王 蛟

(中交機電工程局有限公司技術(shù)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(huán)網(wǎng)保護方案研究

王 蛟

(中交機電工程局有限公司技術(shù)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(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)大分區(qū)保護方案技術(shù)現(xiàn)狀,對目前大分區(qū)保護方案的技術(shù)難點進行了分析,在此基礎(chǔ)上提出基于母線差動保護的中壓環(huán)網(wǎng)保護方案。該方案以設(shè)置近后備保護為出發(fā)點,實現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計中的技術(shù)難題。

城市軌道交通; 供電系統(tǒng); 中壓環(huán)網(wǎng); 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(tǒng)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(qū)電網(wǎng)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(dāng)采用集中供電時,根據(jù)線路的長度設(shè)置一定數(shù)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(fù)荷沿線路分布,如采用發(fā)散性供電方式,則工程投資較大;故軌道交通供電系統(tǒng)采用環(huán)式供電,而其中壓環(huán)網(wǎng)不可避免地超過了2級。這導(dǎo)致城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)保護和電力系統(tǒng)存在很大的不同[1-3]。

一般而言,當(dāng)串接的車站變電所數(shù)目小于5個時，為小分區(qū)供電方案；串接的車站變電所達到5個及以上時，為大分區(qū)供電方案。大分區(qū)供電方案相對小分區(qū)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(shù)發(fā)展方向。

采用大分區(qū)供電的技術(shù)難點是解決保護的選擇性。對于小分區(qū)供電,上下級變電所之間可通過時間級差實現(xiàn)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(yuǎn)后備。而采用大分區(qū)供電時,由于一個分區(qū)內(nèi)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(tǒng)要求的過流保護動作時間限值。

近年來,各設(shè)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(shù)方案,實施了較多工程實例,主要技術(shù)方案有近區(qū)速動保護方案、所內(nèi)硬線閉鎖方案、加速方案、基于GOOSE通信的網(wǎng)絡(luò)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(yōu)點,但也存在一定的缺陷。

1 大分區(qū)保護方案技術(shù)難點

基于目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,大分區(qū)下的中壓環(huán)網(wǎng)保護方案需實現(xiàn)后備保護和邏輯簡化。

1.1 后備保護的實現(xiàn)

為了保障設(shè)備和線路的安全,必須配備相應(yīng)的保護裝置以迅速切除故障。當(dāng)保護裝置發(fā)生故障或斷路器拒動時，應(yīng)有相應(yīng)的后備保護。后備保護分為近后備保護和遠(yuǎn)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(dāng)主保護裝置拒動時，近后備保護裝置動作。其優(yōu)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(wǎng)中能滿足靈敏度的要求。缺點是:變電所直流操作電源發(fā)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(yuǎn)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(yuǎn)后備保護裝置動作。其優(yōu)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(yuǎn)后備保護范圍內(nèi)所有故障元件由任何原因造成的不能切除問題。缺點是:當(dāng)多個電源向該電力元件供電時,需在所有電源側(cè)的上級元件處配置遠(yuǎn)后備保護裝置;一旦遠(yuǎn)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(wǎng)中難以滿足靈敏度的要求。

1.1.2 中壓環(huán)網(wǎng)后備保護的方案現(xiàn)狀

目前常采用的遠(yuǎn)后備方式可歸結(jié)為以下幾種。

(1) 時間級差方案。即在上下級變電所之間設(shè)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(dāng)發(fā)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(guān)依次動作直至切除故障。該方案在小分區(qū)供電方案下是可行的,由于其實現(xiàn)了多級遠(yuǎn)后備,可靠性非常高。但在大分區(qū)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(shè)置太多的級差數(shù)量,所以在大分區(qū)供電方案下時間級差方案不可行。

(2) 信號激活方案。故障發(fā)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(guān)作為后備保護。但信號激活方案的后備保護選擇依賴于數(shù)據(jù)通道的穩(wěn)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(dāng)發(fā)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(jù)的信號失效或斷路器拒動,將引起故障點的所有上級開關(guān)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(yuǎn)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(qū)保護必須解決后備保護的實現(xiàn)和邏輯的簡化,這兩個問題是相互關(guān)聯(lián)的。目前普遍采用的各種方案的復(fù)雜化,其原因在于采用遠(yuǎn)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且運行方式多樣,從而導(dǎo)致保護方案復(fù)雜。存在可能的運行方式有[5-6]:

(1) 變電所的母聯(lián)開關(guān)閉合,由一路進線給兩段母線供電,此時母線電流方向發(fā)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?qū)⒏淖兎较?短路電流大小也將發(fā)生改變。

(3) 設(shè)備檢修時,部分開關(guān)和相應(yīng)的保護裝置退出運行。

對于保護而言,在各種運行方式下發(fā)生故障均應(yīng)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(yīng)具有完全選擇性。目前國內(nèi)建設(shè)中大分區(qū)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(dāng)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(guān)啟動后備保護。個別方案激活多個上級開關(guān)構(gòu)建了多級后備保護。當(dāng)系統(tǒng)運行方式發(fā)生改變時,短路電流方向和大小都有可能發(fā)生改變,因此需要啟動后備保護的開關(guān)也能相應(yīng)變化。要實現(xiàn)該功能不論是通過硬接線還是通信線來實現(xiàn),邏輯上均較為復(fù)雜,容易出現(xiàn)邏輯漏洞。

2 基于母線差動保護的中壓環(huán)網(wǎng)保護方案

2.1 基本方案構(gòu)成

2.1.1 規(guī)范依據(jù)

GB/T 50062—2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》第5.0.3條規(guī)定,對雙側(cè)電源線路,可裝設(shè)帶方向或不帶方向的電流速斷和過電流保護。當(dāng)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(yīng)采用光纖縱聯(lián)差動保護作主保護,并應(yīng)裝設(shè)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(shè)計規(guī)范》第7.0.2條規(guī)定，發(fā)電廠和變電所的35～110 kV母線,當(dāng)采用110 kV 雙母線時,或采用110 kV單母線、重要的發(fā)電廠和變電所35～66 kV 母線,且根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)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(yīng)裝置專用母線保護。故對中壓環(huán)網(wǎng)線路和母線可裝設(shè)差動保護裝置。

2.1.2 方案構(gòu)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(gòu)建兩套完全相互獨立的保護方案。兩套方案均實現(xiàn)完全選擇性。方案基本構(gòu)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(qū)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(shè)方式。左線光纜內(nèi)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(gòu)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(xiàn)

將中壓環(huán)網(wǎng)的每一段線路和母線作為獨立單元來設(shè)置線路差動保護和母線差動保護。當(dāng)某個區(qū)段內(nèi)發(fā)生故障,對應(yīng)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(gòu)跳閘。

2.1.4 后備保護實現(xiàn)

后備保護由帶通信功能的過電流保護構(gòu)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(jù)和傳統(tǒng)差動保護不同。傳統(tǒng)差動保護判據(jù)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(jù)為保護范圍各端口過電流保護動作的數(shù)量(等于1則判斷為區(qū)域內(nèi)故障)。

(1) 電纜后備保護。在電纜兩端分別裝設(shè)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(dāng)故障發(fā)生在2個保護裝置之間的電纜上時,電源側(cè)保護裝置過電流保護啟動,負(fù)載側(cè)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(shù)量=1”,從而判斷為區(qū)域內(nèi)故障,電纜兩側(cè)開關(guān)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(lián)各配備1套過電流保護裝置。當(dāng)該段母線發(fā)生故障時,電源側(cè)(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(lián)保護裝置通過硬接線將過電流保護啟動信號發(fā)送至進線保護裝置中,由其判斷是否“過電流保護啟動數(shù)量=1”,如是，則進線、出線和母聯(lián)開關(guān)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(lián)。當(dāng)?shù)诙妆Ｗo(邏輯差動保護)動作時通過總線跳開上述開關(guān)。此外,當(dāng)進出線和饋線開關(guān)失靈時,也可通過總線跳閘，以跳開這些開關(guān)。

2.2 保護裝置配備

依據(jù)上文所述的保護構(gòu)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(huán)網(wǎng)的電纜和母線均設(shè)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(gòu)成主保護,實現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)實現(xiàn)了中壓環(huán)網(wǎng)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(xiàn)后備保護。因此設(shè)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(huán)網(wǎng)保護

保護方案對于中壓環(huán)網(wǎng)中線路和母線所構(gòu)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(dāng)主保護失效時動作。2套保護方案均實現(xiàn)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(dāng)中壓環(huán)網(wǎng)的電纜或開關(guān)柜發(fā)生故障時，先由第一套保護(差動保護)在毫秒級內(nèi)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(nèi)動作,從而切除故障。

在極端情況下,可能發(fā)生某個變電所的2套保護同時退出而又發(fā)生短路故障。例如，當(dāng)變電所直流所用電失壓時，該變電所對側(cè)開關(guān)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(shè)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(shè)置過電流保護裝置實現(xiàn)保護功能,當(dāng)饋線發(fā)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(yōu)先,在發(fā)生故障后盡可能快地恢復(fù)供電。一般在短路故障發(fā)生后200 ms內(nèi)即可恢復(fù)供電。

第二個條件為母線失壓判據(jù)。當(dāng)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(fù)供電時間較長,具體根據(jù)電力系統(tǒng)情況和分區(qū)大小決定。第二個條件作為第一條件的后備,當(dāng)?shù)谝惶妆Ｗo(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(lián)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(lián)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(shè)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(fā)信號跳開該開關(guān)兩側(cè)所有進出線和母聯(lián)開關(guān)。其中，本所開關(guān)通過跳閘總線跳閘，對側(cè)開關(guān)通過第二套保護(邏輯差動保護)光纖發(fā)信跳閘。

(2) 母聯(lián)開關(guān)失靈。和進出線失靈一樣,當(dāng)?shù)诙妆Ｗo(邏輯差動保護)動作200 ms后,如母聯(lián)開關(guān)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(guān)。

2.5.2 饋線斷路器失靈

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

3 結(jié)語

相對于小分區(qū)下的過電流級差配合方案,基于母線差保護的中環(huán)壓網(wǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用大分區(qū)接線方案后所節(jié)約的電纜造價。與其他的大分區(qū)保護方案相比,該方案在經(jīng)濟性上也基本相當(dāng),但獨立性和可靠性更優(yōu)。

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