城市轨道交通工程中压供电网络保护方案优化

陈建君，周才发

0 引言

城市轨道交通工程供电系统是城市轨道交通的动力之源，为车辆、车站和沿线用电设备提供电源，供电系统一旦送电，继电保护就必须保证其安全可靠地运行，否则将给城市轨道交通的运行埋下严重的事故隐患，危及生命财产安全和社会稳定。目前，国内城市轨道交通工程供电系统多采用集中供电方式，中压供电网络采用双环网分区供电。

1 传统环网保护配置方案

城市轨道交通工程中压供电网络的传统保护配置方案通常采用光纤纵差保护作为主保护，定时限过电流保护和零序电流保护作为后备保护。该方案便于理解，保护的选择性逻辑非常清晰，具有后备保护的多重（级）性，保护的独立性强。

但是，该方案的过电流后备保护，主要是依靠上下级继电保护来整定电流和时间的级差，以实现选择性，因此，故障点越靠近电源侧，保护动作时间越慢。而且，针对不同的运行方式，保护整定值必须进行相应的切换，这给运营调度带来了不便。由于城市电力调度部门提供的主变电所35 kV 侧母线的过电流时间定值通常较短，因此，该方案仅适用于小分区中压供电环网系统，在大分区供电环网系统或主变电所支援越区供电时，后备过电流保护装置的动作无法保证选择性。

作为面向公众的城市轨道交通工程，对供电系统继电保护的可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求是不断提高的，因此，对中压供电环网传统的过电流后备保护进行优化显得十分必要。笔者在此提出一套过电流后备保护优化方案，并对其原理和工作过程进行分析，供中压供电网络继电保护设计时参考。

2 优化方案

城市轨道交通工程供电系统中压供电网络优化后的保护配置方案采用光纤纵差保护作为主保护，定时限过电流保护（带后加速）和零序电流保护作为后备保护。下面将以各故障点为例，对优化方案的原理和工作过程进行分析。鉴于城市轨道交通工程供电系统中压供电网络接地故障的零序电流不会反映到主变电所的高压侧，因此，零序电流保护不受整定时间级差的限制，优化方案中的零序电流保护与传统方案中的零序电流保护一致，下面的分析将不涉及零序电流保护。

图1 为城市轨道交通工程供电系统中压供电网络过电流后备保护优化方案原理图，考虑各级保护时间配合级差为0.3 s。中压供电环网过电流后备保护的时间定值为0.9 s，光纤纵差保护装置故障退出时触发过电流后加速保护时间定值为0.6 s，考虑母线故障时逻辑判断所需时间为0.2 s（相当于母线故障时，进线过电流保护的时间定值为0.2 s），母线限时速断保护时间定值为0.4 s，馈线速断保护的时间定值为0 s，馈线过电流保护时间定值为0.3 s。

图1 过电流后备保护优化方案原理图

针对城市轨道交通工程采用集中供电方式、中压供电网络为双环网分区的交流供电系统的特点，与环网保护配置相关的故障可以概括为环网电缆故障、母线故障、馈线电缆故障。

2.1 环网电缆故障

如图1 所示，当SS2站的开关R3与SS3站的开关R4之间的环网电缆F1点故障时，正常情况下，开关R3与开关R4上的光纤纵差保护装置0 s 启动跳闸；如果光纤纵差保护装置故障，开关R4的后加速过电流后备保护装置延时0.6 s 启动跳闸；如果开关R4拒动，则通过拒动保护装置启动上一级进线开关R5。

此时，如果由于某种原因，导致光纤纵差保护装置故障，且又没有启动后加速过电流保护装置，环网开关上配置的过电流保护装置延时0.9 s 启动跳闸，则跳闸失去选择性，该情况已经是多重故障，实际运营中发生的概率极低，可以没有选择性。其他任何区间，环网电缆上的故障分析与之相同。

2.2 母线故障

由于后加速过电流保护装置是通过光纤纵差保护装置故障退出时触发的，因此，在母线故障时，后加速过电流保护装置失去作用，只能通过环网开关上配置的过电流保护装置延时0.9 s 启动跳闸，跳闸失去选择性，不能满足继电保护装置的选择性要求。对此，笔者考虑通过馈线、母联分段和出线电流保护启动闭锁进线电流保护的方法，实现母线故障的选择性和速动性。

通过对图1 分析可知，当SS2站的母线F2点故障时，出线开关R2无过流，进线开关R3有过流，母联分段开关无过流（因母联分段开关正常情况下是分断的），馈线开关R1无过流。由此，可以得出母线故障保护装置的动作逻辑如图2 所示。

图2 母线保护动作逻辑图（一）

由于任何情况下城市轨道交通工程中压供电环网都以单环网、单电源方式运行，也就是说在任何运行方式下，供电环网上的每座变电所的任意一段母线上，只能有一个进线，其他均为出线，考虑在主变电所支援越区供电的情况下，有些变电所进出线会发生改变，母线故障保护的动作逻辑可以简化如图3 所示。

图3 母线保护动作逻辑图（二）

当母线发生故障时，通过以上逻辑判断，延时0.2 s 后，进线开关过电流保护装置启动跳闸。

当变电所一个进线电源解列、母联分段开关闭合时，进线电源解列所在的母线发生故障，此时，通过逻辑判断的母线故障保护装置将失去作用，而母联分段开关的限时电流速断保护装置可以起到保护作用，满足选择性的要求。

2.3 馈线电缆故障

如图1 所示，当SS2站的馈线电缆F3点故障时，正常情况下，由开关R1的电流速断、过流或零序电流保护装置动作，若开关R1拒动，则通过拒动保护装置启动上一级进线开关R3；若母联分段开关处于合位，则由母联分段开关的限时电流速断或零序电流保护装置动作，满足选择性的要求。

3 方案优点

优化方案优点如下：

（1）与传统方案过电流后备保护的整定原则一致，不改变过电流后备保护的灵敏性和可靠性。

（2）中压供电环网过电流后备保护的选择性不再依赖整定时间的级差，整定时不需要考虑与上下级变电所整定值的配合问题，只需要考虑变电所内部的整定配合。继电保护不再受供电分区内变电所数量的限制，适用于各种分区供电环网系统。

（3）多座变电所进出线过电流后备保护的整定时间可以相同，因而缩短了过电流后备保护的动作时间，发生故障时可以快速切除故障。

（4）无需整定值切换，一套整定值可以适应各种运行方式，当线路的功率方向发生改变时，也不需要调整整定值。

（5）逻辑判断简单，普通厂家的微机保护装置均能实现，不需要采用特殊的设备。

（6）设备之间的逻辑判断信号在同一个变电所内，可以通过硬线连接，基本上不增加工程投资。

（7）保护装置的独立性较强，无需相邻变电所的信号配合；在多重故障情况下，均能切除故障，可靠性高。

（8）原理简单，可靠性高，调试、维护方便。

4 结语

综上所述，优化方案的接线简单，可靠性高，保护装置的选择性得到了保障，同时提高了过电流后备保护装置和母线故障保护装置的速动性，在城市轨道交通工程中有很好的实用性，值得在国内城市轨道交通工程建设中推广。

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