一種35kV大分區(qū)供電保護方案在地鐵中的應用分析

摘 要：當前越來越多的地鐵供電系統(tǒng)采用大分區(qū)供電方案，在這一供電模式下，傳統(tǒng)的電流級差保護方案已經(jīng)無法保障供電的保護選擇性，因此，提出光纖差動保護及過流保護相配合、電流選跳保護優(yōu)化的大分區(qū)供電保護方案。文章通過對光纖差動保護、過流保護相配合的保護配置方案進行敘述，提出了保護裝置在正常和故障情況下的典型故障保護動作，最后提出了電流選跳優(yōu)化保護方案，通過這幾個方面總結了35kV供電系統(tǒng)中大分區(qū)保護方案的應用。

關鍵詞：大分區(qū)供電；地鐵供電系統(tǒng)；過流保護；電流選跳

引言

隨著國內供電設備和電纜生產的工藝水平不斷提高，供電系統(tǒng)故障率也有所下降，當前在建地鐵35kV交流供電系統(tǒng)中逐漸采用了大分區(qū)供電，但傳統(tǒng)的電流保護方案無法保障各分所保護之間選擇性。而當前針對大分區(qū)供電的保護方案主要是電流選跳保護，但由于當前的電流選跳保護過度依賴鄰站電流保護裝置之間額外架設的光纖傳輸通道來傳輸保護比選信息，故障選擇性切除的邏輯判斷。一旦額外的光纖通道失效，會導致故障選擇性切除功能的喪失，同時也降低了保護速動性[1]。

1 大分區(qū)供電保護方案

當前國內的地鐵供電系統(tǒng)主要包括110kV/35kV集中供電以及35kV分散供電這兩種方式，前者較為普遍，在供電系統(tǒng)搭建過程中，根據(jù)線路的長短，集中供電方式在一條地鐵線路中設置2個或2個以上的主變電所，主變電所又通過主變壓器來將城市電網(wǎng)分為110kV的兩路引入，并將電源電壓降為35kV，之后再輸送至各個車站牽引降壓變電所來為地鐵供電。以往的地鐵35kV供電系統(tǒng)中，大多采用小分區(qū)、小環(huán)網(wǎng)供電的形式。為了降低環(huán)網(wǎng)電纜及開關柜的投資成本和綜合造價，當前新建地鐵35kV系統(tǒng)越來越多的采用大分區(qū)供電模式，即一個供電分區(qū)由5～8個，甚至更多個變電所組成，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。大分區(qū)供電方案如圖1所示。

2 傳統(tǒng)保護配置存在的不足

35kV地鐵供電系統(tǒng)中傳統(tǒng)的保護配置方案為：以光纖線路的差動保護作為主保護，定時限過電流及零序過電流保護作為后備保護。這種配置方案針對各種可能出現(xiàn)的常見短路故障能夠提供可靠的保護，但也存在一定局限和不足，尤其是在大分區(qū)的供電模式中。

首先，在理想的情況下，為了保證保護選擇性，過電流保護動作時間應當逐級配合，同時還應當滿足電力系統(tǒng)所提供的主變電所進線過流保護的整定時間的相互配合。而在大分區(qū)供電模式中，為了滿足系統(tǒng)的要求，環(huán)網(wǎng)過流保護無法進行逐級配合，只能犧牲掉一部分的選擇性并壓縮變電所間的配合級數(shù)，3-4個變電所其過流保護采用統(tǒng)一的時間整定值，這樣當環(huán)網(wǎng)的末端或是母線發(fā)生短路，若依靠過流保護動作來切除障礙，可能造成較大范圍同時跳閘，甚至導致更大范圍的地鐵停運事故。此外，過流保護時限的配合關系還受到供電系統(tǒng)其運行方式影響，運行方式需要改變時，必須重新對定值、時限配合關系重新進行配置，即切換不同定值組。

其次，后備保護的速動性以及選擇性之間存在矛盾，這是眾所周知的缺陷。為了滿足選擇性，則需要犧牲速動性。若發(fā)生故障點距離主變電所越近，短路電流就越大，跳閘時間就應當越短越好，但為了保證后備保護的選擇性，過流保護動作的時限反而更長。

最后，開關柜中母線保護的問題，設計規(guī)范中并未強調針對母線配置專門的保護，這是由于母線的保護價格較高，且地鐵35kV的開關柜通常采用GIS氣體絕緣柜，母線要出現(xiàn)故障的概率較小。但近年來在地鐵實際運營過程中，母線上的電壓互感器發(fā)生過擊穿短路，就相當于母線故障，最終都由環(huán)網(wǎng)的進線開關柜中過流保護出口動作，動作時間較長，造成一定的危害[3]。

線路光纖差動保護具有反應靈敏、動作迅速、可靠性強、選擇性強等優(yōu)點，但僅對保護線路有效，對于開關柜內母線發(fā)生的故障，只能依靠環(huán)網(wǎng)的后備過流保護，但時間較長，保護動作時間同變電所處于環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中的位置有一定的聯(lián)系，且可能會導致動作時限一致的不同變電所環(huán)網(wǎng)過流保護出現(xiàn)同時跳閘，影響供電系統(tǒng)的正常運作。

可見，傳統(tǒng)的保護配置方案已經(jīng)不適用于當前的地鐵大分區(qū)供電系統(tǒng)中，一方面可以通過改善現(xiàn)有的電流選跳保護方案，即通過電流選跳保護結合差動保護、過流保護的方式來進行優(yōu)化；另一方面，提出基于光纖差動和過流保護相互配合的選跳保護方配置方案。

3 保護選跳配置方案

保護配置方案按照地鐵保護的設置原則，一般只考慮N-1時的故障狀態(tài)，即一般不同時考慮兩種故障狀態(tài)。故障狀態(tài)包括：光纖差動保護裝置故障、光纖差動保護裝置通訊故障、后備保護裝置故障、母聯(lián)合閘運行及斷路器失靈。保護功能的設置與傳統(tǒng)的地鐵系統(tǒng)保護配置一致，為進線、出線主保護采用差動保護及后備保護，差動主保護與后備保護（包括過流保護、零序保護等）采用獨立的兩套保護裝置；出線及母聯(lián)配置過流保護、零序保護及變壓器非電量保護等。

保護選跳配置方案分為硬線配置和邏輯配置。

硬線配置指在主變電所35kV的氣體絕緣開關出線柜以及各分區(qū)變電所的進出線柜、饋線柜、母聯(lián)柜的保護裝置之間信息溝通渠道。進、出線柜光纖差動保護采用專用的光纖通道實現(xiàn)站間信息傳遞，站內的保護裝置之間，如本柜的差動保護及過流保護裝置之間，不同柜過流保護裝置之間進行信號傳遞采用硬件連線的方式。

邏輯配置即本站內進、出線柜、饋線柜、母聯(lián)柜保護裝置利用各裝置之間硬連線獲取的開出、開出量（硬連線在裝置開入、開出接點實現(xiàn)的高低電平），通過保護裝置內部邏輯判斷，實現(xiàn)站內、站間的保護閉鎖及保護跳閘配合。

4 電流選跳保護配合典型案例分析

以某一分區(qū)35kV變電所進、出線柜保護配合為例：

（1）在正常運行方式，即母聯(lián)處于分位，如圖2電纜故障（d1點故障）。

a.差動保護裝置正常、無斷路器失靈，d1電纜故障。結果：斷路器6、9的差動保護正確動作，斷路器6、9跳閘，切除故障線路。b.差動保護裝置正常、斷路器6失靈，d1電纜故障。結果：斷路器9的差動裝置正確跳開斷路器9；由于斷路器6失靈無法跳閘，其差動保護通過裝置之間的硬線信息通知同母保護裝置跳開斷路器5。c.差動保護裝置正常、斷路器9失靈，d1電纜故障。結果：斷路器6的差動裝置正確跳開斷路器6；由于斷路器9失靈無法跳閘，其差動保護通過裝置之間的硬線信息通知同母保護裝置跳開斷路器10。d.斷路器6或9的差動保護裝置異常或保護通信異常，無斷路器失靈，d1電纜故障。結果：斷路器6的過流保護裝置加投的過流I段跳開斷路器6；斷路器9的過流保護裝置加投低電壓保護跳開斷路器9。e.斷路器6或9的差動保護裝置異?；虮Ｗo通信異常，斷路器6失靈，d1電纜故障。結果：斷路器6的過流保護裝置加投的過流I段啟動斷路器失靈保護跳開斷路器5；斷路器9的過流保護裝置加投低電壓保護跳開斷路器9。f.斷路器6或9的差動保護裝置異?；虮Ｗo通信異常，斷路器9失靈，d1電纜故障。結果：斷路器6的過流保護裝置加投的過流I段跳開斷路器6；斷路器9的過流保護裝置加投低電壓保護啟動斷路器失靈跳開斷路器10。

（2）在正常運行方式，即母聯(lián)處于分位，如圖3母線故障（d3點故障）。

a.過流保護裝置均正常，無斷路器失靈，d3點故障。結果：斷路器5的過流保護裝置跳斷路器5同時聯(lián)跳斷路器6。b.過流保護裝置異常，無斷路器失靈，d3點故障。結果：啟動斷路器5的光纖差動保護裝置的過流Ⅱ段保護，跳斷路器5同時聯(lián)跳斷路器6。c.過流保護裝置正常，斷路器5失靈，d3點故障。結果：斷路器5的過流保護裝置動作并聯(lián)跳斷路器6，同時斷路器5的過流保護裝置啟動斷路器失靈保護，并通過本柜光纖差動保護裝置將跳閘信號傳至對側差動保護裝置，跳斷路器2。d.過流保護裝置正常，斷路器6失靈，d3點故障。結果：斷路器5的過流保護裝置跳斷路器5同時聯(lián)跳斷路器6。斷路器6未能跳閘啟動斷路器6，其過流保護裝置啟動斷路器失靈保護并通過本柜光纖差動保護裝置將跳閘信號傳至對側光纖差動保護裝置，跳斷路器9。

由于篇幅所限，非正常運行方式下，即本站母聯(lián)處于合位時，線路故障、母線故障情況的案例就不一一列舉了。

5 結束語

在地鐵供電系統(tǒng)發(fā)展過程中，大分區(qū)環(huán)網(wǎng)供電模式是地鐵35kV交流供電系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，文章提出了一種大分區(qū)供電選跳保護解決方案，在不改變現(xiàn)有保護裝置及功能的原則下，即可滿足大分區(qū)供電系統(tǒng)的選擇性要求，保證在各種運行方式、各種故障情況下環(huán)網(wǎng)進出線保護切除故障時間不大于0.5s。通過方案分析并根據(jù)故障進行分析，說明了大分區(qū)供電保護方案在地鐵中的應用具有良好的可行性。而方案優(yōu)化仍然在不斷進行中，在今后運營過程中應當積極探索，找到最優(yōu)方案，推動地鐵這一公共交通行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[1]趙生平.南京地鐵一號線南延線中壓供電系統(tǒng)方案研究[D].上海交通大學，2011，2（1）：42-43.