基于母線差動保護的城市軌道交通中壓環網保護方案研究

王 蛟

(中交機電工程局有限公司技術中心,430063,武漢∥高級工程師)

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基于母線差動保護的城市軌道交通中壓環網保護方案研究

王 蛟

(中交機電工程局有限公司技術中心,430063,武漢∥高級工程師)

闡述了目前城市軌道交通供電系統中壓環網大分區保護方案技術現狀,對目前大分區保護方案的技術難點進行了分析,在此基礎上提出基于母線差動保護的中壓環網保護方案。該方案以設置近后備保護為出發點,實現了各種運行方式下的保護完全選擇性，具有很高的獨立性和可靠性,很好地解決了目前供電系統設計中的技術難題。

城市軌道交通; 供電系統; 中壓環網; 保護方案; 母線差動保護

Author′s address CCCC Mechanical & Electrical Engineering Co.,Ltd.430063,Wuhan,China

目前,我國城市軌道交通供電系統主要有集中供電和分散供電兩種方式。由于集中供電方式供電可靠性高,且與地區電網接口少便于運營管理,越來越多的城市采用這種供電方式。當采用集中供電時,根據線路的長度設置一定數量的主變電所,各車站變電所串接后接入到主變電所。軌道交通負荷沿線路分布,如采用發散性供電方式,則工程投資較大;故軌道交通供電系統采用環式供電,而其中壓環網不可避免地超過了2級。這導致城市軌道交通中壓環網保護和電力系統存在很大的不同[1-3]。

一般而言,當串接的車站變電所數目小于5個時，為小分區供電方案；串接的車站變電所達到5個及以上時，為大分區供電方案。大分區供電方案相對小分區供電方案具有投資少、工程實施難度小等特點,逐漸成為目前的技術發展方向。

采用大分區供電的技術難點是解決保護的選擇性。對于小分區供電,上下級變電所之間可通過時間級差實現過流保護的選擇性,上級變電所進出線過電流保護裝置可作為下級變電所遠后備。而采用大分區供電時,由于一個分區內變電所較多,如果采用時間級差進行配合采用將突破地方電力系統要求的過流保護動作時間限值。

近年來,各設計單位和電流保護裝置廠商進行了很多研究,提出了多種技術方案,實施了較多工程實例,主要技術方案有近區速動保護方案、所內硬線閉鎖方案、加速方案、基于GOOSE通信的網絡的保護方案、電流選跳保護方案等。工程實例證明,上述方案各有優點,但也存在一定的缺陷。

1 大分區保護方案技術難點

基于目前的技術發展現狀,大分區下的中壓環網保護方案需實現后備保護和邏輯簡化。

1.1 后備保護的實現

為了保障設備和線路的安全,必須配備相應的保護裝置以迅速切除故障。當保護裝置發生故障或斷路器拒動時，應有相應的后備保護。后備保護分為近后備保護和遠后備保護兩種。

1.1.1 不同后備保護的特點

近后備保護裝置與主保護裝置安裝在同一斷路器處,當主保護裝置拒動時，近后備保護裝置動作。其優點是:近后備保護裝置動作時只切除主保護要跳開的斷路器,不造成事故的擴大;在高壓電網中能滿足靈敏度的要求。缺點是:變電所直流操作電源發生故障時可能與主保護同時失去作用,無法起到后備保護的作用;斷路器失靈時無法切除故障,也不能起到保護作用[4]。

遠后備保護裝置安裝于主保護裝置的上級斷路器處,在主保護裝置拒動時遠后備保護裝置動作。其優點是:保護范圍覆蓋所有下級電力元件的主保護范圍,能解決遠后備保護范圍內所有故障元件由任何原因造成的不能切除問題。缺點是:當多個電源向該電力元件供電時,需在所有電源側的上級元件處配置遠后備保護裝置;一旦遠后備裝置動作，將切除所有上級電源測的斷路器,從而造成事故擴大;在高壓電網中難以滿足靈敏度的要求。

1.1.2 中壓環網后備保護的方案現狀

目前常采用的遠后備方式可歸結為以下幾種。

(1) 時間級差方案。即在上下級變電所之間設置不同的過電流保護動作時限,并從主變電所出口依次遞減。當發生故障時,首先由靠近故障點的斷路器動作,如未切除故障,則上一級斷路器跳閘,各級開關依次動作直至切除故障。該方案在小分區供電方案下是可行的,由于其實現了多級遠后備,可靠性非常高。但在大分區供電方案下，由于受地方變電所過流保護動作時間限值控制,不可能設置太多的級差數量,所以在大分區供電方案下時間級差方案不可行。

(2) 信號激活方案。故障發生后,保護裝置之間互相傳遞信號,進而判斷出故障點位置,選出跳閘斷路器，并縮短其動作時限使其動作,同時通過信號激活跳閘斷路器的上一級開關作為后備保護。但信號激活方案的后備保護選擇依賴于數據通道的穩定性,一旦受電磁干擾或者通信線故障等因素影響,則保護方案將不成立。

(3) 加速方案。所有變電所過電流保護均采用相同時限,當發生故障時，通過某個信號判斷出故障點,并用這個信號加速故障點斷路器保護動作時限,保護動作切除故障。此時上級變電所過電流保護采用相同時限作為后備保護。該方案的弊端在于,難以找到可作為故障判別充分必要條件的信號,且如果用于故障判據的信號失效或斷路器拒動,將引起故障點的所有上級開關同時跳閘,擴大故障范圍。因此該方案同樣存在較大的缺陷。

綜上所述,目前保護方案眾多,廣泛采用的遠后備保護存在各種缺陷和隱患。

1.2 保護方案的邏輯簡化

大分區保護必須解決后備保護的實現和邏輯的簡化,這兩個問題是相互關聯的。目前普遍采用的各種方案的復雜化,其原因在于采用遠后備保護。因此，研究近后備保護方案非常必要。

軌道交通供電系統網絡結構復雜且運行方式多樣,從而導致保護方案復雜。存在可能的運行方式有[5-6]:

(1) 變電所的母聯開關閉合,由一路進線給兩段母線供電,此時母線電流方向發生改變。

(2) 1座主變電所退出運行,由另1座主變電所支援供電。此時部分變電所的進出線電流方向將改變方向,短路電流大小也將發生改變。

(3) 設備檢修時,部分開關和相應的保護裝置退出運行。

對于保護而言,在各種運行方式下發生故障均應可靠動作且具有一定的選擇性,如果是在正常運行方式下則應具有完全選擇性。目前國內建設中大分區供電方案后備保護有信號激活方案和加速方案2個。其中，加速方案存在一定的缺陷,實際工程實例較少。當采用加速方案時,首先必須保證在正常運行方式下的完全選擇性,同時激活上級開關啟動后備保護。個別方案激活多個上級開關構建了多級后備保護。當系統運行方式發生改變時,短路電流方向和大小都有可能發生改變,因此需要啟動后備保護的開關也能相應變化。要實現該功能不論是通過硬接線還是通信線來實現,邏輯上均較為復雜,容易出現邏輯漏洞。

2 基于母線差動保護的中壓環網保護方案

2.1 基本方案構成

2.1.1 規范依據

GB/T 50062—2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》第5.0.3條規定,對雙側電源線路,可裝設帶方向或不帶方向的電流速斷和過電流保護。當采用帶方向或不帶方向的電流速斷和過電流保護不能滿足選擇性、靈敏性或速動性的要求時,應采用光纖縱聯差動保護作主保護,并應裝設帶方向或不帶方向的過電流保護作后備保護。GB/T 50062—2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》第7.0.2條規定，發電廠和變電所的35～110 kV母線,當采用110 kV 雙母線時,或采用110 kV單母線、重要的發電廠和變電所35～66 kV 母線,且根據系統穩定或為保證重要用戶最低允許電壓要求需快速切除母線上的故障時,應裝置專用母線保護。故對中壓環網線路和母線可裝設差動保護裝置。

2.1.2 方案構成

選用差動保護作為主保護,帶通信功能的過電流保護作為后備保護,構建兩套完全相互獨立的保護方案。兩套方案均實現完全選擇性。方案基本構成如表1所示。

表1 兩套保護方案

第一套保護(差動保護)方案和第二套保護(邏輯差動保護)方案在區間均建立光纖通道,分別是差動保護光纖通道和邏輯差動光纖通道。2個通道利用1根光纜的不同芯線。為避免因光纜的中斷同時影響2套方案,兩個通道采用交叉敷設方式。左線光纜內包含左線差動保護光纖和右線邏輯差動保護光纖,右線光纜反之。

為簡化主變電所的邏輯,主變電所出線的后備保護為過流保護,不構成邏輯差動保護。主變電所的出線過流保護和線路變電所的邏輯差動保護中的過電流保護采用時間級差進行配合。

2.1.3 主保護實現

將中壓環網的每一段線路和母線作為獨立單元來設置線路差動保護和母線差動保護。當某個區段內發生故障,對應的差動保護可迅速動作切除故障。

為了保證可靠性,線路差動保護和母線差動保護采用硬接線至各斷路器機構跳閘。

2.1.4 后備保護實現

后備保護由帶通信功能的過電流保護構成,通過信號邏輯搭建組成邏輯差動保護。邏輯差動保護的故障判據和傳統差動保護不同。傳統差動保護判據為對保護范圍各端口電流計算得到的起動電流和制動電流大小;邏輯差動保護判據為保護范圍各端口過電流保護動作的數量(等于1則判斷為區域內故障)。

(1) 電纜后備保護。在電纜兩端分別裝設1套過電流保護裝置。2套保護裝置之間通過光纖互相傳遞過電流保護啟動信號。當故障發生在2個保護裝置之間的電纜上時,電源側保護裝置過電流保護啟動,負載側保護裝置過電流保護不啟動。兩套保護裝置均可判斷出“過電流保護啟動數量=1”,從而判斷為區域內故障,電纜兩側開關跳閘切除故障。

(2) 母線后備保護。在每個中壓母線上的進線、出線和母聯各配備1套過電流保護裝置。當該段母線發生故障時,電源側(進線或出線)保護裝置過電流保護啟動,其余保護裝置不啟動。出線和母聯保護裝置通過硬接線將過電流保護啟動信號發送至進線保護裝置中,由其判斷是否“過電流保護啟動數量=1”,如是，則進線、出線和母聯開關跳閘切除故障。

為了簡化接線,第二套保護(邏輯差動保護)采用跳閘總線方式。在兩端段母線分別搭建1個跳閘總線來跳各自母線上的進線、出線和母聯。當第二套保護(邏輯差動保護)動作時通過總線跳開上述開關。此外,當進出線和饋線開關失靈時,也可通過總線跳閘，以跳開這些開關。

2.2 保護裝置配備

依據上文所述的保護構成方案,保護裝置配備如表2所示。

表2 保護裝置配置

由表2可見,對中壓環網的電纜和母線均設置了2套保護。第一套保護(差動保護)由線路差動保護裝置和母線差動保護裝置構成主保護,實現故障下的快速跳閘;第二套保護(邏輯差動保護)由過電流保護裝置實現后備保護、測控、失靈保護和備自投。

第二套保護(邏輯差動保護)已經實現了中壓環網保護和測控所需的所有功能,但無法通過較為簡單并可靠的方式實現后備保護。因此設置第一套保護(差動保護)作為主保護,由第二套保護(邏輯差動保護)作為后備保護。這是該方案的核心思想。

2.3 保護方案

2.3.1 中壓環網保護

保護方案對于中壓環網中線路和母線所構建的兩套保護采用不同原理。差動保護作為主保護,作用于快速動作;邏輯差動保護作為后備保護,當主保護失效時動作。2套保護方案均實現了完全選擇性和完全的獨立性。因此,對于因保護裝置原因引起的失效可不再考慮。

當中壓環網的電纜或開關柜發生故障時，先由第一套保護(差動保護)在毫秒級內動作,如第一套保護(差動保護)故障,則由第二套保護(邏輯差動保護)動作在600 ms內動作,從而切除故障。

在極端情況下,可能發生某個變電所的2套保護同時退出而又發生短路故障。例如，當變電所直流所用電失壓時，該變電所對側開關的過電流保護裝置激活二段過電流保護(整定為800 ms),由其動作切除故障。

所有的進出線過電流保護裝置設置三段過電流保護(時限為1 000 ms),作為無選擇后備。

2.3.2 饋線保護

在饋線柜上設置過電流保護裝置實現保護功能,當饋線發生短路故障時,由其動作切除故障。其動作時限為400 ms,小于進出線過電流保護動作時限(600 ms)一個級差(200 ms),以避免母線第二套保護(邏輯差動保護)誤動。

2.4 備自投方案

采用兩個條件啟動備自投。第一個條件為第一套保護(差動保護)動作,即上級變電所母線差動動作或本所進線線路差動動作。其目的為速度優先,在發生故障后盡可能快地恢復供電。一般在短路故障發生后200 ms內即可恢復供電。

第二個條件為母線失壓判據。當本變電所僅1段母線失壓,且母線無故障時,滿足時間延時后啟動,以盡可能縮小停電范圍為目的。該條件下恢復供電時間較長,具體根據電力系統情況和分區大小決定。第二個條件作為第一條件的后備,當第一套保護(差動保護)失效時作用。

2.5 斷路器失靈保護方案

2.5.1 進出線和母聯斷路器失靈

在近后備方案下斷路器拒動時保護將失效,因此必須考慮進出線和母聯斷路器失靈。考慮到斷路器失靈非常罕見,為了簡化邏輯僅在第二套保護(邏輯差動保護)中設置斷路器失靈邏輯。

(1) 進出線失靈。第二套保護(邏輯差動保護)動作200 ms后,如進出線仍存在故障電流,則判斷為斷路器失靈。此時發信號跳開該開關兩側所有進出線和母聯開關。其中，本所開關通過跳閘總線跳閘，對側開關通過第二套保護(邏輯差動保護)光纖發信跳閘。

(2) 母聯開關失靈。和進出線失靈一樣,當第二套保護(邏輯差動保護)動作200 ms后,如母聯開關仍存在故障電流,則判斷為斷路器失靈。此時通過一段母線和二段母線的跳閘母線跳開2段母線所有進出線開關。

2.5.2 饋線斷路器失靈

由于饋線開關過流保護整定值往往較低,無法通過進出線開關實現后備保護;所以,必須考慮饋線開關失靈。當饋線開關過電流保護動作200 ms后,如饋線開關仍然存在故障電流,則判斷為斷路器失靈,發信號至本段母線跳閘母線,跳開所有進出線和母聯開關。

3 結語

相對于小分區下的過電流級差配合方案,基于母線差保護的中環壓網保護方案僅在每個變電所增加了2套母線差動保護裝置,其增加的投資遠遠小于采用大分區接線方案后所節約的電纜造價。與其他的大分區保護方案相比,該方案在經濟性上也基本相當,但獨立性和可靠性更優。

基于母線差動保護的城市軌道交通中壓環網保護方案具有非常高的獨立性和可靠性,可以很好的適應城市軌道交通供電系統的各種運行方式。在各種運行方式下均可以實現保護的完全選擇性,具有較高的工程價值。其最大的創新在于將采用近后備作為后備保護,大大簡化了邏輯關系。在今后的工程中,可以尋求更好的方法進一步簡化,實現簡單可靠的中壓環網保護,以提高供電系統的可靠性。

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Medium-voltage Ring Network Protection Based on Bus Differential Protection in Urban Rail Transit

WANG Jiao

In this paper, the current technologies of the medium-voltage ring network in large area power supply protection for urban mass transit are illustrated. By analyzing the technical difficulties of large area power supply protection technologies, a medium-voltage ring network scheme is proposed based on the bus differential protection, which sets up the near backup protection, aiming to achieve full selections from all kinds of operating modes. The proposed scheme proves to have higher independence and reliability, and can solve the technical problems in current designs of power system.

urban rail transit; power supply system; medium-voltage ring network; protection scheme; bus differential protection

U 223.8+2; U 231.8

10.16037/j.1007-869x.2016.09.010

2016-3-15)