城市轨道交通大分区供电系统故障解决方案

沈敬松厦门ABB开关有限公司

城市轨道交通大分区供电系统故障解决方案

沈敬松
厦门ABB开关有限公司

随着城市的发展，我国各地正大力发展城市轨道交通。城市轨道交通供电系统是城市轨道交通网络的生命线，是城市轨道交通安全可靠运行的重要保证。由于目前轨道交通35kV供电系统大多采用大分区供电方式，每个供电分区内分所较多，因此传统供电模式下以级差配合的保护方式已经无法满足大分区供电系统的需求。本文针对现在城市轨道交通的这种大分区环网供电方式,提出了数字电流选跳保护方案。

大分区供电；数字电流保护；选跳；GOOSE

1　前言

1.1目前轨道交通大多采用的大分区供电方式

由于目前轨道交通35kV系统大多采用大分区供电结构（一个供电分区由5～8个，甚至更多个变电所组成，各变电所间的电源连接彼此通过电缆，以手拉手的环网方式相连），每个供电分区内分所较多。

1.2传统的线路和母线保护方案

传统的轨道交通供电系统采用光纤纵差保护和过流保护相互配合的保护方案。该保护方案中环网电缆之间的光纤纵差作为主保护，过流保护作为后备保护，两种保护的配合实现了“主后结合”，可靠性高、稳定性好，因此被广泛应用。但是现有的保护方案是采用固定时间级差的过流保护来保证保护不越级动作。这种方案导致靠近电源侧的出线后备保护延时随着供电级数的增加而延长。对于10级以上供电环网，保护动作延时甚至达到5秒钟以上，因此传统的保护方案已无法满足现代轨道交通供电系统对于继电保护的要求。

本文主要针对目前轨道交通分所大分区环网供电方式，提出采用数字电流保护的选跳方案，在不同运行方式下（正向供电、反向供电及线路故障母联合闸供电），发生各类故障时，能快速、选择性的切除故障，而无需切换保护的运行方案。

2　轨道交通分所组成

现在轨道交通的分所一般是牵引+降压混合所或纯降压所，下图为牵引/降压混合所。

2.1牵引变电站

将35kV交流电经变压器、整流器转换为直流1500V/750V,给接触网/接触轨供电。

2.2降压变电站

将35kV交流电降压为400V,供车站除电动车辆以外的所有动力和照明电源。

2.3跟随所变电站

功能等同于降压变电所，位于两个距离较远的分所之间，是为离降压变电站较远的地铁设备供电。

2.4 35kV开关柜的配置

进出线柜：进线柜是本所的电源，出线柜是下一分所的电源。随着供电方式的转变，进出线柜的功能是可以相互转换的；

母联柜：起联络作用，正常情况下处于分闸状态。当一路进线出线故障时，跳掉本路进线，合上母联，实现一段进线带两段母线供电的临时方案；

配电变馈线柜：也称动力变馈线柜，为降压所变压器供电；

整流变馈线柜：也称牵引变馈线柜，为牵引所变压器供电。

3　大分区供电方式的保护方案

所谓数字电流保护，并不是说继保采集的电流是数字量电流，而是该继保可以提供过流闭锁信号，同时能根据接收到的过流闭锁信号，进行逻辑计算，决定保护是否需要动作。其实很多合资品牌的微机保护装置都有这个逻辑编程能力，比如ABB、西门子和施耐德等。所以采用数字电流保护，并不是一定要更换继保，而是只要原来继保具有该逻辑计算能力就可以。

新的保护方案，主要针对传统保护无法满足大分区供电方式要求的备自投及母线保护。对于进出线柜和母联柜影响比较大，而关于动力变和牵引变的保护基本上没有多少变化，还是延续传统保护的方案。

3.1备自投

3.1.1低电压启动备自投

这是传统的备自投启动方式，其工作原理为：当检测到某段母线低电压时，先将该段进线跳闸，并发自投命令给母联；母联柜接收到自投命令后，判断另一段母线电压是否正常，如果电压正常，立即合母联，让另一段进线带两段母线供电。这时，由于母线故障及正常的就地/远方分闸操作导致的低电压需要闭锁备自投。

当采用大分区供电方式时，一旦一段母线失压时，它后续拉手供电的站也都一起失压。这时各个站的备自投都一起启动，为了只让靠近电源端的站启动备投，需要给各个站加级差。这样就出现两个问题，如果拉手的站数量太多，到最后一个站的时间太长，无法满足快速要求，这是其一；还有一个问题是需要考虑供电方向，正向供电时第一个分站，反向供电时就变成最后一个分站，所以还需要考虑供电方式。因此，低电压启动备自投已经不能满足大分区供电方式的要求。

3.1.2线路差动故障启动备自投

这是针对大分区供电方式提出的备自投启动方式，其工作原理是：当线路出现差动故障，并且断路器已经跳闸后，进出线发差动故障启动备自投信号给母联，母联再根据两段母线的电压情况，决定是否投入。比如说当1段进线发来自投信号，如果母联检测到1段无压，2段有压，母联就投入；如果是1段出线发来自投信号，母联柜这时检测到的是两段母线都是电压正常，这时母联就不投入。

线路差动故障启动备自投的方式，不仅不用设级差，而且不用考虑系统的供电方式，不管是正向供电还是反向供电都不用考虑。

3.2数字电流保护选跳方案

针对大分区供电方式提出的数字电流保护选跳方案，主要用于解决母线故障。进出线及母联可以通过选跳方案，判断出该故障属于区内或区外故障。如果是区内故障，启动跳闸命令；如果是区外故障，闭锁保护出口，不触发跳闸命令。这样可以实现无级差、无延时的母线故障保护。以下的方案讨论以地铁为例。

3.2.1馈线柜选跳方案

馈线柜（动力变柜和牵引变柜）只发过流闭锁信号给母联柜及同母进出线柜，不接收过流闭锁信号。

3.2.2母联柜选跳方案

母联柜发过流闭锁信号给两段母线的进出线柜，并接收两段母线进出线柜和馈线柜的过流闭锁信号。当母联柜出现过流信号，且收到任何一路馈线柜的过流闭锁信号或来自两段母线的同时过流闭锁信号，这时代表区外故障，母联柜过流保护不出口。反之，如果母联柜出现过流信号，且没有收到任何一路馈线柜的过流闭锁信号或两段母线同时过流的闭锁信号，这时代表区内故障，母联柜过流保护动作，出口跳本柜断路器。

3.2.3进出线柜选跳方案

进线柜发过流闭锁信号给母联柜及同母出线柜，同时接收母联柜、同母出线柜和本段馈线柜的电流闭锁信号。当进线柜出现过流信号时，如果有收到母联柜、同母出线柜或本段馈线柜任何一路的过流闭锁信号，代表为区外故障，闭锁过流出口。如果进线柜出现过流信号时，没有收到任何一路的过流闭锁信号，代表为区内故障，这时过流保护动作，出口跳本柜断路器，并且联跳同母出线柜。出线柜和进线柜的选跳方案一致，这里不再重复。

3.2.4选跳方案举例说明

地铁一般有三种运行方式和三种故障类型。三种运行方式为：正常运行方式、非正常运行方式一（母联开关合闸）和非正常运行方式二（环网联络开关合闸）；三种故障类型为：馈线故障、母线故障及线路故障。此次只列举正常运行方式下的三种故障类型。

正常运行方式下的馈线线路故障

如上图例所示，当d2点发生短路故障时，3和14号柜的继保都会检测到过流信号。这时，14号继保发过流信号给3号继保，并且延时一段时间后动作跳闸；3号继保接收到14号继保的过流闭锁信号，判断为区外故障，保护不出口，所以这时只有14号柜跳闸。

正常运行方式下的母线故障

如上图例所示，当d4点发生母线故障时，1、2、5、6和9号柜的继保都会检测到过流信号。1和2之间、5和6之间互送过流闭锁信号，判断为区外故障，因而闭锁过流保护不动作。9号继保没有收到任何过流闭锁信号，判断为区内母线故障，过流保护动作，跳闸9号柜。

正常运行方式下的线路故障

如上图所示，d1点发生线路故障时，3、4、7和8号继保都会检测到过流信号。3和4之间、7和8之间互送过流闭锁信号，判断为区外故障，因而闭锁过流保护不动作。这时8和11号光纤差动保护会检测到故障信号，而出口将8和11号柜子的断路器跳闸。

3.3过流闭锁信号的两种传送方式

3.3.1通过硬接线传送

过流闭锁信号经保护出口，通过硬接线送到站内的其他开关柜继保。由于硬接线传输距离有限（也就几十米），两个站之间又比较远(一般都在一两公里左右)，所以这种经硬接线传送的过流闭锁信号，只能实现站内母线故障选跳，无法实现站间的线路故障选跳。目前ABB的REF542和REF620保护装置都能实现此选跳功能。

3.3.2通过GOOSE以太网通讯传送

GOOSE是面向通用对象的变电站事件的简称。同一层级的保护之间可以直接对话，不用经过后台系统，不同站之间采用光纤传输。这样不仅传输距离远，而且速度快。过流闭锁信号经GOOSE以太网，不仅可以在站内传输，而且可以在站间传输，实现站内的母线故障选跳和站间的线路故障选跳。目前ABB的REF620保护装置可以实现该选跳功能。

3.3.3两种传输方式的优缺点

通过硬接线传输的方式，优点是对保护要求比较低，通讯设备投入较少，很多保护都能实现；而且当保护通讯出现故障时，不影响该选跳功能。缺点是二次回路接线多、复杂，容易出故障，而且无法实现站间的线路故障选跳。

通过GOOSE以太网传输的方式，优点是传输速度快、距离远，而且接线简单（几乎没有什么柜间闭锁线）。不仅可以实现站内的母线故障选跳，还可以实现站间的线路故障选跳。线路故障选跳可以当作线路差动的后备保护，当线路差动保护出现故障时，还可以加速成为线路故障主保护，而且速度不会比光纤差动保护慢。缺点是对通讯设备要求比较高，需要保护支持IEC61850协议，通讯设备投入较多，而且当通讯故障时，整个选跳系统就失效。

4　结论

针对轨道交通系统大分区供电方式，提出的数字电流选跳方案，可以攻克传统级差保护无法解决的问题，在不同运行方式下，发生各类故障时，能快速、选择性的切除故障。这种选跳方案已经得到广泛应用。已经运行的郑州地铁1号线和正要上线的郑州地铁2号线及天津地铁5号线都是采用硬接线的传输方式；刚投运不久的宁波地铁2号线和即将投运的厦门地铁1号线及兰州地铁1号线都是采用GOOSE传输的方式。相信该选跳方案会显现出它越来越重要的作用。

[1]陈丽华，李学武.《城市轨道交通供电系统继电保护》

[2]何磊.《IEC61850应用入门》