地铁35kV供电系统保护分析

地铁 35kV供电系统保护分析

唐卫东

深圳地铁运营集团有限公司，广东 深圳 518040

摘 要：当前地铁35kV供电系统采用大分区环网供电方式，在这种模式下，对继电保护的要求更高。继电保护的配置与配合，必须充分保证整个继电保护系统的选择性和速动性。当供电系统故障时，不仅要快速和有选择性地切除故障，还要尽可能降低对运行方式的影响，方便查找故障并快速恢复正常运行。本文对地铁35kV供电系统保护的保护配置及动作原理进行研究，并以深圳地铁9号线35kV开关柜设备为例，介绍了35kV供电系统保护功能配置及动作行为。

关键词：供电系统；大分区环网供电；地铁供电；

0 引言

地铁在城市交通中的应用越来越在更多城市普及，地铁的安全运行，离不开供电系统的稳定运行。而其供电系统继电保护功能的可靠、稳定也逐步成了大家关注的焦点。目前地铁大多数采用的是大分区环网供电模式，影响因素较多，比如站点、负荷、开关柜故障、电缆故障等，都会影响系统供电，进而影响整个地铁运营。地铁供电系统由于本身的特性，致使地铁供电系统继电保护的配置与配合相对复杂。为了提高继电保护装置运行的安全性，地铁供电供电系统保护配置必须逐渐实现优化保护配置，能实现快速、选择、就近的切除故障，不影响供电系统，影响到地铁的安全运营。因而本文针对其具体状况，为地铁供电系统继电保护方案的优化措施进行了详细的分析。

1 供电系统基本前提

针对地铁9 号线大分区供电特点, 必须充分保证整个继电保护系统的选择性和速动性。地铁供电系统运行方式多样的特点, 必须充分保证整个继电保护系统的自适应性。地铁供电系统的高可靠性要求,必须有完善的备用电源自投功能,在系统切除故障元件后自动恢复对非故障元件的供电,以维持供电系统的稳定，提高供电系统的可用性。整个系统应当简单可靠, 尽可能降低现场调试和运行维护的复杂性，降低运维成本。尽量减少保护元件对相邻站信息的依赖，提高保护元件的独立性，以增加整个继电保护系统的可靠性。采取各种有效的手段，当供电系统故障时，不仅要快速和有选择性地切除故障，还要尽可能降低对运行方式的影响，方便查找故障并快速恢复正常运行。

2 功能基本要求

在正常运行方式下（即按设计的供电区间正常供电，且此时光纤差动保护也在正常运行），要求对于整个供电系统内任何一点故障，均具有选择性，并快速切除故障元件；同时快速启动近故障点的母联备自投，恢复对非故障元件的供电。

在非正常运行方式下（即按设计的供电区间正常供电，但由于装置失电、装置故障或光纤通道故障，某一环网线路的光纤差动保护退出运行），要求对于整个供电系统内任何一点故障，均具有选择性，并快速切除故障元件；同时快速启动近故障点母联备自投，恢复对非故障元件的供电。

在极端非正常运行方式下（即某一主所失去全部电源，需要由另一主所串供电源时），此时供电潮流反向，进出线开关性质与正常运行方式时正好相反，整个保护系统应能自适应，对于整个供电系统内任何一点故障，均具有选择性，并快速切除故障元件；同时快速启动近故障点母联备自投，恢复对非故障元件的供电。

3 继电保护配置说明

3.1 继电保护装置配置

变电所35kV 进出线开关柜，配置光纤纵联差动保护装置MiCOM P521 作为线路故障的主保护，配置综合电流保护装置 MiCOM P143 作为后备保护及本站母线故障的主保护，同时实现母线电压的有压和无压鉴定功能，并完成本间隔所有测控功能。

变电所母联开关柜，配置有综合电流保护装置 MiCOM P143 作为母联开关过电流保护或充电保护（母联开关合闸时投入，经短延时后自动退出），同时实现母联开关备自投功能和所有测控功能。

整流变馈线柜和动力变馈线柜，配置有综合电流保护 MiCOM P143 作为整流变和动力变电流速断、过电流和过负荷保护，同时接收非电量保护的信号用于跳闸或报警，并实现本间隔的所有测控功能。

3.2 继电保护装置运行原则

进出线的主保护为光纤差动保护，瞬时跳闸。正常情况下，所有区间电缆故障均由光纤差动保护瞬时切除。 只要光纤差动保护通道以及光纤差动保护装置正常,就必须投入光纤纵差保护。考虑进出线后备保护装置故障，母线电流保护失去的情况，进出线差动保护装置内可以设置一段电流保护，时限同后备过流加速段，作为母线电流保护的后备，以满足保护选择性的要求。 该过流加速段由后备保护装置的看门狗接点自动激活。 另外，该加速段也可以作为光纤差动通道故障后的后备电流保护，由差动保护装置内部的通道故障信号自动激活。

进出线的后备电流保护采用相同时间延时,即各站之间和进出线之间不设置固定的时间级差。同时每个进出线后备保护上还配置有另一段过流加速段保护，也就是说进出线后备保护具有两组不同的过电流保护段用于线路区间故障近后备和其他故障的远后备，一组为正常运行方式下的过流保护（正常段）时限；另一组为区间失去光纤差动保护时，与之对应的过流保护（加速段）时限。过流加速段保护由光纤差动保护退出信号来激活（光纤差动正常投入时，该加速段是退出的），两组时延之间有一个时间级差（0.2～0.25s）。

进出线的后备保护上还设置了第三段过电流保护作为母线故障的主保护, 实现母线故障的快速切除，我们称之为母线电流保护。 延时设定可考虑为：比过流加速段时限小一个时间级差, 比馈线的限时速断的时限大一个时间级差。母线故障的判别方法是通过同一母线段上的进出线保护装置相互传递过流启动信息，并且接受母联过流启动信息，经过进线（实际上的电源进线）母线电流保护的逻辑判别，最终确定是否是本段母线故障，是否动作于跳闸。

变电所馈线保护与进出线后备保护、母线电流保护和母联电流保护之间采用时间级差配合，以满足选择性要求。

母联保护配置了一段过电流保护。母联过电流的时间延时可考虑进出线的母线电流保护有一个时间级差，母联备自投功能由母联上的保护测控装置实现。

4 35kV 供电系统保护动作行为分析

4.1 正常运行方式下馈线故障

C 站馈线发生故障 - C5 馈线保护装置启动，根据不同的馈线故障点，瞬时或经0.3s延时跳开C5 开关。分两种情况讨论：

如果是经0.3s 跳闸，由于上游各站母线保护和母联保护的过流门槛是和馈线保护的电流速断门槛相匹配的，因此上游的母线电流保护和母联电流保护不会启动；上游的后备电流保护（正常段）通常会启动，但和馈线过流段之间有足够的时间级差（它们的时限分别是0.7s 和0.3s），因此不会动作。

如果是馈线电流速断动作，上游的母线电流保护、母联电流保护和正常后备电流保护均会启动，但馈线的电流速断与这些电流保护之间有足够的时间级差（它们的时限分别是0s、0.2s、0.5s 和0.7s），因此除了馈线的电流速断动作外，其他的均不会动作。

4.2 正常运行方式下环网进出线故障

B 站与C 站间环网线路故障 - B4 和C2 光纤纵差保护瞬时跳闸，跳开B4 及C2 开关，同时经2s 启动C 站备自投，合上母联C7。

该点故障时，上游的母线电流保护、母联电流保护和正常后备电流段通常会启动，但是差动保护是瞬动的，而上述其他相关保护均有延时，不会越级动作。

备自投动作行为分析：C 站、D 站（及其他下游变电所）的II 段母线同时失压，C 站备自投启动回路因为满足差动启动备自投条件，快速启动母联备自投，合上C7 开关，恢复对本站II 段母线供电；D 站及下游变电所虽然满足无压启动条件，但没有差动启动条件。根据35kV 供电系统主接线，C 站II 段母线立即恢复供电后，D 站及下游变电所的II 段母线也就恢复了供电，失压条件也就不复存在了。如此，就实现了备自投近故障点优动作先原则。

4.3 正常运行方式下母线故障

D 站II 段母线发生故障 – D2 的母线电流保护经0.2s 跳闸切除故障。

该点故障时，上游环网线路的后备电流保护和母联电流保护均会启动，但时限较长（分别是0.7s 和0.5s），不会马上动作；上游A、B 和C 站的母线电流保护逻辑判定结果：由于进线和出线均有电流，判别为非本母线故障，均不会动作；而D 站D2 的母线电流保护逻辑判定结果：进线有过流且出线和母联没有过流，所以进线经0.2s 延时动作跳开D2 开关（同时联跳D4 开关及C 站的C4开关），切除故障。

备自投动作行为分析：故障切除后，D 站及其他下游站II 母均失压，由于进线母线电流故障闭锁备自投，D 站备自投不会动作；E 站及下游站失压备自投不启动，因为备自投的启动条件为差动跳闸启动备自投，所以E站及下游站失压。

4.4 光纤差动保护装置因故退出运行时环网故障

以B 站与C 站间环网线为例，此时该段线路B3 和C1 的光纤纵差保护因故障退出运行，本段线路的后备过流保护切换至较短时限（加速段），即动作时限为0.5s，各种故障情况下，保护及备自投动作行为分析如下：

B 站和C 站区间故障 – B 站出线B3 的后备电流加速段保护经0.5s 跳闸，切除故障。该点故障时，因本区间光纤纵差保护退出运行，差动保护无法瞬时切除故障，但可以由出线B3 的后备电流加速段保护（差动退出后激活）经0.5s 跳开B3开关，切除故障；上游其他后备电流保护均有0.7s 延时，与B3 的电流加速段保护有一个正的时间级差，不会出口跳闸；本站及上游母线电流保护虽然时延较短（0.2s），但是有进出线的相互闭锁，不会动作。 故障切除后，C 站及下游站I 母失压。

4.5 进出线后备电流保护装置故障退出运行

K 点母线故障 – P521 中的电流加速段（由P143 故障信号激活）将动作于B2 跳闸。

进线B2 后备电流保护装置故障后会自动激活同柜中差动保护装置内的电流加速段，当k 点故障时，虽然母线电流保护失效，但是可以由差动保护装置内电流加速段经0.5s 动作跳开进线B2。上游所进出线的后备电流保护时限均为0.7s，正常情况下不会动作；根据母线电流保护判别逻辑，上游母线电流保护均判断为区外故障，因此也不会动作。故障切除后，B 站及下游站的II 母均失压。

4.6 当反向供电情况时

假设A 站因故失去全部上级电源，形成反向供电方式时，采用上述保护方案及备自投逻辑，无需人为干预就可以对此极端运行方式实现自适应。反向供电时对保护系统和备自投的影响，主要体现在环网进出线开关的性质转换，即进线开关转换为出线开关，出线开关转换为进线开关。

保护及备自投方案的自适应主要表现为：

1）所有的环网线开关均配置过电流母线保护逻辑，该逻辑是通过进出线的相互闭锁并接受母联过电流闭锁信号来实现的，是完全对称的，进出线开关性质的变化不会对母线电流保护有任何影响。

2）所有变电所进出线后备电流保护时延（正常段）都是相同的，加速段时延也是相同的，和供电方向和所处位置都无关，因此供电潮流的改变不会影响后备过流保护的选择性。

3）所有的环网线进线开关均采用（差动启动+失压启动）母联开关备自投逻辑。

在极端非正常运行方式时，所有反向变电所的母联备自投由监控系统发出控制命令统一退出。因此就不存在两组不同定值切换问题。

5 结束语

当前，地铁供电承担着整个地铁的稳定运行，包括对车站的供电、车辆供电，对于供电系统的稳定提出了更高的要求。继电器保护在电力系统中发挥着关键作用，因为它有助于预防电力事故和有效地实现社会经济发展。因此，为了确保地铁供电系统的安全和稳定，有必要进一步思考和探讨继电保护方案，选择最科学、最可行、最优化的保护配置，减少故障的发生，快速处理故障，以及减少供电故障对地铁稳定运行，推动我国电力系统的可持续发展。

参考文献：

1. 智能低压配电系统在地铁中的应用问题分析[J]. 纪强. 科技创新与应用. 2014(12)

2. 地铁35kV环网数字通信电流保护测试方法[J]. 陈继勇,徐文亮,郑杰. 城市轨道交通研究. 2019(06)

3. 电流选跳在轨道交通供电系统中的应用[J]. 王平. 都市快轨交通. 2013(04)

4. 地铁供配电系统中压网络后备保护动作时限的研究[J]. 邱桂华,夏成军,谢奕,代文良. 电气应用. 2010(20)