張開波

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地下鐵道設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610031）

0 引言

在國內(nèi)城市軌道交通工程供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，中壓供電網(wǎng)絡(luò)（10 kV / 20 kV / 33 kV / 35 kV）基本上均采用了分區(qū)環(huán)網(wǎng)方案，多座變電所組成 1 個(gè)供電分區(qū)，每個(gè)供電分區(qū)中的 1 座變電所直接從主變電所（或開閉所）的 2 段母線分別引入 1 回電源，其他變電所采用環(huán)接方式接入，開環(huán)方式運(yùn)行，典型的方案如圖 1 所示。

由于線路大部分位于市區(qū)，站間距較小。分區(qū)環(huán)網(wǎng)采用的保護(hù)配置方案，需滿足保護(hù)靈敏性、選擇性、速動(dòng)性、可靠性等方面的要求。上海明珠線 10 kV 及目前部分新建城市軌道交通工程的中壓環(huán)網(wǎng)保護(hù)，采用了數(shù)字通信方式的電流選跳或其他后加速電流保護(hù)方案。但大多數(shù)城市軌道交通工程的中壓環(huán)網(wǎng)保護(hù)方案配置中，考慮到技術(shù)的成熟性和可靠性，一般仍采用光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)作為環(huán)網(wǎng)電纜的主保護(hù)，同時(shí)采用常規(guī)的過電流保護(hù)作為后備保護(hù)。

圖1 典型城市軌道交通工程供電系統(tǒng)示意圖

本文對(duì)中壓環(huán)網(wǎng)保護(hù)中的后備過電流保護(hù)整定在實(shí)際應(yīng)用中存在的一些問題進(jìn)行分析，供大家探討。

1 保護(hù)配置與運(yùn)營需求間的關(guān)系

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以運(yùn)營需求為導(dǎo)向的，城市軌道交通最基本的運(yùn)營需求是：安全、快捷、準(zhǔn)時(shí)地將乘客送至目的地。

供電系統(tǒng)的高可靠性是保證運(yùn)營需求的最基本條件。在保證安全的前提下，不間斷地為城市軌道交通各相關(guān)機(jī)電系統(tǒng)提供電源；如果供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應(yīng)在最短時(shí)間內(nèi)及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)的供電，盡量減少對(duì)線路正常運(yùn)營的影響。

在之前的工程中，對(duì)于供電系統(tǒng)本身的安全性和可靠性考慮較多，而對(duì)于系統(tǒng)或整個(gè)城市軌道交通工程的可用性指標(biāo)考慮較少，而現(xiàn)在的設(shè)計(jì)理念是：真正能為用戶帶來價(jià)值的是系統(tǒng)的可用性。

可用性A（t）定義為：系統(tǒng)在使用過程中，可以正常使用的時(shí)間與總時(shí)間之比。它包含了系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、可管理性和可維護(hù)性?？捎眯院靡馕吨o用戶帶來更多的正常使用時(shí)間，把故障后的不可用時(shí)間降到最低限度。

式（1）中：MTBF為平均無故障工作時(shí)間；MTTR為平均修復(fù)時(shí)間。

因此，在供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，不僅需設(shè)置各種保護(hù)裝置來保證運(yùn)行安全，出現(xiàn)故障時(shí)能盡快地切除和隔離故障，同時(shí)也應(yīng)考慮故障區(qū)隔離后能盡快地恢復(fù)非故障區(qū)的供電，即保護(hù)配置及參數(shù)整定應(yīng)能保障正常供電方式下的運(yùn)行安全，同時(shí)也需適應(yīng)各種供電方式的切換需求。

2 過電流保護(hù)參數(shù)設(shè)置現(xiàn)狀

在工程應(yīng)用中，較多保護(hù)參數(shù)的設(shè)置僅從各供電方式穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和考慮，其參數(shù)設(shè)置能滿足各供電方式穩(wěn)定運(yùn)行后的需求，但沒有深入考慮各種供電方式在切換過程中，各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置是否合理的問題，即沒有結(jié)合整個(gè)城市軌道交通工程運(yùn)營后各種情況下的實(shí)際需求進(jìn)行綜合考慮。

以下以某實(shí)際工程為例進(jìn)行分析，從影響過電流保護(hù)裝置參數(shù)設(shè)置的方面考慮，供電系統(tǒng)有以下幾種運(yùn)行方式。

2.1 供電系統(tǒng)運(yùn)行方式

以圖 1 為例，供電系統(tǒng)運(yùn)行分式有以下幾種情況。

（1）方式 A：2 座主變電所正常運(yùn)行，設(shè)置于華西壩站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開。

（2）方式 B：皂角樹主變電所故障退出，設(shè)置于華西壩站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，由火車南站主變電所向全線 1、2 級(jí)負(fù)荷供電。

（3）方式 C：火車南站主變電所故障退出，設(shè)置于華西壩站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，由皂角樹主變電所向全線 1、2 級(jí)負(fù)荷供電。

2.2 不同運(yùn)行方式下的過電流保護(hù)參數(shù)設(shè)置

過電流保護(hù)參數(shù)的設(shè)置原則為：

（1）動(dòng)作電流應(yīng)躲過線路的最大過負(fù)荷電流；

（2）動(dòng)作靈敏系數(shù)≥1.5，按照保護(hù)線路末端最小兩相短路電流校驗(yàn)。

過電流保護(hù)的參數(shù)設(shè)置主要有 2 個(gè)，一個(gè)是動(dòng)作電流值Id，另一個(gè)是動(dòng)作延時(shí)參數(shù)Td。對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)行方式，為實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作的選擇性，一般會(huì)對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)。

因此，圖 1 中第 3、第 4 供電分區(qū)作為主變電所之間的聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，對(duì)應(yīng)供電運(yùn)行方式 A、B、C 分別有3 組保護(hù)參數(shù)設(shè)定值。

以圖 1 中錦江賓館站的 35 kV 進(jìn)線環(huán)網(wǎng)開關(guān)常規(guī)過電流保護(hù)參數(shù)設(shè)置為例進(jìn)行說明。表 1 為進(jìn)線開關(guān)過電流保護(hù)設(shè)置，其中進(jìn)、出線開關(guān)的區(qū)別以正常供電方式 A 下的功率潮流方向進(jìn)行區(qū)別，電流互感器變比均為 600/1。

表1 進(jìn)線開關(guān)過電流保護(hù)設(shè)置

對(duì)應(yīng)方式 A，其保護(hù)參數(shù)的設(shè)定值僅需考慮本站及華西壩站范圍內(nèi)的最大負(fù)荷電流；時(shí)限配合關(guān)系僅需考慮華西壩站到皂角樹主變電所。因此，其動(dòng)作電流整定值較小，為 0.15 A。

對(duì)應(yīng)方式 B，其保護(hù)參數(shù)的設(shè)定值需考慮天府廣場(chǎng)站一直到車輛段變電所范圍內(nèi)的最大負(fù)荷電流；時(shí)限配合關(guān)系需考慮從車輛段變電所開始至火車南站主變電所。因此，其保護(hù)動(dòng)作電流整定值較大，為 1.08 A。

雖然我熟悉的幾個(gè)孩子天性是很瘋的，玩瘋起來大喊大叫，但這個(gè)完全不矛盾。good manner不是天生的，是家長后天嚴(yán)格的家教和努力得來的。

對(duì)應(yīng)方式 C，其保護(hù)參數(shù)的設(shè)定值需考慮本站一直到世紀(jì)城站變電所范圍內(nèi)的最大負(fù)荷電流；時(shí)限配合關(guān)系需考慮從世紀(jì)城變電所開始至皂角樹主變電所。因此，其動(dòng)作電流整定值最大，為 1.45 A。

2.3 參數(shù)設(shè)定值存在問題的分析

針對(duì)聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，以上常規(guī)的 3 組過電流保護(hù)參數(shù)設(shè)定值就每一種供電方式而言都沒有問題，均能很好地滿足各種運(yùn)行方式下的靈敏性和選擇性的需求。但其沒有深入考慮城市軌道交通運(yùn)營的實(shí)際需求，即將這 3 種供電運(yùn)行方式割裂開來，沒有考慮故障后相互間的切換過程對(duì)于實(shí)際工程運(yùn)營的影響程度。

（1）如果先停電，分別切換各環(huán)網(wǎng)開關(guān)過電流保護(hù)裝置的整定值后，再改變供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，以上3 組設(shè)定值均沒有問題。但存在停電時(shí)間太長、對(duì)于線路正常運(yùn)營的影響程度太大的缺點(diǎn)。

（2）如果為實(shí)現(xiàn)故障后的快速恢復(fù)供電的需求，需先及時(shí)改變供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，后切換環(huán)網(wǎng)開關(guān)過電流保護(hù)裝置的整定值，以上常規(guī) 3 組保護(hù)設(shè)定值就會(huì)有一定問題。

以表 1 進(jìn)線開關(guān)過電流保護(hù)設(shè)置為例，對(duì)應(yīng)供電方式 A 的動(dòng)作電流整定值為 0.15 A；對(duì)應(yīng)供電方式 C 的動(dòng)作電流整定值為 1.45 A，2 種方式下的電流整定值差別較大。如果供電運(yùn)行方式從方式 A 改變到 C 時(shí)，先改變供電運(yùn)行方式，即先切換環(huán)網(wǎng)開關(guān)，后切換對(duì)應(yīng)環(huán)網(wǎng)開關(guān)過電流保護(hù)裝置的整定值，供電方式 C 正常情況下的負(fù)荷電流就可能會(huì)導(dǎo)致該變電所的環(huán)網(wǎng)進(jìn)、出線開關(guān)出現(xiàn)保護(hù)裝置的過電流保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)開關(guān)跳閘，從而出現(xiàn)保護(hù)整定值不合理而導(dǎo)致供電運(yùn)行方式切換失敗。同樣的問題也會(huì)出現(xiàn)在從供電運(yùn)行方式 A 改變到方式 B 時(shí)。

3 運(yùn)營需求分析

在實(shí)際運(yùn)營中，如出現(xiàn)主變電所故障退出運(yùn)行（不考慮其 35 kV 母線同時(shí)故障）的事件，即會(huì)出現(xiàn)供電運(yùn)行方式 B 或 C 的情況，到底是應(yīng)該先改變供電運(yùn)行方式，還是先切換保護(hù)裝置的整定值，以火車南站主變電所故障退出的情況為例進(jìn)行詳細(xì)分析，同理也適用于皂角樹主變電所故障退出的情況。

3.1 運(yùn)營需求分析

在火車南站主變電所故障退出的情況下，華西壩站環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài)，南段的省體育館站、倪家橋站、桐梓林站、火車南站、火車南站主變電所、高新站、行政中心站、孵化園站、海洋公園站，還包括控制中心各變電所全部失電。該情況下，相關(guān)站點(diǎn)所有的 1、2、3 級(jí)負(fù)荷電源全部失電。其中部分特別重要的負(fù)荷僅能靠配置的蓄電池、不間斷電源（UPS）、應(yīng)急電源（EPS）設(shè)施繼續(xù)供電，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，其后備時(shí)間分別為 0.5 h、1 h 和 2 h 不等。如果在線路正常載客運(yùn)營期間出現(xiàn)該故障，則在該區(qū)段內(nèi)運(yùn)行的所有列車均停在原地，終止運(yùn)行，有的列車可能在車站，而大部分的列車可能是在區(qū)間隧道內(nèi)。為保證列車上乘客的安全和情緒的穩(wěn)定，僅能靠列車上的蓄電池組供電保持車輛通風(fēng)、照明等設(shè)施的工作。由于負(fù)荷較大及列車上條件的限制，該蓄電池組的后備時(shí)間也極為有限，同時(shí)大量列車在線路上停運(yùn)的時(shí)間太長，也可能會(huì)給列車上的乘客帶來恐慌，導(dǎo)致一些不可預(yù)知的后果。特別是在早晚運(yùn)營高峰期，在城市軌道交通線網(wǎng)運(yùn)營有大量換乘客流的情況下，1 條線路的運(yùn)營中斷故障也會(huì)嚴(yán)重影響其他線路的正常運(yùn)營。

因此，由于 1 個(gè)主變電所正常供電的范圍較大，一旦出現(xiàn)類似這種近一半運(yùn)營線路失電停運(yùn)的情況時(shí)，重中之重是通過及時(shí)改變供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，盡快恢復(fù)系統(tǒng)供電，保證相關(guān)車站設(shè)備及運(yùn)營列車重新獲得電源，盡量減少對(duì)運(yùn)營的影響。

如果出現(xiàn)主變電所故障退出，在改變供電運(yùn)行方式時(shí)，為避免出現(xiàn)保護(hù)裝置誤動(dòng)作，必須先切換保護(hù)整定值。對(duì)應(yīng)圖 1 的供電系統(tǒng)圖，如火車南站主變電所故障退出，必須先切換皂角樹主變電所、騾馬市站、天府廣場(chǎng)站、錦江賓館站、華西壩站、省體育館站、倪家橋站、桐梓林站、火車南站、火車南站主變電所的一共涉及 10 個(gè)變電所的多個(gè)環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線開關(guān)的保護(hù)整定值，然后再對(duì)環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)和 2 個(gè)主變電所與聯(lián)絡(luò)分區(qū)相關(guān)的幾個(gè)開關(guān)進(jìn)行操作，這種方法需要的時(shí)間太長，在目前沒有更好的技術(shù)手段支撐的情況下，對(duì)運(yùn)營的影響太大。

其耗時(shí)較長的原因分析如下。

（1）如果在各變電所開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)對(duì)保護(hù)整定值進(jìn)行切換。在變電所內(nèi)開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)由專業(yè)人員切換保護(hù)整定值，時(shí)間短且可靠性高。但由于目前城市軌道交通各類變電所均考慮為無人值班模式，在該模式下，如果考慮到市區(qū)內(nèi)經(jīng)常的堵車現(xiàn)象，專業(yè)人員在故障發(fā)生后立即趕到每個(gè)變電所現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間是很不確定的，而且有 10 個(gè)變電所的保護(hù)整定值需要切換，都需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作。在所有整定值切換完成后，再考慮其對(duì)應(yīng)環(huán)網(wǎng)開關(guān)的倒閘操作，其時(shí)間可能遠(yuǎn)在 30 min 以上。

（2）如果在控制中心對(duì)保護(hù)整定值進(jìn)行切換。由于對(duì)保護(hù)裝置整定值的切換是一個(gè)比較慎重的工作，如切換錯(cuò)誤，可能出現(xiàn)事故范圍擴(kuò)大或?qū)υO(shè)備運(yùn)行的安全帶來其他不利影響，其安全可靠性及最終執(zhí)行完成時(shí)間的長短還需要后續(xù)項(xiàng)目進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證。目前各工程項(xiàng)目在控制中心基本沒有采用程控卡片來一次性實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)的整定值切換。保護(hù)整定值的切換有一個(gè)指令發(fā)出和確認(rèn)的過程，如需在控制中心通過通信指令完成涉及 10 個(gè)變電所多個(gè)環(huán)網(wǎng)開關(guān)的過電流保護(hù)整定值的切換，然后再考慮環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)和 2 個(gè)主變電所與聯(lián)絡(luò)分區(qū)相關(guān)的出線開關(guān)的倒閘操作，其耗時(shí)應(yīng)該也遠(yuǎn)在20 min 以上。

根據(jù)以上分析，無論是在各變電所開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)還是在控制中心執(zhí)行該保護(hù)整定值切換的操作內(nèi)容，其導(dǎo)致運(yùn)營線路停電的范圍太廣，時(shí)間也均較長，應(yīng)該都是實(shí)際城市軌道交通運(yùn)營中不易接受的后果。

3.2 運(yùn)營需求總結(jié)

針對(duì)聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，在過電流保護(hù)參數(shù)的設(shè)置中，在保證運(yùn)行安全的前提下，應(yīng)滿足保護(hù)功能具備的情況下，在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)供電的運(yùn)營需求。即滿足先改變供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，再擇機(jī)進(jìn)行相關(guān)的整定值組切換，其過電流保護(hù)參數(shù)的設(shè)置應(yīng)能適應(yīng)在供電方式的改變過程中、在沒有環(huán)網(wǎng)故障出現(xiàn)的情況下，不能出現(xiàn)過電流保護(hù)誤動(dòng)作；如果在切換過程中環(huán)網(wǎng)又出現(xiàn)故障的情況下，也能及時(shí)地保護(hù)跳閘。因此，需對(duì)目前過電流保護(hù)的整定值進(jìn)行修正，以滿足城市軌道交通實(shí)際運(yùn)營的各種需求。

4 過電流保護(hù)整定值的優(yōu)化

4.1 設(shè)定原則

針對(duì)聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，在原保護(hù)參數(shù)設(shè)定原則的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)修改：

（1）保護(hù)裝置的動(dòng)作電流應(yīng)同時(shí)躲過各種供電運(yùn)行方式下（包括運(yùn)行方式切換過程中）線路的最大過負(fù)荷電流；

（2）保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)≥1.5，按照保護(hù)線路末端最小兩相短路電流校驗(yàn)。

4.2 保護(hù)動(dòng)作電流整定值的設(shè)定

（1）各種供電運(yùn)行方式下動(dòng)作電流值Id的整定：對(duì)應(yīng)方式 A、B、C，動(dòng)作電流值Id的整定值分別為Id（A）、Id（B）、Id（C）。

（2）各種供電運(yùn)行方式下的動(dòng)作靈敏度校驗(yàn)：對(duì)應(yīng)方式 A、B、C，線路末端最小兩相短路電流分別為Id2（A）、Id2（B）、Id2（C）；其動(dòng)作靈敏度系數(shù)分別為K（A）、K（B）、K（C）。通過計(jì)算和校驗(yàn)，需滿足各種供電運(yùn)行方式下的動(dòng)作靈敏度系數(shù)均≥1.5。

（3）保護(hù)定值設(shè)置。由于各種供電運(yùn)行方式下保護(hù)動(dòng)作的靈敏度系數(shù)校驗(yàn)均≥1.5，滿足工程需求，因此，動(dòng)作電流值Id的整定值取值可修訂為：

其動(dòng)作靈敏度系數(shù)實(shí)際為：

以錦江賓館站的 35 kV 進(jìn)線開關(guān)整定值為例：

即：在滿足保護(hù)靈敏度的前提下，對(duì)應(yīng) 3 種供電運(yùn)行方式，其動(dòng)作電流整定值可設(shè)置為一致，取 3 種供電運(yùn)行方式中動(dòng)作電流的最大值，其選擇性由對(duì)應(yīng)不同供電運(yùn)行方式下的不同時(shí)間動(dòng)作延時(shí)參數(shù)Td實(shí)現(xiàn)。

4.3 保護(hù)動(dòng)作延時(shí)整定值的設(shè)定

針對(duì)聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，由于對(duì)應(yīng)不同的供電運(yùn)行方式，為保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性，其動(dòng)作延時(shí)整定值差別較大，應(yīng)根據(jù)各種具體的供電方式分別整定。

以錦江賓館站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)進(jìn)線開關(guān)整定值為例，最終的過電流保護(hù)整定值修改見表 2。

這種整定模式下，在各種故障情況下改變供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷電流正常時(shí)，均不會(huì)出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)過電流保護(hù)的誤動(dòng)作。

表2 進(jìn)線開關(guān)過電流保護(hù)設(shè)置修訂表

但在主變電所故障退出的情況下，如果該聯(lián)絡(luò)分區(qū)的環(huán)網(wǎng)電纜上同時(shí)又出現(xiàn)故障，或者該聯(lián)絡(luò)分區(qū)的35 kV 開關(guān)母線同時(shí)又出現(xiàn)故障的情況下，由于保護(hù)整定值涉及的延時(shí)時(shí)間還沒有及時(shí)進(jìn)行切換，此時(shí)會(huì)犧牲一定的選擇性。但在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中一般不考慮雙重故障的情況，因此，這種極端情況可以不考慮；或者說在盡快恢復(fù)城市軌道交通工程的供電系統(tǒng)供電、保證線路正常運(yùn)營為首要考慮因素的前提下，需接受這種在雙重故障情況下犧牲一定選擇性的條件。

5 結(jié)語

通過以上分析及調(diào)整，針對(duì)聯(lián)絡(luò)供電分區(qū)，該調(diào)整后的過電流保護(hù)整定方式不僅能滿足正常供電運(yùn)行方式下的靈敏性和選擇性需求，也能在主變電所故障退出時(shí)，滿足供電運(yùn)行方式的切換，能直接合閘環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，最大限度地滿足盡快恢復(fù)整個(gè)城市軌道交通工程系統(tǒng)供電的運(yùn)營需求，即先改變供電運(yùn)行方式，后根據(jù)運(yùn)營情況擇機(jī)切換環(huán)網(wǎng)開關(guān)的保護(hù)定值，以滿足城市軌道交通“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。