城市軌道交通大分區中壓供電系統保護方案及應用

張剛

(武漢地鐵集團有限公司，武漢430030)

城市軌道交通大分區中壓供電系統保護方案及應用

張剛

(武漢地鐵集團有限公司，武漢430030)

針對城市軌道交通大分區中壓供電系統，提出一種在不同運行狀態及各種故障情況下均能滿足保護選擇性、速動性和可靠性的完整繼電保護方案。區間電纜以線路差動保護為主保護，線路電流比較保護為第二套主保護，過流保護為后備保護;母線上以母線差動保護為主保護，母線電流比較保護為后備保護。介紹進出線、母聯、饋線保護和斷路器失靈保護的應用，以及備自投功能的實現方式。分析大分區中壓供電系統保護的配置、原理和邏輯，對區間電纜故障、母線故障、饋線故障情況下的動作行為，論證該方案對于故障點電源切除、非故障點電源恢復的性能。最后，介紹該方案在實際項目武漢地鐵6號線上的應用。

城市軌道交通;大分區供電;繼電保護;動作分析;可靠性

1 中壓供電系統網絡結構趨勢及保護配置

1.1 中壓交流供電系統網絡結構趨勢

軌道交通供電系統主要包括主變電所、牽引變電所、降壓變電所、混合變電所、跟隨變電所等。一般情況下，主變電所將110 kV電網電壓降為中壓35 kV給沿線各變電所供電［1］。國內城市軌道交通的交流中壓供電系統主要有以下3種方式。

1.1.1 分散式供電

早期的軌道交通供電系統采用此種供電方式，如圖1所示，這種供電系統適用于電力系統發達且中壓供電電源可靠的城市［2］;但由于與城市電力系統接口多(電源點多)，獨立性差，運營管理相對復雜，目前國內新建軌道交通項目很少采用分散供電方式［3］。

圖1 分散供電Fig.1 Decentralized power supply

1.1.2 集中式供電:小分區

與分散式供電系統相比，小分區集中式供電系統允許主變電站的每回出線為下游三四個牽引或降壓變電所供電(見圖2)。此種配置方式可以大大減少電源變電站的數量，但會極大地增加有色金屬銅的消耗量，并占用隧道空間，適用于較短的軌道交通線路。

圖2 小分區供電Fig.2 Small- divisions power supply

1.1.3 集中式供電:大分區

大分區集中式供電方式，允許每組主變電所出線同時為超過5個變電所供電(見圖3)，極大地減少了有色金屬銅的消耗量，并節約隧道有限空間、方便施工和運行維護管理;但同時對供電系統運行的安全可靠性，特別是繼電保護系統的選擇性和速動性提出了更高的要求。

圖3 大分區供電Fig.3 Large divisions power supply

近些年，隨著供電一次設備產品性能的提高和城市化進程的加快，建設成本低、方便施工和運行維護管理的大分區軌道交通供電系統逐漸成為一種趨勢。

1.2 中壓交流供電系統保護配置

對于分散式及小分區中壓交流供電系統，保護配置相對簡單，與傳統的電力系統保護配置沒有太大區別;但對于大分區交流供電系統情況則不同，由于受到一次設備故障耐受時間的限制，傳統的帶時間級差的過流保護方案無法滿足各種故障時保護動作選擇性的要求，必須采用創新的保護解決方案［4］。

對于35 kV供電系統中的線路和母線，如何配置具有良好選擇性、速動性且簡單有效的保護方案，對保證供電系統的正常運行、降低供電系統故障造成的影響有極為重要的作用，是軌道交通保護配置的重點和難點，同時也是近年來軌道交通行業專家熱議的話題。

2 傳統保護配置方案及面臨的問題

2.1 主要保護對象

軌道交通35 kV變電所采用手拉手供電方式，因此對于35 kV環網供電系統，有區間電纜和站內母線段兩個主要保護對象。

1)區間電纜。采用線路光纖差動保護實現區間電纜故障的主保護，過流保護為后備保護。

2)站內母線段。這里指廣義上的母線，不僅包含C- GIS(cubicle type gas insulated switchgear)柜內封閉母線，還包括PT、避雷器、母線與所有進出線柜的連接段，即進線CT與所有出線、母聯及饋線CT中間的整個區域。母線保護通常采用進出線的后備電流保護來實現。

2.2 傳統級差式后備過流保護的局限性

如果發生區間故障，線路差動保護會快速切除故障。一旦差動保護故障退出，35 kV進出線的過流保護按照預先分配的時間級差實現保護的選擇性動作，切除電纜故障。

當母線發生故障時，對于線路差動保護而言屬于區外故障，線路差動保護不會動作。進出線過流保護將按照時間級差實現保護的選擇性動作，切除母線故障(見圖4)。

圖4 進出線后備保護動作延時級差Fig.4 Backup protection action delay differential for inlet and outlet breaker

大分區供電系統的每個分區變電所數量都很多，但因配合電網主變電所，給出的出線最大過流保護延時通常在1.2～1.6 s。此時，即使將每個時間級差設置為0.2 s，分區內變電所的過流保護動作時間依然無法配合。而且，在線路差動保護裝置故障退出的情況下發生區間故障或母線故障時，如果故障點在近電源點，較長的保護動作延時對一次設備的保護是非常不利的。另外，當一個主變電所故障退出，由另一個主變電所通過聯絡開關供電時，所有的動作延時定值需要重新配置。這就要求現場手動或通過遠方遙控切換保護裝置定值，一旦定值未及時切換，在發生故障時便會出現越級跳閘，停電區域擴大，且影響故障點的查找和處理。

3 大分區中壓供電系統保護方案

為了克服傳統保護方案的局限，本文介紹了一種適合大分區中壓供電系統的保護解決方案，具體內容如下。

3.1 繼電保護及安全自動裝置配置原則

1)區間電纜:配置光纖差動保護作為主保護，線路電流比較保護(自帶光纖通道，由進出線綜保裝置實現)作為第二套主保護，電流保護作為后備保護。當光差保護因裝置或光纜故障退出時，該方案仍然具有單元保護，以加強其可靠性。

2)母線:配置母線差動保護裝置作為母線故障的主保護，實現母線故障的瞬時跳閘;配置母線電流比較保護(由進出線綜保裝置實現)作為母線故障的后備保護，以保證其可靠性。

3)饋線柜:配置綜合電流保護裝置作為整流變和動力變電流保護，同時接收非電量信號用于跳閘或報警。

4)母聯柜:配置綜合電流保護裝置作為母聯的過流保護，同時實現母聯開關備自投功能。

3.2 繼電保護及安全自動裝置運行原則及原理

3.2.1 線路主保護

進出線柜上的主保護為光纖差動保護和電流比較保護。在正常情況下，所有區間故障均由光纖差動保護動作瞬時切除或電流比較保護經短延時切除。線路光纖差動保護具有原理簡單、動作可靠和調試方便等特點，已在國內地鐵項目中廣泛使用，成為標準配置。

線路電流比較保護實質就是比較線路兩側的故障電流:一側有故障電流，另一側沒有故障電流，即判為線路區間內部故障;兩側均有故障電流則判為是外部故障。線路兩側(B站出線和C站進線)的故障電流信息通過獨立的光纖通道傳遞，其跳閘及判別邏輯如圖5所示。

3.2.2 線路后備保護

進出線柜上的后備保護采用相同時間延時的過流保護，各站之間和進出線之間不設置固定的時間級差。另外，再配置一段加速過流段保護，當電流比較保護光纖通道故障時，投入該保護，以實現在差動故障退出且電流比較保護光纖中斷的情況下線路保護的選擇性。跳閘邏輯如圖6所示。

3.2.3 母線主保護

每段母線配置一臺獨立的母差保護裝置作為母線故障的主保護，實現母線故障的瞬時切除。母線差動保護是單元保護，具有保護無死區、選擇性好、動作快速、整定和調試方便等特點，可以對地鐵變電所母線起到高可靠性的保護效果。同時，基于母線差動保護的速動性(動作時間小于一周波)和100%的選擇性，無需考慮與饋線電流保護動作時間的協調配合，也不存在來自饋線電流保護啟動閉鎖的繁復接線問題。

圖5 線路電流比較保護動作邏輯Fig.5 Protection action logic for circuit current comparison

圖6 后備保護跳閘邏輯Fig.6 Trip logic for backup protection

3.2.4 母線后備保護

利用進線柜中的電流保護裝置配置母線電流比較保護功能，作為母線故障的后備保護。通過光隔接入出線和母聯的故障電流啟動信號，經內部邏輯判定是否為母線故障。母線故障判據為進線、出線和母聯中只有一個故障電流且經一定的延時(躲過饋線電流速斷保護的跳閘時間)后還存在，即為母線故障。如果判定為母線故障則發出跳閘命令，通過母線跳閘總線跳開進線、出線和母聯斷路器。母線電流比較保護判別及跳閘邏輯如圖7所示。

圖7 母線電流比較保護跳閘邏輯Fig.7 Protection trip logic for bus current comparison

3.2.5 饋線保護

饋線保護的電氣量保護配置包括相過流、相過流速斷、零序過流及過負荷。

饋線的非電量保護主要有變壓器超溫跳閘和高溫報警、變壓器或整流器開門跳閘或報警、整流器故障跳閘、框架泄露保護跳閘、直流逆流保護跳閘等。

3.2.6 母聯保護

母聯設置一段帶延時的過流保護，參照線路過流加速段保護延時。

3.2.7 斷路器失靈保護

由于本保護方案有別于傳統的時間級差保護方案，沒有多級遠后備，在饋線斷路器失靈的情況下會失去保護的選擇性，因此有必要配置失靈保護。

1)饋線斷路器失靈。在饋線保護中配置失靈保護元件(電流判據)，經200 ms延時啟動母線跳閘總線，實現上級斷路器(進出線和母聯)聯跳功能。失靈保護跳閘邏輯如圖8所示。

圖8 饋線失靈保護跳閘邏輯Fig.8 Protection trip logic for feeder breaker tripping failure

2)進線斷路器失靈(反向供電時為出線斷路器失靈)。當線路故障時，線路兩側的差動保護或電流比較保護同時動作，跳開進線斷路器及上游斷路器，此時進線斷路器即使失靈也不影響故障的切除。

當母線故障時，母線差動保護動作于進出線和母聯跳閘，進線斷路器如果失靈，母線故障無法切除，此時母線電流比較保護會隨后動作，并通過母線跳閘總線跳開進出線和母聯，同時啟動進出線失靈及母聯失靈保護，經200 ms延時后聯跳上游斷路器，切除故障。進出線失靈邏輯如圖9所示。outlet breaker tripping failure- 1

圖9 進出線失靈保護跳閘邏輯1Fig.9 Protection trip logic for inlet and

3)出線斷路器失靈(反向供電時為進線斷路器失靈)。當線路故障時，線路差動保護會動作，同時跳開出線斷路器及下游斷路器，如果出線斷路器失靈，則故障無法切除，但此時線路電流比較保護會隨后動作，重新跳出線斷路器及下游斷路器，同時啟動進出線失靈保護，經200 ms延時后通過母線跳閘總線聯跳進出線和母聯，切除故障。跳閘邏輯如圖10所示。

圖10 進出線失靈保護跳閘邏輯2Fig.10 Protection trip logic for inlet and outlet breaker tripping failure 2

當母線故障時，母線差動保護動作于進出線和母聯跳閘，出線斷路器即使失靈也不會造成影響，因為電源進線已經成功跳開，母線故障也已被切除。

4)母聯斷路器失靈。母聯斷路器失靈啟動兩段母線跳閘總線跳開兩段母線上的所有可能的電源間隔，即進線、出線和母聯。失靈邏輯如圖11所示。

圖11 母聯失靈保護跳閘邏輯Fig.11 Protection trip logic for bus coupler breaker Failure

3.2.8 母聯備自投

針對地鐵供電的高可靠性要求，必須有完善的備用電源自投功能，在快速和有選擇性地切除故障元件后恢復非故障元件的供電，維持供電系統的穩定性。

本方案除了采用線路差動保護動作啟動本所備自投外，也配置了失壓啟動備自投方案作為后備，同時還疊加了上級所進線手動分閘和母線差動動作啟動下級所備自投方案。基本原則為近故障點優先啟動備自投，備自投的主要邏輯由母聯柜上的綜合保護裝置實現。

線路差動動作啟動備自投顯然滿足近故障點啟動原則，這里不考慮啟動延時。當發生線路區間故障時，線路差動保護動作切除區間故障，同時啟動線路受電端變電所的備自投，合上母聯開關，快速恢復系統供電。

當上級所母線差動動作或人為進線分閘(就地或遠方)時，線路差動啟動備自投無法工作，如果由失壓啟動備自投動作恢復供電，則動作時間會很長，特別是靠近分區末端的變電所。本方案考慮了上級所進線人工分閘或母線差動動作啟動下級所備自投，較好地解決了這個問題。

失壓啟動備自投，按電源側到末端站的順序及時間級差設置延時，能夠滿足選擇性要求，即近故障點優先啟動備自投。除了線路區間故障、上級所母線故障和進線人工分閘外，失壓啟動備自投可以作為任何其他故障或失電情況下的備自投后備，比如饋線失靈保護動作后的情況，也可以作為線路差動啟動備自投或者上級所啟動本所備自投的冗余措施。備自投的動作邏輯如圖12所示。

圖12 備自投的動作邏輯Fig.12 The action logic of BZT

4 不同故障點和運行狀態下保護動作實例分析

針對供電系統的3種典型故障(如圖13)，結合以上的保護配置方案，得出各種運行狀態下故障切除、供電恢復的分析結果，如圖13及表1～3所示。

圖13 各種故障點示意Fig.13 Schematic diagram of various fault points

表1 35 kV區間電纜故障(K1故障)Tab.1 Cable fault for 35kV power supply Section K1 fault

表2 35 kV母線故障(K2故障)Tab.2 35 kV busbar fault K2 fault

表3 35 kV饋出線故障(K3故障)Tab.3 35 kV feeder fault K3 fault

5 保護方案在武漢地鐵6號線的應用

本保護方案已經在武漢地鐵6號線成功應用。在實際調試中，分別模擬35 kV線路區間故障、母線故障及饋出線故障，得出保護裝置在不同狀態下(正常運行、裝置異常或各種斷路器失靈)，其動作結果與分析結果完全一致。

5.1 保護配置

武漢地鐵6號線的保護配置見圖14。進出線主保護選用施耐德電氣的光纖縱差保護裝置MiCOM P521，進出線后備過流保護兼測控裝置選用施耐德電氣的MiCOM P143(帶光纖通道);母聯和饋線也選用MiCOM P143，但是不帶光纖通道，母差保護裝置選用MiCOM P746。

圖14 35 kV雙環網保護配置Fig.14 Protection configuration for 35 kV Double Looped Network substation

MiCOM P521是快速雙端線路差動保護，除具有差動保護功能外，還具有過流、接地保護，負序過流保護，冷負荷啟動，涌流閉鎖，CT斷線，跳閘回路，斷路器監視以及邏輯編程等功能，具有完全的選擇性和速動性，而且靈敏、可靠。

MiCOM P143作為綜合保護裝置，提供各種電流、電壓、功率等保護功能，同時還具有眾多輔助、控制及測量功能。MiCOM P143具有PSL邏輯編程功能，可以根據用戶的要求為過流保護段設置啟動或閉鎖條件，還可以根據用戶的需要方便地實現各種自動化功能，比如母聯備自投功能。

5.2 各裝置保護的設置及其時限配合

線路差動保護和母線差動保護作為主保護均瞬時動作于跳閘，沒有時限的配合問題。對于進出線的后備保護、饋線保護和母聯保護，為了達到充分的保護選擇性，可以按如下考慮設置時限。

1)饋線的限時速斷動作時限考慮為0.1 s;過流保護動作時限為0.4 s(由于饋線過流保護的電流門檻非常低，母線電流比較保護只要考慮和饋線的時限速斷配合即可)。

2)線路和母線電流比較保護的時限考慮為0.3 s。

3)進出線加速過流保護時限考慮為0.5 s。

4)母聯過流保護時限考慮為0.5 s。

5)進出線正常過流保護考慮時限為0.9 s(如果不考慮母聯過流保護啟動失靈，這個時限可以為0.7 s)。

6 結語

通過對軌道交通沿線變電所配置基于線路光纖差動保護、母線差動保護以及線路和母線電流比較保護的完善保護方案，大大縮短了發生區間故障和母線故障時的保護動作時間。線路電流比較保護是在線路差動保護的基礎上疊加了一套強有力的單元保護，同樣具有100%的選擇性;作為母線差動的后備保護，母線電流比較保護考慮了和饋線電流速斷的時間級差，因此只需要考慮出線和母聯的故障電流啟動信號的閉鎖，大大減少了接線，保證了供電的可靠性，同時兼顧了選擇性和速動性;完備的失靈方案也保證了供電系統不會因為某個斷路器失靈而擴大故障停電的范圍。

與目前城市軌道交通中壓供電系統保護方案相比較，本保護方案在每座變電所只增加了2臺母線差動保護裝置，而獲得了母線故障保護的速動性(動作時間少于一周波)和完全的選擇性，并實現了母線故障的雙重保護，保證了供電的可靠性。綜上所述，本保護方案及其完善的備自投方案，充分保證了在各種故障情況下保護跳閘的速動性和選擇性，并能快速和有選擇地啟動合適的母聯備自投，最大限度地恢復非故障點的正常供電。該保護方案適合所有大小分區的軌道交通線路，保護動作時間不受分區大小的影響，而且該保護方案在一個主變電站故障完全退出的情況下也能自適應，不需要保護定值切換。

考慮簡化二次回路接線，方便現場調試和運行維護，本方案的某些方面還有優化的空間，比如采取進出線差動動作即解除母線電流比較保護閉鎖，以達到出線失靈跳進線的目的;采取母線電流比較保護跳進線的同時聯跳對側的方法，以解決進線失靈的問題。

隨著技術的進步及地鐵運行經驗的不斷積累，在今后的地鐵工程中，可以對該方案進行不斷的優化，以提高供電系統的可靠性。

［1］于松偉.城市軌道交通供電系統的中壓網絡研究［C］//城市軌道交通首屆中青年專家論壇論文集，北京:兵器工業出版社，2002.

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(編輯:王艷菊)

Protection Scheme for Big Partition Medium Voltage Power Supply System and Its Field App lication in Urban Rail Transit

ZHANG Gang
(Wuhan Metro Group Co.，Ltd.，Wuhan 430030)

For the big partitionmedium voltage power supply system in urban rail transit，a complete solution of relay and protection is proposed，which can meet the requirements of protection selectivity，speed and reliability under different operation conditions and various fault conditions.For the cable between two substations，the line differential protection is used as the primary main protection，the digital comparison protection of line current acts as the second main protection，and overcurrent protection is a backup protection;for the busbar，the differential protection is themain protection，and the digital comparison protection of busbar current is the backup protection.This paper introduces the application of protection for incom ing and outgoing cable，bus coupler，feeder，and breaker failure，aswell as theway to realize the automatic sw itching function of power supply.Considering the protection configuration，principle and logic，the papermakes an analysis of actions under cable fault，busbar fault and feeder fault，and demonstrates the performance of the scheme for clearing of power supply at fault point，and restoring of power supply at non fault point.At last，this paper introduces the application of this scheme in Wuhan Metro Line 6.

urban rail transit;big partition power supply;relay protection;action analysis;reliability

U231.8

A

1672- 6073(2017)02- 0075- 07

10.3969/j.issn.1672 6073.2017.02.015

2016- 04 27

2017 01 04

張剛，男，教授級高級工程師，主要從事供電系統建設方面的研究，zhangg@whrt.gov.cn