摘 要：當(dāng)前越來(lái)越多的地鐵供電系統(tǒng)采用大分區(qū)供電方案，在這一供電模式下，傳統(tǒng)的電流級(jí)差保護(hù)方案已經(jīng)無(wú)法保障供電的保護(hù)選擇性，因此，提出光纖差動(dòng)保護(hù)及過流保護(hù)相配合、電流選跳保護(hù)優(yōu)化的大分區(qū)供電保護(hù)方案。文章通過對(duì)光纖差動(dòng)保護(hù)、過流保護(hù)相配合的保護(hù)配置方案進(jìn)行敘述，提出了保護(hù)裝置在正常和故障情況下的典型故障保護(hù)動(dòng)作，最后提出了電流選跳優(yōu)化保護(hù)方案，通過這幾個(gè)方面總結(jié)了35kV供電系統(tǒng)中大分區(qū)保護(hù)方案的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：大分區(qū)供電；地鐵供電系統(tǒng)；過流保護(hù)；電流選跳

引言

隨著國(guó)內(nèi)供電設(shè)備和電纜生產(chǎn)的工藝水平不斷提高，供電系統(tǒng)故障率也有所下降，當(dāng)前在建地鐵35kV交流供電系統(tǒng)中逐漸采用了大分區(qū)供電，但傳統(tǒng)的電流保護(hù)方案無(wú)法保障各分所保護(hù)之間選擇性。而當(dāng)前針對(duì)大分區(qū)供電的保護(hù)方案主要是電流選跳保護(hù)，但由于當(dāng)前的電流選跳保護(hù)過度依賴鄰站電流保護(hù)裝置之間額外架設(shè)的光纖傳輸通道來(lái)傳輸保護(hù)比選信息，故障選擇性切除的邏輯判斷。一旦額外的光纖通道失效，會(huì)導(dǎo)致故障選擇性切除功能的喪失，同時(shí)也降低了保護(hù)速動(dòng)性[1]。

1 大分區(qū)供電保護(hù)方案

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的地鐵供電系統(tǒng)主要包括110kV/35kV集中供電以及35kV分散供電這兩種方式，前者較為普遍，在供電系統(tǒng)搭建過程中，根據(jù)線路的長(zhǎng)短，集中供電方式在一條地鐵線路中設(shè)置2個(gè)或2個(gè)以上的主變電所，主變電所又通過主變壓器來(lái)將城市電網(wǎng)分為110kV的兩路引入，并將電源電壓降為35kV，之后再輸送至各個(gè)車站牽引降壓變電所來(lái)為地鐵供電。以往的地鐵35kV供電系統(tǒng)中，大多采用小分區(qū)、小環(huán)網(wǎng)供電的形式。為了降低環(huán)網(wǎng)電纜及開關(guān)柜的投資成本和綜合造價(jià)，當(dāng)前新建地鐵35kV系統(tǒng)越來(lái)越多的采用大分區(qū)供電模式，即一個(gè)供電分區(qū)由5～8個(gè)，甚至更多個(gè)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(huán)網(wǎng)方式相連。大分區(qū)供電方案如圖1所示。

2 傳統(tǒng)保護(hù)配置存在的不足

35kV地鐵供電系統(tǒng)中傳統(tǒng)的保護(hù)配置方案為：以光纖線路的差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)，定時(shí)限過電流及零序過電流保護(hù)作為后備保護(hù)。這種配置方案針對(duì)各種可能出現(xiàn)的常見短路故障能夠提供可靠的保護(hù)，但也存在一定局限和不足，尤其是在大分區(qū)的供電模式中。

首先，在理想的情況下，為了保證保護(hù)選擇性，過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)當(dāng)逐級(jí)配合，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)滿足電力系統(tǒng)所提供的主變電所進(jìn)線過流保護(hù)的整定時(shí)間的相互配合。而在大分區(qū)供電模式中，為了滿足系統(tǒng)的要求，環(huán)網(wǎng)過流保護(hù)無(wú)法進(jìn)行逐級(jí)配合，只能犧牲掉一部分的選擇性并壓縮變電所間的配合級(jí)數(shù)，3-4個(gè)變電所其過流保護(hù)采用統(tǒng)一的時(shí)間整定值，這樣當(dāng)環(huán)網(wǎng)的末端或是母線發(fā)生短路，若依靠過流保護(hù)動(dòng)作來(lái)切除障礙，可能造成較大范圍同時(shí)跳閘，甚至導(dǎo)致更大范圍的地鐵停運(yùn)事故。此外，過流保護(hù)時(shí)限的配合關(guān)系還受到供電系統(tǒng)其運(yùn)行方式影響，運(yùn)行方式需要改變時(shí)，必須重新對(duì)定值、時(shí)限配合關(guān)系重新進(jìn)行配置，即切換不同定值組。

其次，后備保護(hù)的速動(dòng)性以及選擇性之間存在矛盾，這是眾所周知的缺陷。為了滿足選擇性，則需要犧牲速動(dòng)性。若發(fā)生故障點(diǎn)距離主變電所越近，短路電流就越大，跳閘時(shí)間就應(yīng)當(dāng)越短越好，但為了保證后備保護(hù)的選擇性，過流保護(hù)動(dòng)作的時(shí)限反而更長(zhǎng)。

最后，開關(guān)柜中母線保護(hù)的問題，設(shè)計(jì)規(guī)范中并未強(qiáng)調(diào)針對(duì)母線配置專門的保護(hù)，這是由于母線的保護(hù)價(jià)格較高，且地鐵35kV的開關(guān)柜通常采用GIS氣體絕緣柜，母線要出現(xiàn)故障的概率較小。但近年來(lái)在地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，母線上的電壓互感器發(fā)生過擊穿短路，就相當(dāng)于母線故障，最終都由環(huán)網(wǎng)的進(jìn)線開關(guān)柜中過流保護(hù)出口動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，造成一定的危害[3]。

線路光纖差動(dòng)保護(hù)具有反應(yīng)靈敏、動(dòng)作迅速、可靠性強(qiáng)、選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但僅對(duì)保護(hù)線路有效，對(duì)于開關(guān)柜內(nèi)母線發(fā)生的故障，只能依靠環(huán)網(wǎng)的后備過流保護(hù)，但時(shí)間較長(zhǎng)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間同變電所處于環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中的位置有一定的聯(lián)系，且可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作時(shí)限一致的不同變電所環(huán)網(wǎng)過流保護(hù)出現(xiàn)同時(shí)跳閘，影響供電系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

可見，傳統(tǒng)的保護(hù)配置方案已經(jīng)不適用于當(dāng)前的地鐵大分區(qū)供電系統(tǒng)中，一方面可以通過改善現(xiàn)有的電流選跳保護(hù)方案，即通過電流選跳保護(hù)結(jié)合差動(dòng)保護(hù)、過流保護(hù)的方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化；另一方面，提出基于光纖差動(dòng)和過流保護(hù)相互配合的選跳保護(hù)方配置方案。

3 保護(hù)選跳配置方案

保護(hù)配置方案按照地鐵保護(hù)的設(shè)置原則，一般只考慮N-1時(shí)的故障狀態(tài)，即一般不同時(shí)考慮兩種故障狀態(tài)。故障狀態(tài)包括：光纖差動(dòng)保護(hù)裝置故障、光纖差動(dòng)保護(hù)裝置通訊故障、后備保護(hù)裝置故障、母聯(lián)合閘運(yùn)行及斷路器失靈。保護(hù)功能的設(shè)置與傳統(tǒng)的地鐵系統(tǒng)保護(hù)配置一致，為進(jìn)線、出線主保護(hù)采用差動(dòng)保護(hù)及后備保護(hù)，差動(dòng)主保護(hù)與后備保護(hù)（包括過流保護(hù)、零序保護(hù)等）采用獨(dú)立的兩套保護(hù)裝置；出線及母聯(lián)配置過流保護(hù)、零序保護(hù)及變壓器非電量保護(hù)等。

保護(hù)選跳配置方案分為硬線配置和邏輯配置。

硬線配置指在主變電所35kV的氣體絕緣開關(guān)出線柜以及各分區(qū)變電所的進(jìn)出線柜、饋線柜、母聯(lián)柜的保護(hù)裝置之間信息溝通渠道。進(jìn)、出線柜光纖差動(dòng)保護(hù)采用專用的光纖通道實(shí)現(xiàn)站間信息傳遞，站內(nèi)的保護(hù)裝置之間，如本柜的差動(dòng)保護(hù)及過流保護(hù)裝置之間，不同柜過流保護(hù)裝置之間進(jìn)行信號(hào)傳遞采用硬件連線的方式。

邏輯配置即本站內(nèi)進(jìn)、出線柜、饋線柜、母聯(lián)柜保護(hù)裝置利用各裝置之間硬連線獲取的開出、開出量（硬連線在裝置開入、開出接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的高低電平），通過保護(hù)裝置內(nèi)部邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)、站間的保護(hù)閉鎖及保護(hù)跳閘配合。

4 電流選跳保護(hù)配合典型案例分析

以某一分區(qū)35kV變電所進(jìn)、出線柜保護(hù)配合為例：

（1）在正常運(yùn)行方式，即母聯(lián)處于分位，如圖2電纜故障（d1點(diǎn)故障）。

a.差動(dòng)保護(hù)裝置正常、無(wú)斷路器失靈，d1電纜故障。結(jié)果：斷路器6、9的差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作，斷路器6、9跳閘，切除故障線路。b.差動(dòng)保護(hù)裝置正常、斷路器6失靈，d1電纜故障。結(jié)果：斷路器9的差動(dòng)裝置正確跳開斷路器9；由于斷路器6失靈無(wú)法跳閘，其差動(dòng)保護(hù)通過裝置之間的硬線信息通知同母保護(hù)裝置跳開斷路器5。c.差動(dòng)保護(hù)裝置正常、斷路器9失靈，d1電纜故障。結(jié)果：斷路器6的差動(dòng)裝置正確跳開斷路器6；由于斷路器9失靈無(wú)法跳閘，其差動(dòng)保護(hù)通過裝置之間的硬線信息通知同母保護(hù)裝置跳開斷路器10。d.斷路器6或9的差動(dòng)保護(hù)裝置異常或保護(hù)通信異常，無(wú)斷路器失靈，d1電纜故障。結(jié)果：斷路器6的過流保護(hù)裝置加投的過流I段跳開斷路器6；斷路器9的過流保護(hù)裝置加投低電壓保護(hù)跳開斷路器9。e.斷路器6或9的差動(dòng)保護(hù)裝置異常或保護(hù)通信異常，斷路器6失靈，d1電纜故障。結(jié)果：斷路器6的過流保護(hù)裝置加投的過流I段啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)跳開斷路器5；斷路器9的過流保護(hù)裝置加投低電壓保護(hù)跳開斷路器9。f.斷路器6或9的差動(dòng)保護(hù)裝置異常或保護(hù)通信異常，斷路器9失靈，d1電纜故障。結(jié)果：斷路器6的過流保護(hù)裝置加投的過流I段跳開斷路器6；斷路器9的過流保護(hù)裝置加投低電壓保護(hù)啟動(dòng)斷路器失靈跳開斷路器10。

（2）在正常運(yùn)行方式，即母聯(lián)處于分位，如圖3母線故障（d3點(diǎn)故障）。

a.過流保護(hù)裝置均正常，無(wú)斷路器失靈，d3點(diǎn)故障。結(jié)果：斷路器5的過流保護(hù)裝置跳斷路器5同時(shí)聯(lián)跳斷路器6。b.過流保護(hù)裝置異常，無(wú)斷路器失靈，d3點(diǎn)故障。結(jié)果：?jiǎn)?dòng)斷路器5的光纖差動(dòng)保護(hù)裝置的過流Ⅱ段保護(hù)，跳斷路器5同時(shí)聯(lián)跳斷路器6。c.過流保護(hù)裝置正常，斷路器5失靈，d3點(diǎn)故障。結(jié)果：斷路器5的過流保護(hù)裝置動(dòng)作并聯(lián)跳斷路器6，同時(shí)斷路器5的過流保護(hù)裝置啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)，并通過本柜光纖差動(dòng)保護(hù)裝置將跳閘信號(hào)傳至對(duì)側(cè)差動(dòng)保護(hù)裝置，跳斷路器2。d.過流保護(hù)裝置正常，斷路器6失靈，d3點(diǎn)故障。結(jié)果：斷路器5的過流保護(hù)裝置跳斷路器5同時(shí)聯(lián)跳斷路器6。斷路器6未能跳閘啟動(dòng)斷路器6，其過流保護(hù)裝置啟動(dòng)斷路器失靈保護(hù)并通過本柜光纖差動(dòng)保護(hù)裝置將跳閘信號(hào)傳至對(duì)側(cè)光纖差動(dòng)保護(hù)裝置，跳斷路器9。

由于篇幅所限，非正常運(yùn)行方式下，即本站母聯(lián)處于合位時(shí)，線路故障、母線故障情況的案例就不一一列舉了。

5 結(jié)束語(yǔ)

在地鐵供電系統(tǒng)發(fā)展過程中，大分區(qū)環(huán)網(wǎng)供電模式是地鐵35kV交流供電系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，文章提出了一種大分區(qū)供電選跳保護(hù)解決方案，在不改變現(xiàn)有保護(hù)裝置及功能的原則下，即可滿足大分區(qū)供電系統(tǒng)的選擇性要求，保證在各種運(yùn)行方式、各種故障情況下環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線保護(hù)切除故障時(shí)間不大于0.5s。通過方案分析并根據(jù)故障進(jìn)行分析，說(shuō)明了大分區(qū)供電保護(hù)方案在地鐵中的應(yīng)用具有良好的可行性。而方案優(yōu)化仍然在不斷進(jìn)行中，在今后運(yùn)營(yíng)過程中應(yīng)當(dāng)積極探索，找到最優(yōu)方案，推動(dòng)地鐵這一公共交通行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]趙生平.南京地鐵一號(hào)線南延線中壓供電系統(tǒng)方案研究[D].上海交通大學(xué)，2011，2（1）：42-43.