戴麗君 楊立新 張喜海 成明華

(1.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電系， 210031， 南京； 2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司， 300251， 天津；3.中國鐵路上海局集團有限公司徐州供電段， 221000， 徐州∥第一作者， 副教授)

中壓網(wǎng)絡(luò)是由兩條以上與軌道交通線路平行敷設(shè)的電纜線路構(gòu)成，其作用縱向把上級的主變電所和下級的牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向把全線的各個牽引變電所和降壓變電所連接起來[1]。環(huán)網(wǎng)投資在供電系統(tǒng)中占比較大，因此有效降低中壓環(huán)網(wǎng)投資成牽引供電系統(tǒng)設(shè)計中亟待解決的問題。中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)劃分與每個分區(qū)所帶變電所數(shù)量及電纜截面積密切相關(guān)。電纜截面積直接影響環(huán)網(wǎng)投資，同時分區(qū)內(nèi)變電所數(shù)量對供電可靠性及中壓網(wǎng)絡(luò)保護的時限配合帶來一些問題。本文將對目前國內(nèi)的中壓網(wǎng)絡(luò)保護方案優(yōu)缺點進行分析，結(jié)合實際工程對比不同分區(qū)方案中的電纜截面積及保護選擇，可供設(shè)計參考。

1 軌道交通供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)保護方案

目前,我國直流牽引供電系統(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)的保護方案主要有兩種：一種是光纖縱差保護+后備過流保護；一種是電流選跳保護+后備過流保護[2]。其各自的基本原理與主要特點如下。

1.1 光纖縱差保護基本原理

縱聯(lián)差動保護是以電流比較為基礎(chǔ)的。在線路的兩端各安裝一臺保護裝置，兩側(cè)的保護裝置分別測量本地的電流，同時通過光纖連接將對側(cè)的電流參數(shù)傳動到本地保護裝置中進行電流大小和相位的比較。當(dāng)比較電流的差值超出設(shè)定的整定值，線路兩端的斷路器就會同時跳閘，如圖1所示。

1.2 電流選跳保護基本原理

電流選跳保護是以過流保護裝置間的直接通信功能為基礎(chǔ)。它通過邏輯編程，對線路兩端過流保護裝置的電流元件動作與否進行比較來判別線路故障區(qū)段，實現(xiàn)選擇性地切除故障線路。

圖1 中壓網(wǎng)絡(luò)保護原理示意圖

1.3 兩種線路保護方案的性能比較

1) 保護性能。若光纖縱差保護與電流選跳保護作為中壓網(wǎng)絡(luò)的主保護，由于保護原理的差別，兩種方案的動作時間差別比較大：光差保護動作時間小于12 ms；而選跳保護受過流保護原理的限制，最快跳閘出口時間為30 ms。光纖縱差保護使用分相差動加零流差動的原理，與負荷電流大小無關(guān)，其靈敏度很高；電流選跳保護必須躲開負荷電流，過流元件的啟動值必須設(shè)得較高，因此對故障靈敏度較低，無法清除高阻故障，且級聯(lián)的區(qū)間越多、離電源端越近，問題就越嚴重，靈敏度就越低。

2) 對故障的選擇性和可靠性。光纖縱差保護是專門針對35 kV及以上電壓等級的輸配電線路設(shè)計，國家對其有嚴格的動?？己酥笜?biāo)，光纖電流縱差保護對區(qū)內(nèi)外單相和多相永久故障、轉(zhuǎn)換性故障均能實現(xiàn)可靠動作。而電流選跳方案只能識別單一故障，對區(qū)內(nèi)外同相多點故障是無法區(qū)分的，可靠性低，電流選跳方案無法通過電力系統(tǒng)的動模試驗，不能提供入網(wǎng)許可報告，這給軌道交通系統(tǒng)的運行帶來風(fēng)險和隱患。

3) 對于供電系統(tǒng)運行方式適應(yīng)性，兩種方案存在很大的差別。光纖縱差保護方案中差動保護的設(shè)置僅與被保護線路有關(guān)，不受系統(tǒng)運行方式的改變和未來擴建的影響，保護裝置內(nèi)部邏輯不用作出相應(yīng)的變動。但電流選跳方案由于受選跳原理的限制，必須根據(jù)前后保護裝置中過流元件動作的信號來判斷故障點位置，從而有選擇性地切除故障線路。因此，對于已經(jīng)使用光纖縱差解決方案的軌道交通前期已投運的項目，在后期建設(shè)中用戶可根據(jù)前期的運行情況自由選擇不同品牌的供貨商；但對于電流選跳方案，用戶則必須接受同一品牌的解決方案。

1.4 后備保護的時限配合分析

當(dāng)主保護(光纖縱差保護或電流選跳保護)退出運行時，主保護被閉鎖，同時投入后備過流保護。這時，兩種保護方案的選擇性都只能依靠過流保護的時限來完成。在這種情況下，由于各供電區(qū)間均采用梯級供電方式(如圖2所示)，因此區(qū)間內(nèi)的線路后備過流保護在時限上的級差配合是需要著重思考的問題。

圖2 中壓網(wǎng)絡(luò)保護原理示意圖

圖2中，若一個環(huán)網(wǎng)分區(qū)有5個變電所，當(dāng)故障發(fā)生在末端變電所時，如發(fā)生在故障點5時需E11開關(guān)跳閘切除故障，但為了保證A、B、C、D變電所不會誤動，根據(jù)過流保護時限配合的原理需將A、B、C、D變電所開關(guān)跳閘時間設(shè)定值大于E變電所開關(guān)跳閘時間。假設(shè)E變電所開關(guān)起跳時間為0.50 s，按照目前過流保護時限上的級差最小為0.25 s計算，D、C、B、A變電所開關(guān)起跳時間分別為0.75 s、1.00 s、1.25 s、1.50 s，此時若要保證主變電所進線開關(guān)不會誤動，P11開關(guān)的起跳時間需大于1.50 s。目前，一般城市為地鐵主變電所設(shè)定的進線開關(guān)起跳時間為1.50 s，個別地區(qū)為1.20 s。

通過上述分析可知，后備過流保護由于受時限上的級差限制，決定了中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)內(nèi)變電所不能過多，一般情況下不應(yīng)超過4個變電所。

2 工程應(yīng)用分析

本文以天津軌道交通10號線為例，通過計算對環(huán)網(wǎng)分區(qū)的分區(qū)方案進行分析。天津地鐵10號線一期工程正線全長21.382 km，共設(shè)車站21座，均為地下站，平均站間距1.03 km。全線設(shè)梨園頭車輛段1座，設(shè)主變所2座、牽引降壓混合所8座、獨立降壓所13座。其方案一全線劃分為3個供電分區(qū)，方案二全線劃分為6個供電分區(qū)，其具體接線方案如圖3和圖4所示。

圖3 方案一：“長分區(qū)”供電方案

圖4 方案二：“短分區(qū)”供電方案

2.1 計算負荷選取

1) 牽引負荷。牽引供電負荷有動態(tài)性和瞬時性，各節(jié)點電流、電壓、功率等電氣參數(shù)隨在線列車數(shù)量、位置、旅行速度而變化[3]。本工程運用“運行圖”進行仿真計算，結(jié)果如圖5所示。

圖5 牽引負荷選取情況

2) 動力照明負荷。本工程車站均為地下車站，降壓變?nèi)萘窟x擇為1 250 kVA，跟隨變?nèi)萘窟x擇為630 kVA。動力負荷功率因數(shù)按0.9考慮，動力負荷代入計算時按40%負荷率考慮，三級負荷按總負荷的30%考慮[4]。

2.2 最大負荷電流計算結(jié)果

最大負荷電流計算考慮發(fā)生在一座主變電所解列時或一路環(huán)網(wǎng)故障時，選取最大負荷電流作為電纜選型依據(jù)。按照以上思路，本次環(huán)網(wǎng)電纜計算結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 長分區(qū)方案最大計算負荷電流

圖7 短分區(qū)方案最大計算負荷電流

2.3 電纜截面選擇

由以上不同運行工況下的負荷電流可以看出：方案一由于分區(qū)車站數(shù)量較多，最大的負荷電流明顯大于方案二，其電纜截面選擇要大于方案二電纜截面，其中，方案一主變電所A外側(cè)采用150 mm2電纜，兩座主變電所環(huán)網(wǎng)通道采用300 mm2電纜；方案二主變電所通道采用240 mm2電纜，其余均采用150 mm2電纜。分區(qū)接線方案圖如圖3和圖4所示。

2.4 方案的比較分析

1) 可靠性。兩個方案均滿足：當(dāng)主變電所的一臺主變壓器解列時，由另一臺主變壓器承擔(dān)該所正常供電范圍內(nèi)的牽引負荷和動力照明一、二級負荷；每座牽引變電所、降壓變電所均有兩回獨立可靠的進線電源。當(dāng)一回進線電源解列時，由另一回進線電源承擔(dān)該兩回進線電源正常供電范圍內(nèi)的牽引負荷和動力照明一、二級負荷。相對于方案一，方案二的供電分區(qū)中的變電所數(shù)目較多，故障影響范圍相對較大，可靠性相對較低。

2) 電纜通道。目前，國內(nèi)城市軌道交通工程中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜大多采用沿線路區(qū)間敷設(shè)至沿線變電所。由于區(qū)間內(nèi)設(shè)置有疏散平臺，中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜敷設(shè)在疏散平臺下方，敷設(shè)空間相對緊張。方案一中，單線區(qū)間內(nèi)敷設(shè)的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜數(shù)量均只有一回;方案二中，單線區(qū)間內(nèi)敷設(shè)的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜數(shù)量最多為三回。從電纜通道暢通、便于施工以及運營管理與維護的角度出發(fā)，方案一較優(yōu)。

3) 工程投資。兩個方案的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜數(shù)量和工程投資對比表如表1所示。

表1 中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜工程投資對比表

由表1可知，方案一的電纜投資略低于方案二，因此方案一有利于節(jié)約中壓供電環(huán)網(wǎng)的電纜工程投資。

4) 運營電能損耗。供電系統(tǒng)電能損耗主要由牽引網(wǎng)電能損耗、動力照明電能損耗、中壓供電網(wǎng)絡(luò)電能損耗和變壓器電能損耗等組成。兩個方案的牽引網(wǎng)電能損耗、動力照明電能損耗和變壓器電能損耗基本相當(dāng)。相對于“長分區(qū)”而言，“短分區(qū)”的中壓供電網(wǎng)絡(luò)分區(qū)多，分區(qū)內(nèi)變電所數(shù)目較少、電流較小，中壓供電網(wǎng)絡(luò)電能損耗稍低。

5) 環(huán)網(wǎng)保護配置。方案一的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜采用光纖縱差保護作為主保護，數(shù)字電流通信保護和零序電流保護作為后備保護。方案二的中壓供電環(huán)網(wǎng)電纜采用光纖縱差保護作為主保護，過電流保護和零序電流保護作為后備保護。

6) 綜合比較。中壓供電網(wǎng)絡(luò)接線方案綜合比較如表2所示。

3 結(jié)論

1) 分區(qū)劃分應(yīng)結(jié)合運營需求。在設(shè)計中采用“長分區(qū)”方案主要原因是為了節(jié)省電纜投資，但實際情況并不一定能節(jié)省投資。以本工程為例，長分區(qū)方案節(jié)省電纜投資并不明顯。分區(qū)方案應(yīng)結(jié)合線路長度、主變電所設(shè)置、運營習(xí)慣等因素統(tǒng)籌考慮。由于大分區(qū)內(nèi)車站較多，故障及檢修影響范圍較大，考慮運營檢修方便，目前深圳、南京等城市已建議采用小分區(qū)方案。

表2 中壓供電網(wǎng)絡(luò)接線方案綜合比較表

2) 分區(qū)劃分宜結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化供電。在工程實踐中，分區(qū)劃分中應(yīng)考慮城市軌道交通全線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化供電，廣州、重慶、武漢等城市在建線路有條件的換乘站預(yù)留兩面35 kV開關(guān)柜安裝位置，以便在外電源條件困難情況下利用換乘站進行在軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營后的應(yīng)急支援供電。

3) 中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)中的電纜選型應(yīng)考慮留有合理的余量?？紤]到地下工程的電纜更換且對運營的影響較大，因此通過適當(dāng)增加前期投資，適當(dāng)放大電纜截面以應(yīng)對不可預(yù)見的需求。例如,應(yīng)考慮線路可能延伸、客流預(yù)測的不確定帶來運營組織方案的新需求等。

4) 保護的配置應(yīng)結(jié)合分區(qū)方案的劃分，同時應(yīng)提前考慮線路延伸等條件。對于“長分區(qū)”方案，分區(qū)內(nèi)變電所數(shù)量多，電流選跳保護是目前最適合的方案，但應(yīng)考慮延伸線路的保護選擇必須采用同一品牌。