基于母线差动保护的城市轨道交通中压环网保护方案研究

王 蛟

(中交机电工程局有限公司技术中心,430063,武汉∥高级工程师)



基于母线差动保护的城市轨道交通中压环网保护方案研究

王 蛟

(中交机电工程局有限公司技术中心,430063,武汉∥高级工程师)

阐述了目前城市轨道交通供电系统中压环网大分区保护方案技术现状,对目前大分区保护方案的技术难点进行了分析,在此基础上提出基于母线差动保护的中压环网保护方案。该方案以设置近后备保护为出发点,实现了各种运行方式下的保护完全选择性，具有很高的独立性和可靠性,很好地解决了目前供电系统设计中的技术难题。

城市轨道交通; 供电系统; 中压环网; 保护方案; 母线差动保护

Author′s address CCCC Mechanical & Electrical Engineering Co.,Ltd.430063,Wuhan,China

目前,我国城市轨道交通供电系统主要有集中供电和分散供电两种方式。由于集中供电方式供电可靠性高,且与地区电网接口少便于运营管理,越来越多的城市采用这种供电方式。当采用集中供电时,根据线路的长度设置一定数量的主变电所,各车站变电所串接后接入到主变电所。轨道交通负荷沿线路分布,如采用发散性供电方式,则工程投资较大;故轨道交通供电系统采用环式供电,而其中压环网不可避免地超过了2级。这导致城市轨道交通中压环网保护和电力系统存在很大的不同[1-3]。

一般而言,当串接的车站变电所数目小于5个时，为小分区供电方案；串接的车站变电所达到5个及以上时，为大分区供电方案。大分区供电方案相对小分区供电方案具有投资少、工程实施难度小等特点,逐渐成为目前的技术发展方向。

采用大分区供电的技术难点是解决保护的选择性。对于小分区供电,上下级变电所之间可通过时间级差实现过流保护的选择性,上级变电所进出线过电流保护装置可作为下级变电所远后备。而采用大分区供电时,由于一个分区内变电所较多,如果采用时间级差进行配合采用将突破地方电力系统要求的过流保护动作时间限值。

近年来,各设计单位和电流保护装置厂商进行了很多研究,提出了多种技术方案,实施了较多工程实例,主要技术方案有近区速动保护方案、所内硬线闭锁方案、加速方案、基于GOOSE通信的网络的保护方案、电流选跳保护方案等。工程实例证明,上述方案各有优点,但也存在一定的缺陷。

1 大分区保护方案技术难点

基于目前的技术发展现状,大分区下的中压环网保护方案需实现后备保护和逻辑简化。

1.1 后备保护的实现

为了保障设备和线路的安全,必须配备相应的保护装置以迅速切除故障。当保护装置发生故障或断路器拒动时，应有相应的后备保护。后备保护分为近后备保护和远后备保护两种。

1.1.1 不同后备保护的特点

近后备保护装置与主保护装置安装在同一断路器处,当主保护装置拒动时，近后备保护装置动作。其优点是:近后备保护装置动作时只切除主保护要跳开的断路器,不造成事故的扩大;在高压电网中能满足灵敏度的要求。缺点是:变电所直流操作电源发生故障时可能与主保护同时失去作用,无法起到后备保护的作用;断路器失灵时无法切除故障,也不能起到保护作用[4]。

远后备保护装置安装于主保护装置的上级断路器处,在主保护装置拒动时远后备保护装置动作。其优点是:保护范围覆盖所有下级电力元件的主保护范围,能解决远后备保护范围内所有故障元件由任何原因造成的不能切除问题。缺点是:当多个电源向该电力元件供电时,需在所有电源侧的上级元件处配置远后备保护装置;一旦远后备装置动作，将切除所有上级电源测的断路器,从而造成事故扩大;在高压电网中难以满足灵敏度的要求。

1.1.2 中压环网后备保护的方案现状

目前常采用的远后备方式可归结为以下几种。

(1) 时间级差方案。即在上下级变电所之间设置不同的过电流保护动作时限,并从主变电所出口依次递减。当发生故障时,首先由靠近故障点的断路器动作,如未切除故障,则上一级断路器跳闸,各级开关依次动作直至切除故障。该方案在小分区供电方案下是可行的,由于其实现了多级远后备,可靠性非常高。但在大分区供电方案下，由于受地方变电所过流保护动作时间限值控制,不可能设置太多的级差数量,所以在大分区供电方案下时间级差方案不可行。

(2) 信号激活方案。故障发生后,保护装置之间互相传递信号,进而判断出故障点位置,选出跳闸断路器，并缩短其动作时限使其动作,同时通过信号激活跳闸断路器的上一级开关作为后备保护。但信号激活方案的后备保护选择依赖于数据通道的稳定性,一旦受电磁干扰或者通信线故障等因素影响,则保护方案将不成立。

(3) 加速方案。所有变电所过电流保护均采用相同时限,当发生故障时，通过某个信号判断出故障点,并用这个信号加速故障点断路器保护动作时限,保护动作切除故障。此时上级变电所过电流保护采用相同时限作为后备保护。该方案的弊端在于,难以找到可作为故障判别充分必要条件的信号,且如果用于故障判据的信号失效或断路器拒动,将引起故障点的所有上级开关同时跳闸,扩大故障范围。因此该方案同样存在较大的缺陷。

综上所述,目前保护方案众多,广泛采用的远后备保护存在各种缺陷和隐患。

1.2 保护方案的逻辑简化

大分区保护必须解决后备保护的实现和逻辑的简化,这两个问题是相互关联的。目前普遍采用的各种方案的复杂化,其原因在于采用远后备保护。因此，研究近后备保护方案非常必要。

轨道交通供电系统网络结构复杂且运行方式多样,从而导致保护方案复杂。存在可能的运行方式有[5-6]:

(1) 变电所的母联开关闭合,由一路进线给两段母线供电,此时母线电流方向发生改变。

(2) 1座主变电所退出运行,由另1座主变电所支援供电。此时部分变电所的进出线电流方向将改变方向,短路电流大小也将发生改变。

(3) 设备检修时,部分开关和相应的保护装置退出运行。

对于保护而言,在各种运行方式下发生故障均应可靠动作且具有一定的选择性,如果是在正常运行方式下则应具有完全选择性。目前国内建设中大分区供电方案后备保护有信号激活方案和加速方案2个。其中，加速方案存在一定的缺陷,实际工程实例较少。当采用加速方案时,首先必须保证在正常运行方式下的完全选择性,同时激活上级开关启动后备保护。个别方案激活多个上级开关构建了多级后备保护。当系统运行方式发生改变时,短路电流方向和大小都有可能发生改变,因此需要启动后备保护的开关也能相应变化。要实现该功能不论是通过硬接线还是通信线来实现,逻辑上均较为复杂,容易出现逻辑漏洞。

2 基于母线差动保护的中压环网保护方案

2.1 基本方案构成

2.1.1 规范依据

GB/T 50062—2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》第5.0.3条规定,对双侧电源线路,可装设带方向或不带方向的电流速断和过电流保护。当采用带方向或不带方向的电流速断和过电流保护不能满足选择性、灵敏性或速动性的要求时,应采用光纤纵联差动保护作主保护,并应装设带方向或不带方向的过电流保护作后备保护。GB/T 50062—2008《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》第7.0.2条规定，发电厂和变电所的35～110 kV母线,当采用110 kV 双母线时,或采用110 kV单母线、重要的发电厂和变电所35～66 kV 母线,且根据系统稳定或为保证重要用户最低允许电压要求需快速切除母线上的故障时,应装置专用母线保护。故对中压环网线路和母线可装设差动保护装置。

2.1.2 方案构成

选用差动保护作为主保护,带通信功能的过电流保护作为后备保护,构建两套完全相互独立的保护方案。两套方案均实现完全选择性。方案基本构成如表1所示。

表1 两套保护方案

第一套保护(差动保护)方案和第二套保护(逻辑差动保护)方案在区间均建立光纤通道,分别是差动保护光纤通道和逻辑差动光纤通道。2个通道利用1根光缆的不同芯线。为避免因光缆的中断同时影响2套方案,两个通道采用交叉敷设方式。左线光缆内包含左线差动保护光纤和右线逻辑差动保护光纤,右线光缆反之。

为简化主变电所的逻辑,主变电所出线的后备保护为过流保护,不构成逻辑差动保护。主变电所的出线过流保护和线路变电所的逻辑差动保护中的过电流保护采用时间级差进行配合。

2.1.3 主保护实现

将中压环网的每一段线路和母线作为独立单元来设置线路差动保护和母线差动保护。当某个区段内发生故障,对应的差动保护可迅速动作切除故障。

为了保证可靠性,线路差动保护和母线差动保护采用硬接线至各断路器机构跳闸。

2.1.4 后备保护实现

后备保护由带通信功能的过电流保护构成,通过信号逻辑搭建组成逻辑差动保护。逻辑差动保护的故障判据和传统差动保护不同。传统差动保护判据为对保护范围各端口电流计算得到的起动电流和制动电流大小;逻辑差动保护判据为保护范围各端口过电流保护动作的数量(等于1则判断为区域内故障)。

(1) 电缆后备保护。在电缆两端分别装设1套过电流保护装置。2套保护装置之间通过光纤互相传递过电流保护启动信号。当故障发生在2个保护装置之间的电缆上时,电源侧保护装置过电流保护启动,负载侧保护装置过电流保护不启动。两套保护装置均可判断出“过电流保护启动数量=1”,从而判断为区域内故障,电缆两侧开关跳闸切除故障。

(2) 母线后备保护。在每个中压母线上的进线、出线和母联各配备1套过电流保护装置。当该段母线发生故障时,电源侧(进线或出线)保护装置过电流保护启动,其余保护装置不启动。出线和母联保护装置通过硬接线将过电流保护启动信号发送至进线保护装置中,由其判断是否“过电流保护启动数量=1”,如是，则进线、出线和母联开关跳闸切除故障。

为了简化接线,第二套保护(逻辑差动保护)采用跳闸总线方式。在两端段母线分别搭建1个跳闸总线来跳各自母线上的进线、出线和母联。当第二套保护(逻辑差动保护)动作时通过总线跳开上述开关。此外,当进出线和馈线开关失灵时,也可通过总线跳闸，以跳开这些开关。

2.2 保护装置配备

依据上文所述的保护构成方案,保护装置配备如表2所示。

表2 保护装置配置

由表2可见,对中压环网的电缆和母线均设置了2套保护。第一套保护(差动保护)由线路差动保护装置和母线差动保护装置构成主保护,实现故障下的快速跳闸;第二套保护(逻辑差动保护)由过电流保护装置实现后备保护、测控、失灵保护和备自投。

第二套保护(逻辑差动保护)已经实现了中压环网保护和测控所需的所有功能,但无法通过较为简单并可靠的方式实现后备保护。因此设置第一套保护(差动保护)作为主保护,由第二套保护(逻辑差动保护)作为后备保护。这是该方案的核心思想。

2.3 保护方案

2.3.1 中压环网保护

保护方案对于中压环网中线路和母线所构建的两套保护采用不同原理。差动保护作为主保护,作用于快速动作;逻辑差动保护作为后备保护,当主保护失效时动作。2套保护方案均实现了完全选择性和完全的独立性。因此,对于因保护装置原因引起的失效可不再考虑。

当中压环网的电缆或开关柜发生故障时，先由第一套保护(差动保护)在毫秒级内动作,如第一套保护(差动保护)故障,则由第二套保护(逻辑差动保护)动作在600 ms内动作,从而切除故障。

在极端情况下,可能发生某个变电所的2套保护同时退出而又发生短路故障。例如，当变电所直流所用电失压时，该变电所对侧开关的过电流保护装置激活二段过电流保护(整定为800 ms),由其动作切除故障。

所有的进出线过电流保护装置设置三段过电流保护(时限为1 000 ms),作为无选择后备。

2.3.2 馈线保护

在馈线柜上设置过电流保护装置实现保护功能,当馈线发生短路故障时,由其动作切除故障。其动作时限为400 ms,小于进出线过电流保护动作时限(600 ms)一个级差(200 ms),以避免母线第二套保护(逻辑差动保护)误动。

2.4 备自投方案

采用两个条件启动备自投。第一个条件为第一套保护(差动保护)动作,即上级变电所母线差动动作或本所进线线路差动动作。其目的为速度优先,在发生故障后尽可能快地恢复供电。一般在短路故障发生后200 ms内即可恢复供电。

第二个条件为母线失压判据。当本变电所仅1段母线失压,且母线无故障时,满足时间延时后启动,以尽可能缩小停电范围为目的。该条件下恢复供电时间较长,具体根据电力系统情况和分区大小决定。第二个条件作为第一条件的后备,当第一套保护(差动保护)失效时作用。

2.5 断路器失灵保护方案

2.5.1 进出线和母联断路器失灵

在近后备方案下断路器拒动时保护将失效,因此必须考虑进出线和母联断路器失灵。考虑到断路器失灵非常罕见,为了简化逻辑仅在第二套保护(逻辑差动保护)中设置断路器失灵逻辑。

(1) 进出线失灵。第二套保护(逻辑差动保护)动作200 ms后,如进出线仍存在故障电流,则判断为断路器失灵。此时发信号跳开该开关两侧所有进出线和母联开关。其中，本所开关通过跳闸总线跳闸，对侧开关通过第二套保护(逻辑差动保护)光纤发信跳闸。

(2) 母联开关失灵。和进出线失灵一样,当第二套保护(逻辑差动保护)动作200 ms后,如母联开关仍存在故障电流,则判断为断路器失灵。此时通过一段母线和二段母线的跳闸母线跳开2段母线所有进出线开关。

2.5.2 馈线断路器失灵

由于馈线开关过流保护整定值往往较低,无法通过进出线开关实现后备保护;所以,必须考虑馈线开关失灵。当馈线开关过电流保护动作200 ms后,如馈线开关仍然存在故障电流,则判断为断路器失灵,发信号至本段母线跳闸母线,跳开所有进出线和母联开关。

3 结语

相对于小分区下的过电流级差配合方案,基于母线差保护的中环压网保护方案仅在每个变电所增加了2套母线差动保护装置,其增加的投资远远小于采用大分区接线方案后所节约的电缆造价。与其他的大分区保护方案相比,该方案在经济性上也基本相当,但独立性和可靠性更优。

基于母线差动保护的城市轨道交通中压环网保护方案具有非常高的独立性和可靠性,可以很好的适应城市轨道交通供电系统的各种运行方式。在各种运行方式下均可以实现保护的完全选择性,具有较高的工程价值。其最大的创新在于将采用近后备作为后备保护,大大简化了逻辑关系。在今后的工程中,可以寻求更好的方法进一步简化,实现简单可靠的中压环网保护,以提高供电系统的可靠性。

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Medium-voltage Ring Network Protection Based on Bus Differential Protection in Urban Rail Transit

WANG Jiao

In this paper, the current technologies of the medium-voltage ring network in large area power supply protection for urban mass transit are illustrated. By analyzing the technical difficulties of large area power supply protection technologies, a medium-voltage ring network scheme is proposed based on the bus differential protection, which sets up the near backup protection, aiming to achieve full selections from all kinds of operating modes. The proposed scheme proves to have higher independence and reliability, and can solve the technical problems in current designs of power system.

urban rail transit; power supply system; medium-voltage ring network; protection scheme; bus differential protection

U 223.8+2; U 231.8

10.16037/j.1007-869x.2016.09.010

2016-3-15)