城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)大分區(qū)供電保護(hù)方案比選

王 蛟 楊靈芝

（中交機(jī)電工程局有限公司技術(shù)中心，430063，武漢∥第一作者，高級工程師）

目前，我國城市軌道交通供電系統(tǒng)普遍采用雙環(huán)網(wǎng)接線的中壓網(wǎng)絡(luò)供電方案。其根據(jù)分區(qū)內(nèi)變電所的數(shù)量可劃分為小分區(qū)供電方案和大分區(qū)供電方案。通常小分區(qū)供電方案的每個(gè)分區(qū)內(nèi)設(shè)置3～4個(gè)變電所，且供電區(qū)間敷設(shè)的電纜較多，因此現(xiàn)已逐步采用大分區(qū)供電方案。大分區(qū)供電方案中1個(gè)分區(qū)通常設(shè)置6個(gè)及以上變電所［1］。環(huán)網(wǎng)供電保護(hù)配置方案與供電系統(tǒng)的電壓等級、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方式以及供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式等有關(guān)，且應(yīng)滿足可靠性、選擇性、靈敏性及速動(dòng)性4項(xiàng)基本要求。

1 大分區(qū)供電保護(hù)方案對比分析

城市軌道交通中繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置的配置方案與供電系統(tǒng)的電壓等級、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方式、供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式、系統(tǒng)接地方式及供電系統(tǒng)故障水平等有關(guān)［2］，當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)盡快切除故障、縮減故障范圍并快速恢復(fù)供電系統(tǒng)。

城市軌道交通中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)備用關(guān)系復(fù)雜，在實(shí)際運(yùn)行中運(yùn)行方式多種多樣。大分區(qū)供電保護(hù)在各種運(yùn)行方式下均應(yīng)能可靠動(dòng)作，確保系統(tǒng)安全。

城市軌道交通相鄰變電所的間距較短，35 kV環(huán)網(wǎng)各點(diǎn)的線路阻抗相差較小，環(huán)網(wǎng)上不同地點(diǎn)的短路電流值相差亦很?。?］。因此，如何實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的選擇性顯得尤為重要。

目前，城市軌道交通大分區(qū)供電保護(hù)實(shí)際采用的方案有過流時(shí)間級差方案、硬線閉鎖方案、近區(qū)速動(dòng)方案、動(dòng)態(tài)加速方案、GOOSE（面向通用對象的變電站事件）網(wǎng)絡(luò)方案、電流選跳方案及線路母線全差動(dòng)方案等。

1.1 過流時(shí)間級差方案

過流時(shí)間級差方案為原小分區(qū)供電保護(hù)方案，其在個(gè)別大分區(qū)接線工程中亦有應(yīng)用。大分區(qū)下的各種供電保護(hù)方案均以此為基礎(chǔ)進(jìn)行改良。

過流時(shí)間級差方案的保護(hù)裝置配置為：設(shè)置差動(dòng)保護(hù)裝置作為35 kV電纜故障的主保護(hù)；設(shè)置電流保護(hù)裝置作為35 kV電纜故障的后備保護(hù)，同時(shí)將該裝置作為35 kV開關(guān)柜故障的保護(hù)。

線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作快速、運(yùn)行可靠、原理簡單準(zhǔn)確，且無需與其他保護(hù)進(jìn)行配合，保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性好。該方案對電纜故障可快速切除。但在大分區(qū)接線下對母線故障選擇性難以實(shí)現(xiàn)，對出現(xiàn)電纜故障且線路光纖差動(dòng)保護(hù)退出的情況下亦無法達(dá)到要求的選擇性，其近端短路動(dòng)作時(shí)限較長。電力系統(tǒng)一般要求主變電所出口開關(guān)過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限不得大于1.5 s。而城市軌道交通上下級變電所間如采用時(shí)間進(jìn)行級差配合，需要設(shè)置0.3 s的級差，即最多僅能設(shè)置4級級差，但4級級差無法滿足大分區(qū)供電保護(hù)配合要求。此外，該方案對于靠近主變電所端短路電流較大的情況，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間反而較長，且對設(shè)備的影響較大。

1.2 硬線閉鎖方案

硬線閉鎖方案的保護(hù)裝置配置與過流時(shí)間級差方案相同。該方案通過判斷故障兩側(cè)開關(guān)（包含進(jìn)線、出線和母聯(lián)）是否同時(shí)流過短路電流來判斷出現(xiàn)故障范圍并跳開相應(yīng)開關(guān)。由于其采用硬接線在進(jìn)線、出線與母聯(lián)開關(guān)的保護(hù)裝置間傳遞過流啟動(dòng)信號并相互閉鎖，故稱為硬線閉鎖方案。

該方案部分解決了過流時(shí)間級差方案的弊端，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)的選擇性，解決了近端短路故障動(dòng)作時(shí)限過長的問題。但其邏輯較為復(fù)雜，尤其在構(gòu)建后備保護(hù)方案后邏輯更為復(fù)雜。當(dāng)變電所存在多個(gè)出線、電流流向存在多種可能時(shí)，方案的復(fù)雜性將進(jìn)一步增加。

該方案采用硬接線傳遞信號，隨著信號傳遞數(shù)量的增加，電纜量亦同步遞增，某種程度上增加了設(shè)備生產(chǎn)以及施工的難度。

1.3 近區(qū)速動(dòng)方案

近區(qū)速動(dòng)方案的保護(hù)裝置配置與過流時(shí)間級差方案相同，其主要是在進(jìn)出線柜裝設(shè)差動(dòng)保護(hù)裝置和過電流保護(hù)裝置，且通過硬接線在差動(dòng)保護(hù)裝置和過電流保護(hù)裝置間傳遞保護(hù)動(dòng)作信號。該方案通過邏輯運(yùn)算判斷是否為本變電所內(nèi)發(fā)生故障，并斷開相應(yīng)的開關(guān)切除故障。

近區(qū)速動(dòng)方案和硬線閉鎖方案的不同之處在于：近區(qū)速動(dòng)方案引入了差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作信號來參與邏輯判斷，但其本質(zhì)上仍為硬線閉鎖方案。因此，該方案與硬線閉鎖方案均具備接線多、邏輯復(fù)雜以及工程造價(jià)低等特點(diǎn)。

1.4 動(dòng)態(tài)加速方案

動(dòng)態(tài)加速方案是對于過流時(shí)間級差方案的一種改進(jìn)方案，其保護(hù)裝置配置與過流時(shí)間級差方案相同，均為在進(jìn)出線柜上分別設(shè)置1套差動(dòng)保護(hù)裝置和1套過流保護(hù)裝置。差動(dòng)保護(hù)裝置作為電纜的主保護(hù)，在電纜出現(xiàn)故障時(shí)可快速動(dòng)作并切除故障。過流保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)了對母線故障的主保護(hù)、后備保護(hù)以及電纜故障的后備保護(hù)。過流保護(hù)裝置設(shè)置了后備段和加速段兩段過流保護(hù)。加速段正常運(yùn)行時(shí)為閉鎖狀態(tài)，且其動(dòng)作時(shí)限小于后備段。

在發(fā)生電纜故障或母線故障時(shí)的保護(hù)動(dòng)作邏輯如下：當(dāng)電纜出現(xiàn)故障時(shí)，在差動(dòng)保護(hù)裝置正常的情況下由差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作快速切除故障；當(dāng)差動(dòng)裝置出現(xiàn)故障（含通信故障）時(shí)，激活過流保護(hù)裝置加速段，由其動(dòng)作切除故障；當(dāng)35 kV母線出現(xiàn)故障時(shí)，采用35 kV開關(guān)內(nèi)的電弧信號激活本段母線上進(jìn)出線和母聯(lián)過流保護(hù)裝置速斷電流段，跳開進(jìn)出線和母聯(lián)，實(shí)現(xiàn)選擇性。

該方案的邏輯及接線較簡單，方案中所有保護(hù)動(dòng)作的判據(jù)不依賴其他車站的信號，其獨(dú)立性強(qiáng)、工程造價(jià)低、便于調(diào)試及維護(hù)。

1.5GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案

GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案是過流時(shí)間級差方案的一種改良方案，其保護(hù)配置和過流時(shí)間級差方案相同。該方案在變電所內(nèi)和變電所間的過流保護(hù)裝置間設(shè)置冗余GOOSE通信網(wǎng)，各過流保護(hù)裝置以此來實(shí)現(xiàn)故障信息的傳遞，從而更好地判別故障位置。得到故障的位置信息后，各過流保護(hù)裝置通過設(shè)置動(dòng)態(tài)的動(dòng)作時(shí)限（動(dòng)作時(shí)限由故障點(diǎn)至電源方向逐步提高），從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的選擇性和多重后備。

該方案很好地解決了過流保護(hù)的選擇性問題，并實(shí)現(xiàn)了多重后備，其在保護(hù)裝置和通信網(wǎng)絡(luò)完全正常的前提下，可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的選擇性。但該方案過流保護(hù)的選擇性通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，其調(diào)試及校驗(yàn)較不方便，且城市軌道交通的電磁環(huán)境影響較大。此外，該過流保護(hù)方案依賴多個(gè)過電流保護(hù)裝置協(xié)同工作，故可靠性較低、邏輯較為復(fù)雜。

1.6 電流選跳方案

電流選跳方案同樣也是對過流時(shí)間級差方案的一種改良，類似于GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案。該方案通過電流保護(hù)裝置之間的通信判斷故障位置，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性和后備保護(hù)。其與GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案的區(qū)別是：該方案通過保護(hù)裝置直接通信實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的選擇性，而GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案則采用組建通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

該方案的特點(diǎn)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案基本相同，由于其過流保護(hù)裝置之間直接通信，減少了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，故工程造價(jià)和實(shí)施難度相對較低。

1.7 線路母線全差動(dòng)方案

線路母線全差動(dòng)方案為在過流時(shí)間級差方案的基礎(chǔ)上增設(shè)了母線差動(dòng)保護(hù)，通過增設(shè)的母線差動(dòng)保護(hù)完善母線故障主備保護(hù)以及電纜故障的后備保護(hù)的選擇性問題。

該方案對于線路和母線故障均構(gòu)建了2套保護(hù)，2套保護(hù)采用不同原理且相互獨(dú)立。第一套保護(hù)為線路差動(dòng)保護(hù)和母線差動(dòng)保護(hù)，由線路差動(dòng)保護(hù)裝置和母線差動(dòng)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)；第二套保護(hù)為進(jìn)線柜、出線柜和母聯(lián)柜上裝設(shè)的過流保護(hù)裝置構(gòu)成的光纖比選過電流保護(hù)。2套保護(hù)方案原理不同，但形成了良好的冗余關(guān)系。

該方案采用了2套不同原理、不同子產(chǎn)品系列的保護(hù)，某種程度上增加了保護(hù)的獨(dú)立性和可靠性。在1套保護(hù)出現(xiàn)故障的情況下，另外1套保護(hù)仍然可快速動(dòng)作，不需考慮復(fù)雜的備用關(guān)系和后備邏輯，因此其邏輯較為簡單。但由于該方案增設(shè)了母線差動(dòng)保護(hù)裝置，需增加一定的工程投資，但隨著母線差動(dòng)保護(hù)裝置在各行業(yè)的大量應(yīng)用，使得目前母線差動(dòng)保護(hù)裝置的性價(jià)比得以提高。

1.8 方案對比

城市軌道交通大分區(qū)供電保護(hù)各方案的性能對比如表1所示。

表1 城市軌道交通大分區(qū)供電保護(hù)各方案的性能特點(diǎn)

2 結(jié)語

對城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)大分區(qū)供電保護(hù)的各種方案（包括過流時(shí)間級差方案、硬線閉鎖方案、近區(qū)速動(dòng)方案、動(dòng)態(tài)加速方案、GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案、電流選跳方案以及線路母線全差動(dòng)方案）進(jìn)行了分析，并對各方案的可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性等性能進(jìn)行了對比。方案各具特點(diǎn)，且在具體項(xiàng)目中亦在不斷完善和改進(jìn)。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)各方案的特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際情況，合理采用最適合的方案，以保證城市軌道交通供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

［1］ 于松偉，楊興山.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

［2］ 鮑鳴.一種35 kV大分區(qū)供電保護(hù)方案在地鐵中的應(yīng)用分析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2013（4）：19.

［3］ 王蛟.武漢4號線中壓系統(tǒng)保護(hù)及運(yùn)行方式研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2015.