)的其他開關(guān)柜繼保。由于硬接線傳輸距離有限（也就幾十米），兩個(gè)站之間又比較遠(yuǎn)(一般都在一兩公里左右)，所以這種經(jīng)硬接線傳送的過流閉鎖信號(hào)，只能實(shí)現(xiàn)站內(nèi)母線故障選跳，無(wú)法實(shí)現(xiàn)站間的線路故障選跳。目前ABB的REF542和REF620保護(hù)裝置都能實(shí)現(xiàn)此選跳功能。

3.3.2通過GOOSE以太網(wǎng)通訊傳送

GOOSE是面向通用對(duì)象的變電站事件的簡(jiǎn)稱。同一層級(jí)的保護(hù)之間可以直接對(duì)話，不用經(jīng)過后臺(tái)系統(tǒng)，不同站之間采用光纖傳輸。這樣不僅傳輸距離遠(yuǎn)，而且速度快。過流閉鎖信號(hào)經(jīng)GOOSE以太網(wǎng)，不僅可以在站內(nèi)傳輸，而且可以在站間傳輸，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的母線故障選跳和站間的線路故障選跳。目前ABB的REF620保護(hù)裝置可以實(shí)現(xiàn)該選跳功能。

3.3.3兩種傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)

通過硬接線傳輸?shù)姆绞?，?yōu)點(diǎn)是對(duì)保護(hù)要求比較低，通訊設(shè)備投入較少，很多保護(hù)都能實(shí)現(xiàn)；而且當(dāng)保護(hù)通訊出現(xiàn)故障時(shí)，不影響該選跳功能。缺點(diǎn)是二次回路接線多、復(fù)雜，容易出故障，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)站間的線路故障選跳。

通過GOOSE以太網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，?yōu)點(diǎn)是傳輸速度快、距離遠(yuǎn)，而且接線簡(jiǎn)單（幾乎沒有什么柜間閉鎖線）。不僅可以實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的母線故障選跳，還可以實(shí)現(xiàn)站間的線路故障選跳。線路故障選跳可以當(dāng)作線路差動(dòng)的后備保護(hù)，當(dāng)線路差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)故障時(shí)，還可以加速成為線路故障主保護(hù)，而且速度不會(huì)比光纖差動(dòng)保護(hù)慢。缺點(diǎn)是對(duì)通訊設(shè)備要求比較高，需要保護(hù)支持IEC61850協(xié)議，通訊設(shè)備投入較多，而且當(dāng)通訊故障時(shí)，整個(gè)選跳系統(tǒng)就失效。

4　結(jié)論

針對(duì)軌道交通系統(tǒng)大分區(qū)供電方式，提出的數(shù)字電流選跳方案，可以攻克傳統(tǒng)級(jí)差保護(hù)無(wú)法解決的問題，在不同運(yùn)行方式下，發(fā)生各類故障時(shí)，能快速、選擇性的切除故障。這種選跳方案已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。已經(jīng)運(yùn)行的鄭州地鐵1號(hào)線和正要上線的鄭州地鐵2號(hào)線及天津地鐵5號(hào)線都是采用硬接線的傳輸方式；剛投運(yùn)不久的寧波地鐵2號(hào)線和即將投運(yùn)的廈門地鐵1號(hào)線及蘭州地鐵1號(hào)線都是采用GOOSE傳輸?shù)姆绞健Ｏ嘈旁撨x跳方案會(huì)顯現(xiàn)出它越來(lái)越重要的作用。

[1]陳麗華，李學(xué)武.《城市軌道交通供電系統(tǒng)繼電保護(hù)》

[2]何磊.《IEC61850應(yīng)用入門》