环网过电流保护整定参数对运营的影响及对策

张开波

（中铁二院工程集团有限责任公司地下铁道设计研究院，四川成都 610031）

0 引言

在国内城市轨道交通工程供电系统的设计中，中压供电网络（10 kV / 20 kV / 33 kV / 35 kV）基本上均采用了分区环网方案，多座变电所组成 1 个供电分区，每个供电分区中的 1 座变电所直接从主变电所（或开闭所）的 2 段母线分别引入 1 回电源，其他变电所采用环接方式接入，开环方式运行，典型的方案如图 1 所示。

由于线路大部分位于市区，站间距较小。分区环网采用的保护配置方案，需满足保护灵敏性、选择性、速动性、可靠性等方面的要求。上海明珠线 10 kV 及目前部分新建城市轨道交通工程的中压环网保护，采用了数字通信方式的电流选跳或其他后加速电流保护方案。但大多数城市轨道交通工程的中压环网保护方案配置中，考虑到技术的成熟性和可靠性，一般仍采用光纤纵联差动保护作为环网电缆的主保护，同时采用常规的过电流保护作为后备保护。

图1 典型城市轨道交通工程供电系统示意图

本文对中压环网保护中的后备过电流保护整定在实际应用中存在的一些问题进行分析，供大家探讨。

1 保护配置与运营需求间的关系

系统设计是以运营需求为导向的，城市轨道交通最基本的运营需求是：安全、快捷、准时地将乘客送至目的地。

供电系统的高可靠性是保证运营需求的最基本条件。在保证安全的前提下，不间断地为城市轨道交通各相关机电系统提供电源；如果供电系统出现故障，应在最短时间内及时恢复系统的供电，尽量减少对线路正常运营的影响。

在之前的工程中，对于供电系统本身的安全性和可靠性考虑较多，而对于系统或整个城市轨道交通工程的可用性指标考虑较少，而现在的设计理念是：真正能为用户带来价值的是系统的可用性。

可用性A（t）定义为：系统在使用过程中，可以正常使用的时间与总时间之比。它包含了系统设备的可靠性、可管理性和可维护性。可用性好意味着给用户带来更多的正常使用时间，把故障后的不可用时间降到最低限度。

式（1）中：MTBF为平均无故障工作时间；MTTR为平均修复时间。

因此，在供电系统的设计中，不仅需设置各种保护装置来保证运行安全，出现故障时能尽快地切除和隔离故障，同时也应考虑故障区隔离后能尽快地恢复非故障区的供电，即保护配置及参数整定应能保障正常供电方式下的运行安全，同时也需适应各种供电方式的切换需求。

2 过电流保护参数设置现状

在工程应用中，较多保护参数的设置仅从各供电方式稳定运行后进行详细的计算和考虑，其参数设置能满足各供电方式稳定运行后的需求，但没有深入考虑各种供电方式在切换过程中，各项参数的设置是否合理的问题，即没有结合整个城市轨道交通工程运营后各种情况下的实际需求进行综合考虑。

以下以某实际工程为例进行分析，从影响过电流保护装置参数设置的方面考虑，供电系统有以下几种运行方式。

2.1 供电系统运行方式

以图 1 为例，供电系统运行分式有以下几种情况。

（1）方式 A：2 座主变电所正常运行，设置于华西坝站的 35 kV 环网联络开关断开。

（2）方式 B：皂角树主变电所故障退出，设置于华西坝站的 35 kV 环网联络开关闭合，由火车南站主变电所向全线 1、2 级负荷供电。

（3）方式 C：火车南站主变电所故障退出，设置于华西坝站的 35 kV 环网联络开关闭合，由皂角树主变电所向全线 1、2 级负荷供电。

2.2 不同运行方式下的过电流保护参数设置

过电流保护参数的设置原则为：

（1）动作电流应躲过线路的最大过负荷电流；

（2）动作灵敏系数≥1.5，按照保护线路末端最小两相短路电流校验。

过电流保护的参数设置主要有 2 个，一个是动作电流值Id，另一个是动作延时参数Td。对应不同的运行方式，为实现保护动作的选择性，一般会对应不同的参数。

因此，图 1 中第 3、第 4 供电分区作为主变电所之间的联络供电分区，对应供电运行方式 A、B、C 分别有3 组保护参数设定值。

以图 1 中锦江宾馆站的 35 kV 进线环网开关常规过电流保护参数设置为例进行说明。表 1 为进线开关过电流保护设置，其中进、出线开关的区别以正常供电方式 A 下的功率潮流方向进行区别，电流互感器变比均为 600/1。

表1 进线开关过电流保护设置

对应方式 A，其保护参数的设定值仅需考虑本站及华西坝站范围内的最大负荷电流；时限配合关系仅需考虑华西坝站到皂角树主变电所。因此，其动作电流整定值较小，为 0.15 A。

对应方式 B，其保护参数的设定值需考虑天府广场站一直到车辆段变电所范围内的最大负荷电流；时限配合关系需考虑从车辆段变电所开始至火车南站主变电所。因此，其保护动作电流整定值较大，为 1.08 A。

虽然我熟悉的几个孩子天性是很疯的，玩疯起来大喊大叫，但这个完全不矛盾。good manner不是天生的，是家长后天严格的家教和努力得来的。

对应方式 C，其保护参数的设定值需考虑本站一直到世纪城站变电所范围内的最大负荷电流；时限配合关系需考虑从世纪城变电所开始至皂角树主变电所。因此，其动作电流整定值最大，为 1.45 A。

2.3 参数设定值存在问题的分析

针对联络供电分区，以上常规的 3 组过电流保护参数设定值就每一种供电方式而言都没有问题，均能很好地满足各种运行方式下的灵敏性和选择性的需求。但其没有深入考虑城市轨道交通运营的实际需求，即将这 3 种供电运行方式割裂开来，没有考虑故障后相互间的切换过程对于实际工程运营的影响程度。

（1）如果先停电，分别切换各环网开关过电流保护装置的整定值后，再改变供电系统的运行方式，以上3 组设定值均没有问题。但存在停电时间太长、对于线路正常运营的影响程度太大的缺点。

（2）如果为实现故障后的快速恢复供电的需求，需先及时改变供电系统的运行方式，后切换环网开关过电流保护装置的整定值，以上常规 3 组保护设定值就会有一定问题。

以表 1 进线开关过电流保护设置为例，对应供电方式 A 的动作电流整定值为 0.15 A；对应供电方式 C 的动作电流整定值为 1.45 A，2 种方式下的电流整定值差别较大。如果供电运行方式从方式 A 改变到 C 时，先改变供电运行方式，即先切换环网开关，后切换对应环网开关过电流保护装置的整定值，供电方式 C 正常情况下的负荷电流就可能会导致该变电所的环网进、出线开关出现保护装置的过电流保护动作，导致环网开关跳闸，从而出现保护整定值不合理而导致供电运行方式切换失败。同样的问题也会出现在从供电运行方式 A 改变到方式 B 时。

3 运营需求分析

在实际运营中，如出现主变电所故障退出运行（不考虑其 35 kV 母线同时故障）的事件，即会出现供电运行方式 B 或 C 的情况，到底是应该先改变供电运行方式，还是先切换保护装置的整定值，以火车南站主变电所故障退出的情况为例进行详细分析，同理也适用于皂角树主变电所故障退出的情况。

3.1 运营需求分析

在火车南站主变电所故障退出的情况下，华西坝站环网联络开关处于断开状态，南段的省体育馆站、倪家桥站、桐梓林站、火车南站、火车南站主变电所、高新站、行政中心站、孵化园站、海洋公园站，还包括控制中心各变电所全部失电。该情况下，相关站点所有的 1、2、3 级负荷电源全部失电。其中部分特别重要的负荷仅能靠配置的蓄电池、不间断电源（UPS）、应急电源（EPS）设施继续供电，根据相关规范，其后备时间分别为 0.5 h、1 h 和 2 h 不等。如果在线路正常载客运营期间出现该故障，则在该区段内运行的所有列车均停在原地，终止运行，有的列车可能在车站，而大部分的列车可能是在区间隧道内。为保证列车上乘客的安全和情绪的稳定，仅能靠列车上的蓄电池组供电保持车辆通风、照明等设施的工作。由于负荷较大及列车上条件的限制，该蓄电池组的后备时间也极为有限，同时大量列车在线路上停运的时间太长，也可能会给列车上的乘客带来恐慌，导致一些不可预知的后果。特别是在早晚运营高峰期，在城市轨道交通线网运营有大量换乘客流的情况下，1 条线路的运营中断故障也会严重影响其他线路的正常运营。

因此，由于 1 个主变电所正常供电的范围较大，一旦出现类似这种近一半运营线路失电停运的情况时，重中之重是通过及时改变供电系统的运行方式，尽快恢复系统供电，保证相关车站设备及运营列车重新获得电源，尽量减少对运营的影响。

如果出现主变电所故障退出，在改变供电运行方式时，为避免出现保护装置误动作，必须先切换保护整定值。对应图 1 的供电系统图，如火车南站主变电所故障退出，必须先切换皂角树主变电所、骡马市站、天府广场站、锦江宾馆站、华西坝站、省体育馆站、倪家桥站、桐梓林站、火车南站、火车南站主变电所的一共涉及 10 个变电所的多个环网进出线开关的保护整定值，然后再对环网联络开关和 2 个主变电所与联络分区相关的几个开关进行操作，这种方法需要的时间太长，在目前没有更好的技术手段支撑的情况下，对运营的影响太大。

其耗时较长的原因分析如下。

（1）如果在各变电所开关柜现场对保护整定值进行切换。在变电所内开关柜现场由专业人员切换保护整定值，时间短且可靠性高。但由于目前城市轨道交通各类变电所均考虑为无人值班模式，在该模式下，如果考虑到市区内经常的堵车现象，专业人员在故障发生后立即赶到每个变电所现场的时间是很不确定的，而且有 10 个变电所的保护整定值需要切换，都需要到现场进行操作。在所有整定值切换完成后，再考虑其对应环网开关的倒闸操作，其时间可能远在 30 min 以上。

（2）如果在控制中心对保护整定值进行切换。由于对保护装置整定值的切换是一个比较慎重的工作，如切换错误，可能出现事故范围扩大或对设备运行的安全带来其他不利影响，其安全可靠性及最终执行完成时间的长短还需要后续项目进行专项试验验证。目前各工程项目在控制中心基本没有采用程控卡片来一次性实现所有开关的整定值切换。保护整定值的切换有一个指令发出和确认的过程，如需在控制中心通过通信指令完成涉及 10 个变电所多个环网开关的过电流保护整定值的切换，然后再考虑环网联络开关和 2 个主变电所与联络分区相关的出线开关的倒闸操作，其耗时应该也远在20 min 以上。

根据以上分析，无论是在各变电所开关柜现场还是在控制中心执行该保护整定值切换的操作内容，其导致运营线路停电的范围太广，时间也均较长，应该都是实际城市轨道交通运营中不易接受的后果。

3.2 运营需求总结

针对联络供电分区，在过电流保护参数的设置中，在保证运行安全的前提下，应满足保护功能具备的情况下，在最短的时间内恢复系统供电的运营需求。即满足先改变供电系统的运行方式，再择机进行相关的整定值组切换，其过电流保护参数的设置应能适应在供电方式的改变过程中、在没有环网故障出现的情况下，不能出现过电流保护误动作；如果在切换过程中环网又出现故障的情况下，也能及时地保护跳闸。因此，需对目前过电流保护的整定值进行修正，以满足城市轨道交通实际运营的各种需求。

4 过电流保护整定值的优化

4.1 设定原则

针对联络供电分区，在原保护参数设定原则的基础上，进行适当修改：

（1）保护装置的动作电流应同时躲过各种供电运行方式下（包括运行方式切换过程中）线路的最大过负荷电流；

（2）保护装置的灵敏系数≥1.5，按照保护线路末端最小两相短路电流校验。

4.2 保护动作电流整定值的设定

（1）各种供电运行方式下动作电流值Id的整定：对应方式 A、B、C，动作电流值Id的整定值分别为Id（A）、Id（B）、Id（C）。

（2）各种供电运行方式下的动作灵敏度校验：对应方式 A、B、C，线路末端最小两相短路电流分别为Id2（A）、Id2（B）、Id2（C）；其动作灵敏度系数分别为K（A）、K（B）、K（C）。通过计算和校验，需满足各种供电运行方式下的动作灵敏度系数均≥1.5。

（3）保护定值设置。由于各种供电运行方式下保护动作的灵敏度系数校验均≥1.5，满足工程需求，因此，动作电流值Id的整定值取值可修订为：

其动作灵敏度系数实际为：

以锦江宾馆站的 35 kV 进线开关整定值为例：

即：在满足保护灵敏度的前提下，对应 3 种供电运行方式，其动作电流整定值可设置为一致，取 3 种供电运行方式中动作电流的最大值，其选择性由对应不同供电运行方式下的不同时间动作延时参数Td实现。

4.3 保护动作延时整定值的设定

针对联络供电分区，由于对应不同的供电运行方式，为保证保护动作的选择性，其动作延时整定值差别较大，应根据各种具体的供电方式分别整定。

以锦江宾馆站的 35 kV 环网进线开关整定值为例，最终的过电流保护整定值修改见表 2。

这种整定模式下，在各种故障情况下改变供电系统的运行方式，当系统负荷电流正常时，均不会出现环网过电流保护的误动作。

表2 进线开关过电流保护设置修订表

但在主变电所故障退出的情况下，如果该联络分区的环网电缆上同时又出现故障，或者该联络分区的35 kV 开关母线同时又出现故障的情况下，由于保护整定值涉及的延时时间还没有及时进行切换，此时会牺牲一定的选择性。但在系统的设计中一般不考虑双重故障的情况，因此，这种极端情况可以不考虑；或者说在尽快恢复城市轨道交通工程的供电系统供电、保证线路正常运营为首要考虑因素的前提下，需接受这种在双重故障情况下牺牲一定选择性的条件。

5 结语

通过以上分析及调整，针对联络供电分区，该调整后的过电流保护整定方式不仅能满足正常供电运行方式下的灵敏性和选择性需求，也能在主变电所故障退出时，满足供电运行方式的切换，能直接合闸环网联络开关，最大限度地满足尽快恢复整个城市轨道交通工程系统供电的运营需求，即先改变供电运行方式，后根据运营情况择机切换环网开关的保护定值，以满足城市轨道交通“以人为本”的设计理念。