EN 50633关于轨道交通直流保护应用分析

尹超准

0 引言

城市轨道交通供电系统具有额定电流大、双边供电、短路电流大等特点，对直流系统保护提出了很高的要求，通常要求在极短的时间内将故障大电流切除，防止发生人身伤害及设备损坏等事故。国内城市轨道交通直流牵引供电系统起步较晚，且由于直流供电系统保护具有其特殊性，对直流牵引供电系统二次保护的理论研究不够深入。另外，目前涉及城市轨道交通供电系统保护方面的标准规范数量少，且技术要求不具体，国内到目前为止并未建立完备的直流供电系统保护理论体系。

欧洲标准EN 50633《轨道交通—固定装置—直流和交流电力牵引系统保护原则》[1]对直流牵引供电制式系统保护原则作了较为详细的阐述，对主保护及后备保护的定义及配合关系也作了详尽的解释，并且重点对保证保护可靠性的方法给出了详 细阐述和示例。

本文通过对EN 50633在直流系统保护的要求方面与国内工程应用进行逐一对比分析，求同存异，总结可取之处，可为国内直流牵引供电制式的轨道交通供电保护系统设计提供指导和参考，也可为直流供电系统保护走向国际化提供新的思路。

1 保护的基本要求

1.1 保护目标

保护系统应在系统异常或故障情况下提供相应的保护。保护系统的主要功能目标：

（1）持续提供电力牵引系统的服务和性能，并尽可能减少运行干扰；

（2）限制对受影响设备的冲击和损坏；

（3）避免级联效应及扩大故障范围；

（4）最小化故障期间的电弧效应和能量释放；

（5）保护人员免受间接电击。

EN 50633对保护目标的描述与国内保护设立的理念是完全一致的，其主要目的是防止和限制设备损坏，并为与间接接触和次生影响有关的电气安全提供保障。

1.2 保护的要求

保护的要求包括：可靠性、灵敏性、选择性、速动性、经济性等[1]。EN 50633对保护的要求额外提到了经济性要求，认为在系统保护设计时应考虑被保护设备的经济价值以及对故障未切除或非必要跳闸失电而引起的后果进行评估，国内工程可参考和借鉴。

2 系统保护的界面划分

2.1 输入电源

直流供电系统与输/配电系统（通常为中压环网系统）之间的界面是整流机组前的中压断路器，该界面上游装置输/配电系统（通常为中压环网系统）的保护范围：保护配合、通信、自动重合闸、潮流方向（能耗模式和再生模式）。

该分界与国内工程基本一致，中压馈线断路器用于保护整流机组（能耗模式）或再生制动装置（再生模式），同时其与中压环网进出线断路器之间通过时间级差或通信闭锁的方式来进行保护配合以确保选择性。唯一不同点是国内工程通常不设置自动重合闸。

2.2 车辆

直流牵引系统和车辆之间的界面是车辆牵引单元断路器。对于车辆牵引单元的内部故障（即发生在牵引单元断路器下游的故障），变电所馈线断路器和车辆牵引装置断路器均应立即跳闸，不应设置人为延时。

该分界与国内工程是完全一致的，车辆内部故障时，车辆牵引单元断路器与变电所馈线断路器之间不考虑选择性。

2.3 由牵引系统供电的设备（国内不常用）

与牵引供电没有直接关系的电气装置，如站用电源，不是牵引供电系统的一部分，也可以由电力牵引系统供电。

国外一些工程的做法是：站用变压器一次侧不专门设置中压断路器，而是通过低压断路器或熔断器接至整流变压器的二次侧。国内工程中，站用变压器通常采用专门的中压断路器，不适用于该界面划分。

3 保护的可靠性方案简介

为了保护牵引供电系统，即使在保护系统中存在一个单一故障的情况下，也应检测到回路中的单个故障情况并切除故障。

基于牵引供电系统的长期运行经验，可采用以下一种或多种适用的保证保护可靠性的方法。

3.1 M1：同时独立冗余

主保护（main-1）与另一个主保护（main-2）并行且各自独立运行。其包括独立的保护继电器，也可以包括独立的下列项：输入采集，包括传感器、互感器、温度传感器、位置指示器（可选）；脱扣器（可选）；跳闸回路（可选）；辅助电源（可选）。

该方法即为双重主保护，国内工程直流馈线和直流进线（若采用断路器）一般采用该方法，由本体大电流脱扣保护和速断保护实现，确保在main-1保护发生故障时仍能以最快的速度清除故障。

3.2 M2：回路近后备保护

该方案中回路近后备保护为主保护提供冗余，后备保护仅在持续故障情况下才起作用，如当主保护可能无法清除故障时。其包括独立的保护继电器，也可以包括独立的一些项，同M1。

M2可靠性方案在国内工程中压馈线、直流馈线和直流进线（若采用断路器）中普遍采用，

中压馈线、直流馈线以及直流进线的过流保护可实现速断主保护的回路近后备保护。需要引起注意的是，该方案在清除故障条件时会包括一个额外的延迟时间，以防止主保护装置失效，因此更考验系统短时电流耐受水平。

3.3 M3：重叠后备保护

该方案采用变电所近后备保护或远后备保护功能。保护系统分为不同的被保护分区，后备保护通过重叠相邻分区的覆盖范围实现。保护系统中不同层级的保护继电器为其划定的保护分区提供主保护，并应作为后备保护覆盖相邻的保护分区，仅当持续故障情况下相邻分区的主保护可能无法清除故障时，其才作为后备保护起作用。

该方案主要用于：

（1）环网进出线断路器与中压馈线断路器之间，环网进出线过流保护作为馈线速断保护的后备，其实现方式既可采用时间级差也可采用逻辑闭锁。

（2）双边供电两端直流馈线断路器之间，两端直流馈线断路器作为相互之间的后备保护，由于线路阻抗原因，通常无法覆盖到整个保护分区，因此需借助于双边联跳[2]来实现。

需要引起注意的是，在主保护装置发生故障的情况下，需要一定额外的延迟时间才能切除故障，因此更考验系统短时电流耐受水平。

3.4 M4：监视

该方案提供一种监视机制，可帮助检测影响保护系统能力的潜在缺陷，以便于启动干预措施，从而减少存在缺陷时保护系统动作的可能性。

该方案功能包含但不限于：重要功能监测、跳闸回路监视、辅助电源监视、传感器监视（如电流互感器和电压互感器）。

该方案与国内工程中实际应用的方案理念也是一致的，如国内工程通常采用的跳闸回路监视、控制回路失电报警、保护装置故障报警等。

4 直流牵引系统保护可靠性分析

4.1 整流机组进线保护

整流机组进线保护的可靠性应通过下列至少一种可靠性方案的应用实现：

（1）M2：回路近后备保护，能够覆盖整个被保护分区。

（2）M3：由上游主进线回路保护的重叠后备保护，可配置为变电所近后备或远后备保护。

（3）M3受限制的范围由M4支持：如果回路近后备保护不能覆盖整个被保护分区，则需要对主保护进行监视。

（4）M4：当主保护退出时，主保护监视和跳闸相关断路器。

（5）失灵保护。

国内工程整流机组进线保护的配置与其完全一致。另外需要注意的是，整流机组进线保护应考虑整流机组耐受能力和最大故障清除时间。

EN 50327中规定：除非买卖双方另有协议，否则整流变压器和变流器应设计为可承受至少150 ms的短路冲击[3]（国标也有相同的规定）。

4.2 直流进线保护（采用断路器时）

直流进线保护应在低阻抗保护情况下提供母线主保护。保护可靠性方案主要用于以下3种情况：

（1）母线故障时。采用M1方案，过流保护作为大电流脱扣主保护的另一独立主保护。

（2）整流机组故障时。采用M1方案，逆流保护作为独立冗余的主保护，以应对其他整流机组或线路流入的反向故障电流。

（3）馈线故障时。采用M2方案，直流进线大电流脱扣保护作为馈线的后备保护（无法完全覆盖保护分区）。国内工程整流机组进线保护的配置与其完全一致。

需要引起注意的是：由于直流馈线断路器也设置有大电流脱扣保护，因此馈线发生大电流故障时将无法实现选择性。

4.3 直流馈线保护

直流馈线保护应为馈线保护分区中的低阻抗故障情况提供主保护，其可靠性通过应用至少下列一种方案实现：

（1）M1：同时独立冗余。

（2）M2：能够覆盖整个被保护分区的回路近后备保护。

（3）对于M2受限制的范围：a.由M3支持：当回路近后备保护不能覆盖整个被保护分区时，需要联跳相关的相邻馈线断路器；b.由M4支持：当回路近后备保护不能覆盖整个被保护分区时，需监视主保护。

（4）对于M3受限制的范围：当上级进线保护不能覆盖整个保护分区，则需监视主保护。

国内工程中直流馈线保护比较完备，但缺乏各类保护之间的主被关系的论述，而EN 50633对各类保护关系的定义与论述较详尽，逻辑清晰，值得国内工程参考和借鉴。

5 结语

本文对EN 50633直流牵引系统保护的系统接口界面划分与协调，主保护与后备保护之间关于可靠性的配合关系进行了研究与解读，通过逐项与国内工程实际应用进行对比分析，再通过实例总结了直流系统保护的架构关系，理清了直流供电系统各级保护的保护关系、保护方法及保护范围。EN 50633先进的理念可为国内直流系统保护设计提供指导和参考借鉴。