城市轨道交通中压环网大分区供电保护方案比选

王 蛟 杨灵芝

（中交机电工程局有限公司技术中心，430063，武汉∥第一作者，高级工程师）

目前，我国城市轨道交通供电系统普遍采用双环网接线的中压网络供电方案。其根据分区内变电所的数量可划分为小分区供电方案和大分区供电方案。通常小分区供电方案的每个分区内设置3～4个变电所，且供电区间敷设的电缆较多，因此现已逐步采用大分区供电方案。大分区供电方案中1个分区通常设置6个及以上变电所［1］。环网供电保护配置方案与供电系统的电压等级、电网结构方式以及供电系统的运行方式等有关，且应满足可靠性、选择性、灵敏性及速动性4项基本要求。

1 大分区供电保护方案对比分析

城市轨道交通中继电保护与自动装置的配置方案与供电系统的电压等级、电网结构方式、供电系统的运行方式、系统接地方式及供电系统故障水平等有关［2］，当供电系统发生故障时，应尽快切除故障、缩减故障范围并快速恢复供电系统。

城市轨道交通中压网络结构备用关系复杂，在实际运行中运行方式多种多样。大分区供电保护在各种运行方式下均应能可靠动作，确保系统安全。

城市轨道交通相邻变电所的间距较短，35 kV环网各点的线路阻抗相差较小，环网上不同地点的短路电流值相差亦很小［3］。因此，如何实现过流保护的选择性显得尤为重要。

目前，城市轨道交通大分区供电保护实际采用的方案有过流时间级差方案、硬线闭锁方案、近区速动方案、动态加速方案、GOOSE（面向通用对象的变电站事件）网络方案、电流选跳方案及线路母线全差动方案等。

1.1 过流时间级差方案

过流时间级差方案为原小分区供电保护方案，其在个别大分区接线工程中亦有应用。大分区下的各种供电保护方案均以此为基础进行改良。

过流时间级差方案的保护装置配置为：设置差动保护装置作为35 kV电缆故障的主保护；设置电流保护装置作为35 kV电缆故障的后备保护，同时将该装置作为35 kV开关柜故障的保护。

线路差动保护动作快速、运行可靠、原理简单准确，且无需与其他保护进行配合，保护的选择性和速动性好。该方案对电缆故障可快速切除。但在大分区接线下对母线故障选择性难以实现，对出现电缆故障且线路光纤差动保护退出的情况下亦无法达到要求的选择性，其近端短路动作时限较长。电力系统一般要求主变电所出口开关过电流保护动作时限不得大于1.5 s。而城市轨道交通上下级变电所间如采用时间进行级差配合，需要设置0.3 s的级差，即最多仅能设置4级级差，但4级级差无法满足大分区供电保护配合要求。此外，该方案对于靠近主变电所端短路电流较大的情况，保护动作时间反而较长，且对设备的影响较大。

1.2 硬线闭锁方案

硬线闭锁方案的保护装置配置与过流时间级差方案相同。该方案通过判断故障两侧开关（包含进线、出线和母联）是否同时流过短路电流来判断出现故障范围并跳开相应开关。由于其采用硬接线在进线、出线与母联开关的保护装置间传递过流启动信号并相互闭锁，故称为硬线闭锁方案。

该方案部分解决了过流时间级差方案的弊端，实现了保护的选择性，解决了近端短路故障动作时限过长的问题。但其逻辑较为复杂，尤其在构建后备保护方案后逻辑更为复杂。当变电所存在多个出线、电流流向存在多种可能时，方案的复杂性将进一步增加。

该方案采用硬接线传递信号，随着信号传递数量的增加，电缆量亦同步递增，某种程度上增加了设备生产以及施工的难度。

1.3 近区速动方案

近区速动方案的保护装置配置与过流时间级差方案相同，其主要是在进出线柜装设差动保护装置和过电流保护装置，且通过硬接线在差动保护装置和过电流保护装置间传递保护动作信号。该方案通过逻辑运算判断是否为本变电所内发生故障，并断开相应的开关切除故障。

近区速动方案和硬线闭锁方案的不同之处在于：近区速动方案引入了差动保护动作信号来参与逻辑判断，但其本质上仍为硬线闭锁方案。因此，该方案与硬线闭锁方案均具备接线多、逻辑复杂以及工程造价低等特点。

1.4 动态加速方案

动态加速方案是对于过流时间级差方案的一种改进方案，其保护装置配置与过流时间级差方案相同，均为在进出线柜上分别设置1套差动保护装置和1套过流保护装置。差动保护装置作为电缆的主保护，在电缆出现故障时可快速动作并切除故障。过流保护装置实现了对母线故障的主保护、后备保护以及电缆故障的后备保护。过流保护装置设置了后备段和加速段两段过流保护。加速段正常运行时为闭锁状态，且其动作时限小于后备段。

在发生电缆故障或母线故障时的保护动作逻辑如下：当电缆出现故障时，在差动保护装置正常的情况下由差动保护动作快速切除故障；当差动装置出现故障（含通信故障）时，激活过流保护装置加速段，由其动作切除故障；当35 kV母线出现故障时，采用35 kV开关内的电弧信号激活本段母线上进出线和母联过流保护装置速断电流段，跳开进出线和母联，实现选择性。

该方案的逻辑及接线较简单，方案中所有保护动作的判据不依赖其他车站的信号，其独立性强、工程造价低、便于调试及维护。

1.5GOOSE网络方案

GOOSE网络方案是过流时间级差方案的一种改良方案，其保护配置和过流时间级差方案相同。该方案在变电所内和变电所间的过流保护装置间设置冗余GOOSE通信网，各过流保护装置以此来实现故障信息的传递，从而更好地判别故障位置。得到故障的位置信息后，各过流保护装置通过设置动态的动作时限（动作时限由故障点至电源方向逐步提高），从而实现过流保护的选择性和多重后备。

该方案很好地解决了过流保护的选择性问题，并实现了多重后备，其在保护装置和通信网络完全正常的前提下，可实现过流保护的选择性。但该方案过流保护的选择性通过通信网络实现，其调试及校验较不方便，且城市轨道交通的电磁环境影响较大。此外，该过流保护方案依赖多个过电流保护装置协同工作，故可靠性较低、逻辑较为复杂。

1.6 电流选跳方案

电流选跳方案同样也是对过流时间级差方案的一种改良，类似于GOOSE网络方案。该方案通过电流保护装置之间的通信判断故障位置，从而实现保护的选择性和后备保护。其与GOOSE网络方案的区别是：该方案通过保护装置直接通信实现过流保护的选择性，而GOOSE网络方案则采用组建通信网络实现。

该方案的特点和GOOSE网络方案基本相同，由于其过流保护装置之间直接通信，减少了网络设备，故工程造价和实施难度相对较低。

1.7 线路母线全差动方案

线路母线全差动方案为在过流时间级差方案的基础上增设了母线差动保护，通过增设的母线差动保护完善母线故障主备保护以及电缆故障的后备保护的选择性问题。

该方案对于线路和母线故障均构建了2套保护，2套保护采用不同原理且相互独立。第一套保护为线路差动保护和母线差动保护，由线路差动保护装置和母线差动保护装置实现；第二套保护为进线柜、出线柜和母联柜上装设的过流保护装置构成的光纤比选过电流保护。2套保护方案原理不同，但形成了良好的冗余关系。

该方案采用了2套不同原理、不同子产品系列的保护，某种程度上增加了保护的独立性和可靠性。在1套保护出现故障的情况下，另外1套保护仍然可快速动作，不需考虑复杂的备用关系和后备逻辑，因此其逻辑较为简单。但由于该方案增设了母线差动保护装置，需增加一定的工程投资，但随着母线差动保护装置在各行业的大量应用，使得目前母线差动保护装置的性价比得以提高。

1.8 方案对比

城市轨道交通大分区供电保护各方案的性能对比如表1所示。

表1 城市轨道交通大分区供电保护各方案的性能特点

2 结语

对城市轨道交通中压环网大分区供电保护的各种方案（包括过流时间级差方案、硬线闭锁方案、近区速动方案、动态加速方案、GOOSE网络方案、电流选跳方案以及线路母线全差动方案）进行了分析，并对各方案的可靠性、选择性、灵敏性和速动性等性能进行了对比。方案各具特点，且在具体项目中亦在不断完善和改进。在实际工程中，应根据各方案的特点，结合工程实际情况，合理采用最适合的方案，以保证城市轨道交通供电系统的正常运行。

［1］ 于松伟，杨兴山.城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］.成都：西南交通大学出版社，2008.

［2］ 鲍鸣.一种35 kV大分区供电保护方案在地铁中的应用分析［J］.现代城市轨道交通，2013（4）：19.

［3］ 王蛟.武汉4号线中压系统保护及运行方式研究［D］.成都：西南交通大学，2015.