改進型光纖縱差保護裝置在地鐵供電系統中的應用

（國電南瑞科技股份有限公司,210061,南京∥第一作者,工程師）

改進型光纖縱差保護裝置在地鐵供電系統中的應用

代瑩程秋秋張慶偉

（國電南瑞科技股份有限公司,210061,南京∥第一作者,工程師）

中低壓地鐵供電系統存在因一次接線方式獨特而易造成過電流保護發生越級跳閘的問題。對在電力系統高壓電網中使用成熟的光纖縱差保護裝置進行了改進,使之更好地適用于該種接線方式。以北京軌道交通為例,詳細分析了故障點發生在不同位置時該保護裝置的動作情況。

地鐵供電;光纖縱差保護裝置;過電流保護;繼電保護

First-author’saddress NARI Technology Development Co.,Ltd.,210061,Nanjing,China

目前,國內各城市對地鐵、輕軌等城市軌道交通系統的供電主要有分散供電、集中供電、分散與集中相結合的混合供電3種方式［1］。其中,分散供電方式由于與城市電網接口多、耦合程度高,因此對所配備的繼電保護裝置要求較高,其與城市電網保護裝置之間的相互配合也最為緊密。其獨特的短串環接的接線方式決定了常規的繼保裝置及相應的整定計算方法用在地鐵供電系統中是不夠完善的。

本文提出了一種改進型的光纖縱差保護裝置。該裝置不僅能適用于分散供電方式,更能很好地適用于其它兩種供電方式。

下面將以采用分散供電方式的北京軌道交通為例,具體闡述改進型光纖縱差保護裝置的保護原理及該裝置在地鐵供電系統中的應用。

1 保護原理分析

如圖1所示,北京軌道交通10 k V系統采用分散式供電,雙環網接線方式。變電所分為開閉所與非開閉所,開閉所與該車站的牽引降壓混合變電所合建。每座開閉所從城市電網引入兩回電源,變電所10 k V側采用單母線分段接線,兩段母線間設置母聯開關,兩回電源分別接在該變電所的2個分段母線上,其它非開閉所從相鄰變電所的兩段母線分別引入兩回10 k V電源。

10 k V系統在正常運行方式下,每回外電源串帶1～3座變電所負荷;一座開閉所兩回外電源均退出運行,由相鄰開閉所支援供電時,每回外電源串帶1～4座變電所負荷。

從圖1可以看出,需要配備保護裝置的單元有：開閉所10 k V外電源進線柜、10 k V環網進出線柜、開閉所10 k V母聯柜、非開閉所10 k V母聯柜、動力變壓器或牽引變壓器10 k V饋線柜。典型保護配置如表1所示［2-3］。

從表1中可看出兩點：①采用電流差動保護裝置來保護相鄰兩個站點之間的環網電纜,一般采用光纖縱聯差動保護裝置;②所有裝置都配有電流速斷和過電流保護。

當外電源串帶1～3座或者1～4座變電所負荷時,若按常規的階梯式整定原則對過電流保護進行整定,最末端負荷的過電流保護整定延時最短,外電源進線柜的過電流保護整定延時最長。但對于10 k V 外電源進線柜,電流速斷和過電流保護一起作為進線主保護,因此過電流保護的整定延時不能太長,一般整定為0.5 s。這就導致串帶的變電所負荷保護裝置中所配的過電流保護無法進行相互配 合,無法實現保護的選擇性。

圖1 北京軌道交通一次接線圖

表1 地鐵供電系統典型保護配置表

鑒于此,可將進線保護裝置中的過流延時整定為0.5 s,其他裝置中過流延時均整定為0.2 s。為解決當電流差動或者電流速斷發生拒動時,過電流保護之間發生越級跳閘的問題,應在裝置中加入通訊閉鎖信號。可對安裝在環網進出線柜上的光纖縱聯差動保護裝置進行改進,在過電流保護中加入綜合閉鎖邏輯,即：當檢測到的差動電流小于0.2 A并且收到通訊閉鎖信號時,閉鎖本側過流350 ms,350 ms后重新開放過流保護。閉鎖邏輯框圖如圖2所示。

圖2 保護閉鎖邏輯框圖

對于安裝在同一站點的保護裝置之間,通過電纜來傳遞通信閉鎖信號,對于不同站點之間,則通過光纖來傳遞［4］。當故障發生時,保護啟動最長不超過40 ms;當相應裝置保護啟動時即發出通信閉鎖信號,其他裝置過流保護則能在歷經保護整定延時過程中被可靠閉鎖。

下面將具體分析正常運行和支援供電兩種運行方式下發生故障時,保護裝置之間的相互閉鎖情況。

2 具體故障情況分析

2.1 正常運行方式

在正常運行方式下,每回外電源串帶1～3座變電所負荷。如圖1中所示,環網聯絡開關斷開,外電源1、2分別為開閉所 A、B和非開閉所1、2、3供電。變電所均為單母分段的接線方式。正常情況下,母聯開關斷開,兩段母線的保護配置和保護閉鎖情況相同,即圖1中實線所示部分和虛線所示部分保護配置相同。每個變電所均以實線所示部分為例來進行分析,所配保護裝置用智能電子設備（Intelligent Electronic Device,簡為IED）來表示。

下面將分別討論10 k V 環網電纜故障時、10 k V母線故障時和10 k V變壓器饋線故障時,保護裝置之間的相互閉鎖情況。

A點環網電纜故障時,由于過流保護具有方向閉鎖,只有標號分別為3、5的IED中過流保護能夠啟動。A點故障屬于3號區內故障,屬于5號區外故障。3號IED 檢測到差動電流大于0.2 A,5號IED檢測到的差動電流則小于0.2 A。當3號IED方向過流啟動時,開出一副硬接點閉鎖信號給同站的4號IED,4號IED通過光纖將通信閉鎖信號傳給5號IED,5號IED收到通信閉鎖信號,同時判斷到差流小于0.2 A,滿足前面提到的綜合閉鎖條件,閉鎖本側5號IED中過流,完成3號IED對5號IED的閉鎖。整個過程中,僅3號IED不滿足綜合閉鎖條件,能順利快速出口跳閘,實現保護的選擇性和速動性,其它IED中的過流均被閉鎖350 ms,350 ms后解除閉鎖再次開放。

當B點10 k V母線發生故障時,由于具有方向閉鎖,僅母聯柜本身IED和標號分別為3、5的IED中的過流能夠啟動。母聯柜IED方向過流啟動時,開出硬接點閉鎖信號給同站的2號IED,2號IED通過光纖將通信閉鎖信號傳遞給3號IED,閉鎖情況如前所述。整個過程中,僅母聯柜IED能順利出口跳閘,實現保護選擇性。

當C點10k V變壓器饋線發生故障時,僅變壓器饋線柜中IED和標號分別為3、5的IED中的過流能夠啟動。變壓器饋線柜中IED開出硬接點閉鎖信號給同站的2號IED,完成對其他裝置的閉鎖。整個過程中僅饋線柜中的IED能順利出口跳閘,實現選擇性。

2.2 支援供電運行方式

當支援供電時,每回外電源可串帶1～4座變電所負荷。如圖1中所示,當外電源1故障時,外電源1和非開閉所3之間的開關斷開,環網聯絡開關合上,外電源2對開閉所 A 和非開閉所1、2、3供電。

當10 k V環網電纜 A0點發生故障時,由于具有方向閉鎖,只有標號分別為1、3、5的IED 中過流保護能夠啟動。A0點故障屬于1號區內故障,屬于3號、5號區外故障。1號IED 檢測到差動電流大于0.2 A,3號、5號IED 檢測到的差動電流則小于0.2 A。當1號IED方向過流啟動時,開出一副硬接點閉鎖信號給同站的2號IED,2號IED通過光纖將通信閉鎖信號傳給3號IED,3號IED收到通信閉鎖信號,同時判斷到差動電流小于0.2 A,滿足前面所提到的綜合閉鎖條件,閉鎖本側3號IED中過流,完成1號IED 對3號IED 的閉鎖。同理,3號IED按照同樣的邏輯完成對5號IED的閉鎖。整個過程中,僅1號IED能順利快速出口跳閘,其它IED中的過流均被閉鎖350 ms,350 ms后解除閉鎖再次開放。

當B點10 k V母線發生故障和C點10 k V變壓器饋線發生故障時,裝置之間的閉鎖情況和正常運行方式時閉鎖情況相同,這里不再贅述。

從以上對兩種不同運行方式下故障情況的分析可看出,判斷出屬于區內故障的IED能快速可靠地出來切除故障,防止故障范圍擴大;判斷出屬于區外故障的IED能被可靠閉鎖,防止誤動,且裝置之間的閉鎖不受所串帶的變電所負荷個數的影響,故不受運行方式的影響,也能很好地適用于各種供電接線方式。

3 結語

本文以北京軌道交通為例,詳細闡述了如何將在電力系統高壓電網中使用成熟的光纖縱差保護裝置進行改進,使之更好地服務于接線方式獨特的中低壓地鐵供電系統。這對在地鐵供電系統保護設備普遍使用國外產品的現狀下,如何既保障地鐵安全穩定運營、又進一步提高地鐵設備國產化率作出了有意義的探討。

［1］ 金輝.地鐵主變電站110 k V 側電氣主接線的選擇［J］.電氣技術,2011（7）：90.

［2］ 何永昌.淺談廣州地鐵供電系統中二次保護方案的設計與應用［J］.中國科技博覽,2010（10）：283.

［3］ 羅易東.蘇州地鐵采用的35 k VGIS設備二次保護方案［J］.中國新技術新產品,2009（7）：105.

［4］ 宋大治,蔡彬彬.地鐵35 k V 供電網絡安全連鎖裝置［J］.電氣化鐵道,2009（6）：45.

Application of Improved Fiber Differential Protection in Metro Power Supply System

Dai Ying,Cheng Qiuqiu,Zhang Qingwei

Because the override trip is liable to happen in overcurrent protection,the characteristics of primary connecting mode in metro power supply system are analyzed.An improved fiber differential protection equipment is applied to this connecting mode,aiming to achieve better effects.Then,taking Beijing rail transit as an example,the performance of this equipment in different fault situationsis analyzed in detail.

metro power supply;fiber differential protection;overcurrent protection;relay protection

U 231.8

2012-08-20）