城市轨道交通大分区中压供电系统保护方案及应用

张刚

(武汉地铁集团有限公司，武汉430030)

城市轨道交通大分区中压供电系统保护方案及应用

张刚

(武汉地铁集团有限公司，武汉430030)

针对城市轨道交通大分区中压供电系统，提出一种在不同运行状态及各种故障情况下均能满足保护选择性、速动性和可靠性的完整继电保护方案。区间电缆以线路差动保护为主保护，线路电流比较保护为第二套主保护，过流保护为后备保护;母线上以母线差动保护为主保护，母线电流比较保护为后备保护。介绍进出线、母联、馈线保护和断路器失灵保护的应用，以及备自投功能的实现方式。分析大分区中压供电系统保护的配置、原理和逻辑，对区间电缆故障、母线故障、馈线故障情况下的动作行为，论证该方案对于故障点电源切除、非故障点电源恢复的性能。最后，介绍该方案在实际项目武汉地铁6号线上的应用。

城市轨道交通;大分区供电;继电保护;动作分析;可靠性

1 中压供电系统网络结构趋势及保护配置

1.1 中压交流供电系统网络结构趋势

轨道交通供电系统主要包括主变电所、牵引变电所、降压变电所、混合变电所、跟随变电所等。一般情况下，主变电所将110 kV电网电压降为中压35 kV给沿线各变电所供电［1］。国内城市轨道交通的交流中压供电系统主要有以下3种方式。

1.1.1 分散式供电

早期的轨道交通供电系统采用此种供电方式，如图1所示，这种供电系统适用于电力系统发达且中压供电电源可靠的城市［2］;但由于与城市电力系统接口多(电源点多)，独立性差，运营管理相对复杂，目前国内新建轨道交通项目很少采用分散供电方式［3］。

图1 分散供电Fig.1 Decentralized power supply

1.1.2 集中式供电:小分区

与分散式供电系统相比，小分区集中式供电系统允许主变电站的每回出线为下游三四个牵引或降压变电所供电(见图2)。此种配置方式可以大大减少电源变电站的数量，但会极大地增加有色金属铜的消耗量，并占用隧道空间，适用于较短的轨道交通线路。

图2 小分区供电Fig.2 Small- divisions power supply

1.1.3 集中式供电:大分区

大分区集中式供电方式，允许每组主变电所出线同时为超过5个变电所供电(见图3)，极大地减少了有色金属铜的消耗量，并节约隧道有限空间、方便施工和运行维护管理;但同时对供电系统运行的安全可靠性，特别是继电保护系统的选择性和速动性提出了更高的要求。

图3 大分区供电Fig.3 Large divisions power supply

近些年，随着供电一次设备产品性能的提高和城市化进程的加快，建设成本低、方便施工和运行维护管理的大分区轨道交通供电系统逐渐成为一种趋势。

1.2 中压交流供电系统保护配置

对于分散式及小分区中压交流供电系统，保护配置相对简单，与传统的电力系统保护配置没有太大区别;但对于大分区交流供电系统情况则不同，由于受到一次设备故障耐受时间的限制，传统的带时间级差的过流保护方案无法满足各种故障时保护动作选择性的要求，必须采用创新的保护解决方案［4］。

对于35 kV供电系统中的线路和母线，如何配置具有良好选择性、速动性且简单有效的保护方案，对保证供电系统的正常运行、降低供电系统故障造成的影响有极为重要的作用，是轨道交通保护配置的重点和难点，同时也是近年来轨道交通行业专家热议的话题。

2 传统保护配置方案及面临的问题

2.1 主要保护对象

轨道交通35 kV变电所采用手拉手供电方式，因此对于35 kV环网供电系统，有区间电缆和站内母线段两个主要保护对象。

1)区间电缆。采用线路光纤差动保护实现区间电缆故障的主保护，过流保护为后备保护。

2)站内母线段。这里指广义上的母线，不仅包含C- GIS(cubicle type gas insulated switchgear)柜内封闭母线，还包括PT、避雷器、母线与所有进出线柜的连接段，即进线CT与所有出线、母联及馈线CT中间的整个区域。母线保护通常采用进出线的后备电流保护来实现。

2.2 传统级差式后备过流保护的局限性

如果发生区间故障，线路差动保护会快速切除故障。一旦差动保护故障退出，35 kV进出线的过流保护按照预先分配的时间级差实现保护的选择性动作，切除电缆故障。

当母线发生故障时，对于线路差动保护而言属于区外故障，线路差动保护不会动作。进出线过流保护将按照时间级差实现保护的选择性动作，切除母线故障(见图4)。

图4 进出线后备保护动作延时级差Fig.4 Backup protection action delay differential for inlet and outlet breaker

大分区供电系统的每个分区变电所数量都很多，但因配合电网主变电所，给出的出线最大过流保护延时通常在1.2～1.6 s。此时，即使将每个时间级差设置为0.2 s，分区内变电所的过流保护动作时间依然无法配合。而且，在线路差动保护装置故障退出的情况下发生区间故障或母线故障时，如果故障点在近电源点，较长的保护动作延时对一次设备的保护是非常不利的。另外，当一个主变电所故障退出，由另一个主变电所通过联络开关供电时，所有的动作延时定值需要重新配置。这就要求现场手动或通过远方遥控切换保护装置定值，一旦定值未及时切换，在发生故障时便会出现越级跳闸，停电区域扩大，且影响故障点的查找和处理。

3 大分区中压供电系统保护方案

为了克服传统保护方案的局限，本文介绍了一种适合大分区中压供电系统的保护解决方案，具体内容如下。

3.1 继电保护及安全自动装置配置原则

1)区间电缆:配置光纤差动保护作为主保护，线路电流比较保护(自带光纤通道，由进出线综保装置实现)作为第二套主保护，电流保护作为后备保护。当光差保护因装置或光缆故障退出时，该方案仍然具有单元保护，以加强其可靠性。

2)母线:配置母线差动保护装置作为母线故障的主保护，实现母线故障的瞬时跳闸;配置母线电流比较保护(由进出线综保装置实现)作为母线故障的后备保护，以保证其可靠性。

3)馈线柜:配置综合电流保护装置作为整流变和动力变电流保护，同时接收非电量信号用于跳闸或报警。

4)母联柜:配置综合电流保护装置作为母联的过流保护，同时实现母联开关备自投功能。

3.2 继电保护及安全自动装置运行原则及原理

3.2.1 线路主保护

进出线柜上的主保护为光纤差动保护和电流比较保护。在正常情况下，所有区间故障均由光纤差动保护动作瞬时切除或电流比较保护经短延时切除。线路光纤差动保护具有原理简单、动作可靠和调试方便等特点，已在国内地铁项目中广泛使用，成为标准配置。

线路电流比较保护实质就是比较线路两侧的故障电流:一侧有故障电流，另一侧没有故障电流，即判为线路区间内部故障;两侧均有故障电流则判为是外部故障。线路两侧(B站出线和C站进线)的故障电流信息通过独立的光纤通道传递，其跳闸及判别逻辑如图5所示。

3.2.2 线路后备保护

进出线柜上的后备保护采用相同时间延时的过流保护，各站之间和进出线之间不设置固定的时间级差。另外，再配置一段加速过流段保护，当电流比较保护光纤通道故障时，投入该保护，以实现在差动故障退出且电流比较保护光纤中断的情况下线路保护的选择性。跳闸逻辑如图6所示。

3.2.3 母线主保护

每段母线配置一台独立的母差保护装置作为母线故障的主保护，实现母线故障的瞬时切除。母线差动保护是单元保护，具有保护无死区、选择性好、动作快速、整定和调试方便等特点，可以对地铁变电所母线起到高可靠性的保护效果。同时，基于母线差动保护的速动性(动作时间小于一周波)和100%的选择性，无需考虑与馈线电流保护动作时间的协调配合，也不存在来自馈线电流保护启动闭锁的繁复接线问题。

图5 线路电流比较保护动作逻辑Fig.5 Protection action logic for circuit current comparison

图6 后备保护跳闸逻辑Fig.6 Trip logic for backup protection

3.2.4 母线后备保护

利用进线柜中的电流保护装置配置母线电流比较保护功能，作为母线故障的后备保护。通过光隔接入出线和母联的故障电流启动信号，经内部逻辑判定是否为母线故障。母线故障判据为进线、出线和母联中只有一个故障电流且经一定的延时(躲过馈线电流速断保护的跳闸时间)后还存在，即为母线故障。如果判定为母线故障则发出跳闸命令，通过母线跳闸总线跳开进线、出线和母联断路器。母线电流比较保护判别及跳闸逻辑如图7所示。

图7 母线电流比较保护跳闸逻辑Fig.7 Protection trip logic for bus current comparison

3.2.5 馈线保护

馈线保护的电气量保护配置包括相过流、相过流速断、零序过流及过负荷。

馈线的非电量保护主要有变压器超温跳闸和高温报警、变压器或整流器开门跳闸或报警、整流器故障跳闸、框架泄露保护跳闸、直流逆流保护跳闸等。

3.2.6 母联保护

母联设置一段带延时的过流保护，参照线路过流加速段保护延时。

3.2.7 断路器失灵保护

由于本保护方案有别于传统的时间级差保护方案，没有多级远后备，在馈线断路器失灵的情况下会失去保护的选择性，因此有必要配置失灵保护。

1)馈线断路器失灵。在馈线保护中配置失灵保护元件(电流判据)，经200 ms延时启动母线跳闸总线，实现上级断路器(进出线和母联)联跳功能。失灵保护跳闸逻辑如图8所示。

图8 馈线失灵保护跳闸逻辑Fig.8 Protection trip logic for feeder breaker tripping failure

2)进线断路器失灵(反向供电时为出线断路器失灵)。当线路故障时，线路两侧的差动保护或电流比较保护同时动作，跳开进线断路器及上游断路器，此时进线断路器即使失灵也不影响故障的切除。

当母线故障时，母线差动保护动作于进出线和母联跳闸，进线断路器如果失灵，母线故障无法切除，此时母线电流比较保护会随后动作，并通过母线跳闸总线跳开进出线和母联，同时启动进出线失灵及母联失灵保护，经200 ms延时后联跳上游断路器，切除故障。进出线失灵逻辑如图9所示。outlet breaker tripping failure- 1

图9 进出线失灵保护跳闸逻辑1Fig.9 Protection trip logic for inlet and

3)出线断路器失灵(反向供电时为进线断路器失灵)。当线路故障时，线路差动保护会动作，同时跳开出线断路器及下游断路器，如果出线断路器失灵，则故障无法切除，但此时线路电流比较保护会随后动作，重新跳出线断路器及下游断路器，同时启动进出线失灵保护，经200 ms延时后通过母线跳闸总线联跳进出线和母联，切除故障。跳闸逻辑如图10所示。

图10 进出线失灵保护跳闸逻辑2Fig.10 Protection trip logic for inlet and outlet breaker tripping failure 2

当母线故障时，母线差动保护动作于进出线和母联跳闸，出线断路器即使失灵也不会造成影响，因为电源进线已经成功跳开，母线故障也已被切除。

4)母联断路器失灵。母联断路器失灵启动两段母线跳闸总线跳开两段母线上的所有可能的电源间隔，即进线、出线和母联。失灵逻辑如图11所示。

图11 母联失灵保护跳闸逻辑Fig.11 Protection trip logic for bus coupler breaker Failure

3.2.8 母联备自投

针对地铁供电的高可靠性要求，必须有完善的备用电源自投功能，在快速和有选择性地切除故障元件后恢复非故障元件的供电，维持供电系统的稳定性。

本方案除了采用线路差动保护动作启动本所备自投外，也配置了失压启动备自投方案作为后备，同时还叠加了上级所进线手动分闸和母线差动动作启动下级所备自投方案。基本原则为近故障点优先启动备自投，备自投的主要逻辑由母联柜上的综合保护装置实现。

线路差动动作启动备自投显然满足近故障点启动原则，这里不考虑启动延时。当发生线路区间故障时，线路差动保护动作切除区间故障，同时启动线路受电端变电所的备自投，合上母联开关，快速恢复系统供电。

当上级所母线差动动作或人为进线分闸(就地或远方)时，线路差动启动备自投无法工作，如果由失压启动备自投动作恢复供电，则动作时间会很长，特别是靠近分区末端的变电所。本方案考虑了上级所进线人工分闸或母线差动动作启动下级所备自投，较好地解决了这个问题。

失压启动备自投，按电源侧到末端站的顺序及时间级差设置延时，能够满足选择性要求，即近故障点优先启动备自投。除了线路区间故障、上级所母线故障和进线人工分闸外，失压启动备自投可以作为任何其他故障或失电情况下的备自投后备，比如馈线失灵保护动作后的情况，也可以作为线路差动启动备自投或者上级所启动本所备自投的冗余措施。备自投的动作逻辑如图12所示。

图12 备自投的动作逻辑Fig.12 The action logic of BZT

4 不同故障点和运行状态下保护动作实例分析

针对供电系统的3种典型故障(如图13)，结合以上的保护配置方案，得出各种运行状态下故障切除、供电恢复的分析结果，如图13及表1～3所示。

图13 各种故障点示意Fig.13 Schematic diagram of various fault points

表1 35 kV区间电缆故障(K1故障)Tab.1 Cable fault for 35kV power supply Section K1 fault

表2 35 kV母线故障(K2故障)Tab.2 35 kV busbar fault K2 fault

表3 35 kV馈出线故障(K3故障)Tab.3 35 kV feeder fault K3 fault

5 保护方案在武汉地铁6号线的应用

本保护方案已经在武汉地铁6号线成功应用。在实际调试中，分别模拟35 kV线路区间故障、母线故障及馈出线故障，得出保护装置在不同状态下(正常运行、装置异常或各种断路器失灵)，其动作结果与分析结果完全一致。

5.1 保护配置

武汉地铁6号线的保护配置见图14。进出线主保护选用施耐德电气的光纤纵差保护装置MiCOM P521，进出线后备过流保护兼测控装置选用施耐德电气的MiCOM P143(带光纤通道);母联和馈线也选用MiCOM P143，但是不带光纤通道，母差保护装置选用MiCOM P746。

图14 35 kV双环网保护配置Fig.14 Protection configuration for 35 kV Double Looped Network substation

MiCOM P521是快速双端线路差动保护，除具有差动保护功能外，还具有过流、接地保护，负序过流保护，冷负荷启动，涌流闭锁，CT断线，跳闸回路，断路器监视以及逻辑编程等功能，具有完全的选择性和速动性，而且灵敏、可靠。

MiCOM P143作为综合保护装置，提供各种电流、电压、功率等保护功能，同时还具有众多辅助、控制及测量功能。MiCOM P143具有PSL逻辑编程功能，可以根据用户的要求为过流保护段设置启动或闭锁条件，还可以根据用户的需要方便地实现各种自动化功能，比如母联备自投功能。

5.2 各装置保护的设置及其时限配合

线路差动保护和母线差动保护作为主保护均瞬时动作于跳闸，没有时限的配合问题。对于进出线的后备保护、馈线保护和母联保护，为了达到充分的保护选择性，可以按如下考虑设置时限。

1)馈线的限时速断动作时限考虑为0.1 s;过流保护动作时限为0.4 s(由于馈线过流保护的电流门槛非常低，母线电流比较保护只要考虑和馈线的时限速断配合即可)。

2)线路和母线电流比较保护的时限考虑为0.3 s。

3)进出线加速过流保护时限考虑为0.5 s。

4)母联过流保护时限考虑为0.5 s。

5)进出线正常过流保护考虑时限为0.9 s(如果不考虑母联过流保护启动失灵，这个时限可以为0.7 s)。

6 结语

通过对轨道交通沿线变电所配置基于线路光纤差动保护、母线差动保护以及线路和母线电流比较保护的完善保护方案，大大缩短了发生区间故障和母线故障时的保护动作时间。线路电流比较保护是在线路差动保护的基础上叠加了一套强有力的单元保护，同样具有100%的选择性;作为母线差动的后备保护，母线电流比较保护考虑了和馈线电流速断的时间级差，因此只需要考虑出线和母联的故障电流启动信号的闭锁，大大减少了接线，保证了供电的可靠性，同时兼顾了选择性和速动性;完备的失灵方案也保证了供电系统不会因为某个断路器失灵而扩大故障停电的范围。

与目前城市轨道交通中压供电系统保护方案相比较，本保护方案在每座变电所只增加了2台母线差动保护装置，而获得了母线故障保护的速动性(动作时间少于一周波)和完全的选择性，并实现了母线故障的双重保护，保证了供电的可靠性。综上所述，本保护方案及其完善的备自投方案，充分保证了在各种故障情况下保护跳闸的速动性和选择性，并能快速和有选择地启动合适的母联备自投，最大限度地恢复非故障点的正常供电。该保护方案适合所有大小分区的轨道交通线路，保护动作时间不受分区大小的影响，而且该保护方案在一个主变电站故障完全退出的情况下也能自适应，不需要保护定值切换。

考虑简化二次回路接线，方便现场调试和运行维护，本方案的某些方面还有优化的空间，比如采取进出线差动动作即解除母线电流比较保护闭锁，以达到出线失灵跳进线的目的;采取母线电流比较保护跳进线的同时联跳对侧的方法，以解决进线失灵的问题。

随着技术的进步及地铁运行经验的不断积累，在今后的地铁工程中，可以对该方案进行不断的优化，以提高供电系统的可靠性。

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(编辑:王艳菊)

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

张刚，男，教授级高级工程师，主要从事供电系统建设方面的研究，zhangg@whrt.gov.cn