城市軌道交通大分區供電系統故障解決方案

沈敬松廈門ABB開關有限公司

城市軌道交通大分區供電系統故障解決方案

沈敬松
廈門ABB開關有限公司

隨著城市的發展，我國各地正大力發展城市軌道交通。城市軌道交通供電系統是城市軌道交通網絡的生命線，是城市軌道交通安全可靠運行的重要保證。由于目前軌道交通35kV供電系統大多采用大分區供電方式，每個供電分區內分所較多，因此傳統供電模式下以級差配合的保護方式已經無法滿足大分區供電系統的需求。本文針對現在城市軌道交通的這種大分區環網供電方式,提出了數字電流選跳保護方案。

大分區供電；數字電流保護；選跳；GOOSE

1　前言

1.1目前軌道交通大多采用的大分區供電方式

由于目前軌道交通35kV系統大多采用大分區供電結構（一個供電分區由5～8個，甚至更多個變電所組成，各變電所間的電源連接彼此通過電纜，以手拉手的環網方式相連），每個供電分區內分所較多。

1.2傳統的線路和母線保護方案

傳統的軌道交通供電系統采用光纖縱差保護和過流保護相互配合的保護方案。該保護方案中環網電纜之間的光纖縱差作為主保護，過流保護作為后備保護，兩種保護的配合實現了“主后結合”，可靠性高、穩定性好，因此被廣泛應用。但是現有的保護方案是采用固定時間級差的過流保護來保證保護不越級動作。這種方案導致靠近電源側的出線后備保護延時隨著供電級數的增加而延長。對于10級以上供電環網，保護動作延時甚至達到5秒鐘以上，因此傳統的保護方案已無法滿足現代軌道交通供電系統對于繼電保護的要求。

本文主要針對目前軌道交通分所大分區環網供電方式，提出采用數字電流保護的選跳方案，在不同運行方式下（正向供電、反向供電及線路故障母聯合閘供電），發生各類故障時，能快速、選擇性的切除故障，而無需切換保護的運行方案。

2　軌道交通分所組成

現在軌道交通的分所一般是牽引+降壓混合所或純降壓所，下圖為牽引/降壓混合所。

2.1牽引變電站

將35kV交流電經變壓器、整流器轉換為直流1500V/750V,給接觸網/接觸軌供電。

2.2降壓變電站

將35kV交流電降壓為400V,供車站除電動車輛以外的所有動力和照明電源。

2.3跟隨所變電站

功能等同于降壓變電所，位于兩個距離較遠的分所之間，是為離降壓變電站較遠的地鐵設備供電。

2.4 35kV開關柜的配置

進出線柜：進線柜是本所的電源，出線柜是下一分所的電源。隨著供電方式的轉變，進出線柜的功能是可以相互轉換的；

母聯柜：起聯絡作用，正常情況下處于分閘狀態。當一路進線出線故障時，跳掉本路進線，合上母聯，實現一段進線帶兩段母線供電的臨時方案；

配電變饋線柜：也稱動力變饋線柜，為降壓所變壓器供電；

整流變饋線柜：也稱牽引變饋線柜，為牽引所變壓器供電。

3　大分區供電方式的保護方案

所謂數字電流保護，并不是說繼保采集的電流是數字量電流，而是該繼保可以提供過流閉鎖信號，同時能根據接收到的過流閉鎖信號，進行邏輯計算，決定保護是否需要動作。其實很多合資品牌的微機保護裝置都有這個邏輯編程能力，比如ABB、西門子和施耐德等。所以采用數字電流保護，并不是一定要更換繼保，而是只要原來繼保具有該邏輯計算能力就可以。

新的保護方案，主要針對傳統保護無法滿足大分區供電方式要求的備自投及母線保護。對于進出線柜和母聯柜影響比較大，而關于動力變和牽引變的保護基本上沒有多少變化，還是延續傳統保護的方案。

3.1備自投

3.1.1低電壓啟動備自投

這是傳統的備自投啟動方式，其工作原理為：當檢測到某段母線低電壓時，先將該段進線跳閘，并發自投命令給母聯；母聯柜接收到自投命令后，判斷另一段母線電壓是否正常，如果電壓正常，立即合母聯，讓另一段進線帶兩段母線供電。這時，由于母線故障及正常的就地/遠方分閘操作導致的低電壓需要閉鎖備自投。

當采用大分區供電方式時，一旦一段母線失壓時，它后續拉手供電的站也都一起失壓。這時各個站的備自投都一起啟動，為了只讓靠近電源端的站啟動備投，需要給各個站加級差。這樣就出現兩個問題，如果拉手的站數量太多，到最后一個站的時間太長，無法滿足快速要求，這是其一；還有一個問題是需要考慮供電方向，正向供電時第一個分站，反向供電時就變成最后一個分站，所以還需要考慮供電方式。因此，低電壓啟動備自投已經不能滿足大分區供電方式的要求。

3.1.2線路差動故障啟動備自投

這是針對大分區供電方式提出的備自投啟動方式，其工作原理是：當線路出現差動故障，并且斷路器已經跳閘后，進出線發差動故障啟動備自投信號給母聯，母聯再根據兩段母線的電壓情況，決定是否投入。比如說當1段進線發來自投信號，如果母聯檢測到1段無壓，2段有壓，母聯就投入；如果是1段出線發來自投信號，母聯柜這時檢測到的是兩段母線都是電壓正常，這時母聯就不投入。

線路差動故障啟動備自投的方式，不僅不用設級差，而且不用考慮系統的供電方式，不管是正向供電還是反向供電都不用考慮。

3.2數字電流保護選跳方案

針對大分區供電方式提出的數字電流保護選跳方案，主要用于解決母線故障。進出線及母聯可以通過選跳方案，判斷出該故障屬于區內或區外故障。如果是區內故障，啟動跳閘命令；如果是區外故障，閉鎖保護出口，不觸發跳閘命令。這樣可以實現無級差、無延時的母線故障保護。以下的方案討論以地鐵為例。

3.2.1饋線柜選跳方案

饋線柜（動力變柜和牽引變柜）只發過流閉鎖信號給母聯柜及同母進出線柜，不接收過流閉鎖信號。

3.2.2母聯柜選跳方案

母聯柜發過流閉鎖信號給兩段母線的進出線柜，并接收兩段母線進出線柜和饋線柜的過流閉鎖信號。當母聯柜出現過流信號，且收到任何一路饋線柜的過流閉鎖信號或來自兩段母線的同時過流閉鎖信號，這時代表區外故障，母聯柜過流保護不出口。反之，如果母聯柜出現過流信號，且沒有收到任何一路饋線柜的過流閉鎖信號或兩段母線同時過流的閉鎖信號，這時代表區內故障，母聯柜過流保護動作，出口跳本柜斷路器。

3.2.3進出線柜選跳方案

進線柜發過流閉鎖信號給母聯柜及同母出線柜，同時接收母聯柜、同母出線柜和本段饋線柜的電流閉鎖信號。當進線柜出現過流信號時，如果有收到母聯柜、同母出線柜或本段饋線柜任何一路的過流閉鎖信號，代表為區外故障，閉鎖過流出口。如果進線柜出現過流信號時，沒有收到任何一路的過流閉鎖信號，代表為區內故障，這時過流保護動作，出口跳本柜斷路器，并且聯跳同母出線柜。出線柜和進線柜的選跳方案一致，這里不再重復。

3.2.4選跳方案舉例說明

地鐵一般有三種運行方式和三種故障類型。三種運行方式為：正常運行方式、非正常運行方式一（母聯開關合閘）和非正常運行方式二（環網聯絡開關合閘）；三種故障類型為：饋線故障、母線故障及線路故障。此次只列舉正常運行方式下的三種故障類型。

正常運行方式下的饋線線路故障

如上圖例所示，當d2點發生短路故障時，3和14號柜的繼保都會檢測到過流信號。這時，14號繼保發過流信號給3號繼保，并且延時一段時間后動作跳閘；3號繼保接收到14號繼保的過流閉鎖信號，判斷為區外故障，保護不出口，所以這時只有14號柜跳閘。

正常運行方式下的母線故障

如上圖例所示，當d4點發生母線故障時，1、2、5、6和9號柜的繼保都會檢測到過流信號。1和2之間、5和6之間互送過流閉鎖信號，判斷為區外故障，因而閉鎖過流保護不動作。9號繼保沒有收到任何過流閉鎖信號，判斷為區內母線故障，過流保護動作，跳閘9號柜。

正常運行方式下的線路故障

如上圖所示，d1點發生線路故障時，3、4、7和8號繼保都會檢測到過流信號。3和4之間、7和8之間互送過流閉鎖信號，判斷為區外故障，因而閉鎖過流保護不動作。這時8和11號光纖差動保護會檢測到故障信號，而出口將8和11號柜子的斷路器跳閘。

3.3過流閉鎖信號的兩種傳送方式

3.3.1通過硬接線傳送

過流閉鎖信號經保護出口，通過硬接線送到站內的其他開關柜繼保。由于硬接線傳輸距離有限（也就幾十米），兩個站之間又比較遠(一般都在一兩公里左右)，所以這種經硬接線傳送的過流閉鎖信號，只能實現站內母線故障選跳，無法實現站間的線路故障選跳。目前ABB的REF542和REF620保護裝置都能實現此選跳功能。

3.3.2通過GOOSE以太網通訊傳送

GOOSE是面向通用對象的變電站事件的簡稱。同一層級的保護之間可以直接對話，不用經過后臺系統，不同站之間采用光纖傳輸。這樣不僅傳輸距離遠，而且速度快。過流閉鎖信號經GOOSE以太網，不僅可以在站內傳輸，而且可以在站間傳輸，實現站內的母線故障選跳和站間的線路故障選跳。目前ABB的REF620保護裝置可以實現該選跳功能。

3.3.3兩種傳輸方式的優缺點

通過硬接線傳輸的方式，優點是對保護要求比較低，通訊設備投入較少，很多保護都能實現；而且當保護通訊出現故障時，不影響該選跳功能。缺點是二次回路接線多、復雜，容易出故障，而且無法實現站間的線路故障選跳。

通過GOOSE以太網傳輸的方式，優點是傳輸速度快、距離遠，而且接線簡單（幾乎沒有什么柜間閉鎖線）。不僅可以實現站內的母線故障選跳，還可以實現站間的線路故障選跳。線路故障選跳可以當作線路差動的后備保護，當線路差動保護出現故障時，還可以加速成為線路故障主保護，而且速度不會比光纖差動保護慢。缺點是對通訊設備要求比較高，需要保護支持IEC61850協議，通訊設備投入較多，而且當通訊故障時，整個選跳系統就失效。

4　結論

針對軌道交通系統大分區供電方式，提出的數字電流選跳方案，可以攻克傳統級差保護無法解決的問題，在不同運行方式下，發生各類故障時，能快速、選擇性的切除故障。這種選跳方案已經得到廣泛應用。已經運行的鄭州地鐵1號線和正要上線的鄭州地鐵2號線及天津地鐵5號線都是采用硬接線的傳輸方式；剛投運不久的寧波地鐵2號線和即將投運的廈門地鐵1號線及蘭州地鐵1號線都是采用GOOSE傳輸的方式。相信該選跳方案會顯現出它越來越重要的作用。

[1]陳麗華，李學武.《城市軌道交通供電系統繼電保護》

[2]何磊.《IEC61850應用入門》