改進(jìn)型光纖縱差保護(hù)裝置在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

（國電南瑞科技股份有限公司,210061,南京∥第一作者,工程師）

改進(jìn)型光纖縱差保護(hù)裝置在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

代瑩程秋秋張慶偉

（國電南瑞科技股份有限公司,210061,南京∥第一作者,工程師）

中低壓地鐵供電系統(tǒng)存在因一次接線方式獨(dú)特而易造成過電流保護(hù)發(fā)生越級(jí)跳閘的問題。對(duì)在電力系統(tǒng)高壓電網(wǎng)中使用成熟的光纖縱差保護(hù)裝置進(jìn)行了改進(jìn),使之更好地適用于該種接線方式。以北京軌道交通為例,詳細(xì)分析了故障點(diǎn)發(fā)生在不同位置時(shí)該保護(hù)裝置的動(dòng)作情況。

地鐵供電;光纖縱差保護(hù)裝置;過電流保護(hù);繼電保護(hù)

First-author’saddress NARI Technology Development Co.,Ltd.,210061,Nanjing,China

目前,國內(nèi)各城市對(duì)地鐵、輕軌等城市軌道交通系統(tǒng)的供電主要有分散供電、集中供電、分散與集中相結(jié)合的混合供電3種方式［1］。其中,分散供電方式由于與城市電網(wǎng)接口多、耦合程度高,因此對(duì)所配備的繼電保護(hù)裝置要求較高,其與城市電網(wǎng)保護(hù)裝置之間的相互配合也最為緊密。其獨(dú)特的短串環(huán)接的接線方式?jīng)Q定了常規(guī)的繼保裝置及相應(yīng)的整定計(jì)算方法用在地鐵供電系統(tǒng)中是不夠完善的。

本文提出了一種改進(jìn)型的光纖縱差保護(hù)裝置。該裝置不僅能適用于分散供電方式,更能很好地適用于其它兩種供電方式。

下面將以采用分散供電方式的北京軌道交通為例,具體闡述改進(jìn)型光纖縱差保護(hù)裝置的保護(hù)原理及該裝置在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 保護(hù)原理分析

如圖1所示,北京軌道交通10 k V系統(tǒng)采用分散式供電,雙環(huán)網(wǎng)接線方式。變電所分為開閉所與非開閉所,開閉所與該車站的牽引降壓混合變電所合建。每座開閉所從城市電網(wǎng)引入兩回電源,變電所10 k V側(cè)采用單母線分段接線,兩段母線間設(shè)置母聯(lián)開關(guān),兩回電源分別接在該變電所的2個(gè)分段母線上,其它非開閉所從相鄰變電所的兩段母線分別引入兩回10 k V電源。

10 k V系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下,每回外電源串帶1～3座變電所負(fù)荷;一座開閉所兩回外電源均退出運(yùn)行,由相鄰開閉所支援供電時(shí),每回外電源串帶1～4座變電所負(fù)荷。

從圖1可以看出,需要配備保護(hù)裝置的單元有：開閉所10 k V外電源進(jìn)線柜、10 k V環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線柜、開閉所10 k V母聯(lián)柜、非開閉所10 k V母聯(lián)柜、動(dòng)力變壓器或牽引變壓器10 k V饋線柜。典型保護(hù)配置如表1所示［2-3］。

從表1中可看出兩點(diǎn)：①采用電流差動(dòng)保護(hù)裝置來保護(hù)相鄰兩個(gè)站點(diǎn)之間的環(huán)網(wǎng)電纜,一般采用光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置;②所有裝置都配有電流速斷和過電流保護(hù)。

當(dāng)外電源串帶1～3座或者1～4座變電所負(fù)荷時(shí),若按常規(guī)的階梯式整定原則對(duì)過電流保護(hù)進(jìn)行整定,最末端負(fù)荷的過電流保護(hù)整定延時(shí)最短,外電源進(jìn)線柜的過電流保護(hù)整定延時(shí)最長。但對(duì)于10 k V 外電源進(jìn)線柜,電流速斷和過電流保護(hù)一起作為進(jìn)線主保護(hù),因此過電流保護(hù)的整定延時(shí)不能太長,一般整定為0.5 s。這就導(dǎo)致串帶的變電所負(fù)荷保護(hù)裝置中所配的過電流保護(hù)無法進(jìn)行相互配 合,無法實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性。

圖1 北京軌道交通一次接線圖

表1 地鐵供電系統(tǒng)典型保護(hù)配置表

鑒于此,可將進(jìn)線保護(hù)裝置中的過流延時(shí)整定為0.5 s,其他裝置中過流延時(shí)均整定為0.2 s。為解決當(dāng)電流差動(dòng)或者電流速斷發(fā)生拒動(dòng)時(shí),過電流保護(hù)之間發(fā)生越級(jí)跳閘的問題,應(yīng)在裝置中加入通訊閉鎖信號(hào)?？蓪?duì)安裝在環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線柜上的光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn),在過電流保護(hù)中加入綜合閉鎖邏輯,即：當(dāng)檢測(cè)到的差動(dòng)電流小于0.2 A并且收到通訊閉鎖信號(hào)時(shí),閉鎖本側(cè)過流350 ms,350 ms后重新開放過流保護(hù)。閉鎖邏輯框圖如圖2所示。

圖2 保護(hù)閉鎖邏輯框圖

對(duì)于安裝在同一站點(diǎn)的保護(hù)裝置之間,通過電纜來傳遞通信閉鎖信號(hào),對(duì)于不同站點(diǎn)之間,則通過光纖來傳遞［4］。當(dāng)故障發(fā)生時(shí),保護(hù)啟動(dòng)最長不超過40 ms;當(dāng)相應(yīng)裝置保護(hù)啟動(dòng)時(shí)即發(fā)出通信閉鎖信號(hào),其他裝置過流保護(hù)則能在歷經(jīng)保護(hù)整定延時(shí)過程中被可靠閉鎖。

下面將具體分析正常運(yùn)行和支援供電兩種運(yùn)行方式下發(fā)生故障時(shí),保護(hù)裝置之間的相互閉鎖情況。

2 具體故障情況分析

2.1 正常運(yùn)行方式

在正常運(yùn)行方式下,每回外電源串帶1～3座變電所負(fù)荷。如圖1中所示,環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開,外電源1、2分別為開閉所 A、B和非開閉所1、2、3供電。變電所均為單母分段的接線方式。正常情況下,母聯(lián)開關(guān)斷開,兩段母線的保護(hù)配置和保護(hù)閉鎖情況相同,即圖1中實(shí)線所示部分和虛線所示部分保護(hù)配置相同。每個(gè)變電所均以實(shí)線所示部分為例來進(jìn)行分析,所配保護(hù)裝置用智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device,簡為IED）來表示。

下面將分別討論10 k V 環(huán)網(wǎng)電纜故障時(shí)、10 k V母線故障時(shí)和10 k V變壓器饋線故障時(shí),保護(hù)裝置之間的相互閉鎖情況。

A點(diǎn)環(huán)網(wǎng)電纜故障時(shí),由于過流保護(hù)具有方向閉鎖,只有標(biāo)號(hào)分別為3、5的IED中過流保護(hù)能夠啟動(dòng)。A點(diǎn)故障屬于3號(hào)區(qū)內(nèi)故障,屬于5號(hào)區(qū)外故障。3號(hào)IED 檢測(cè)到差動(dòng)電流大于0.2 A,5號(hào)IED檢測(cè)到的差動(dòng)電流則小于0.2 A。當(dāng)3號(hào)IED方向過流啟動(dòng)時(shí),開出一副硬接點(diǎn)閉鎖信號(hào)給同站的4號(hào)IED,4號(hào)IED通過光纖將通信閉鎖信號(hào)傳給5號(hào)IED,5號(hào)IED收到通信閉鎖信號(hào),同時(shí)判斷到差流小于0.2 A,滿足前面提到的綜合閉鎖條件,閉鎖本側(cè)5號(hào)IED中過流,完成3號(hào)IED對(duì)5號(hào)IED的閉鎖。整個(gè)過程中,僅3號(hào)IED不滿足綜合閉鎖條件,能順利快速出口跳閘,實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性和速動(dòng)性,其它IED中的過流均被閉鎖350 ms,350 ms后解除閉鎖再次開放。

當(dāng)B點(diǎn)10 k V母線發(fā)生故障時(shí),由于具有方向閉鎖,僅母聯(lián)柜本身IED和標(biāo)號(hào)分別為3、5的IED中的過流能夠啟動(dòng)。母聯(lián)柜IED方向過流啟動(dòng)時(shí),開出硬接點(diǎn)閉鎖信號(hào)給同站的2號(hào)IED,2號(hào)IED通過光纖將通信閉鎖信號(hào)傳遞給3號(hào)IED,閉鎖情況如前所述。整個(gè)過程中,僅母聯(lián)柜IED能順利出口跳閘,實(shí)現(xiàn)保護(hù)選擇性。

當(dāng)C點(diǎn)10k V變壓器饋線發(fā)生故障時(shí),僅變壓器饋線柜中IED和標(biāo)號(hào)分別為3、5的IED中的過流能夠啟動(dòng)。變壓器饋線柜中IED開出硬接點(diǎn)閉鎖信號(hào)給同站的2號(hào)IED,完成對(duì)其他裝置的閉鎖。整個(gè)過程中僅饋線柜中的IED能順利出口跳閘,實(shí)現(xiàn)選擇性。

2.2 支援供電運(yùn)行方式

當(dāng)支援供電時(shí),每回外電源可串帶1～4座變電所負(fù)荷。如圖1中所示,當(dāng)外電源1故障時(shí),外電源1和非開閉所3之間的開關(guān)斷開,環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)合上,外電源2對(duì)開閉所 A 和非開閉所1、2、3供電。

當(dāng)10 k V環(huán)網(wǎng)電纜 A0點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),由于具有方向閉鎖,只有標(biāo)號(hào)分別為1、3、5的IED 中過流保護(hù)能夠啟動(dòng)。A0點(diǎn)故障屬于1號(hào)區(qū)內(nèi)故障,屬于3號(hào)、5號(hào)區(qū)外故障。1號(hào)IED 檢測(cè)到差動(dòng)電流大于0.2 A,3號(hào)、5號(hào)IED 檢測(cè)到的差動(dòng)電流則小于0.2 A。當(dāng)1號(hào)IED方向過流啟動(dòng)時(shí),開出一副硬接點(diǎn)閉鎖信號(hào)給同站的2號(hào)IED,2號(hào)IED通過光纖將通信閉鎖信號(hào)傳給3號(hào)IED,3號(hào)IED收到通信閉鎖信號(hào),同時(shí)判斷到差動(dòng)電流小于0.2 A,滿足前面所提到的綜合閉鎖條件,閉鎖本側(cè)3號(hào)IED中過流,完成1號(hào)IED 對(duì)3號(hào)IED 的閉鎖。同理,3號(hào)IED按照同樣的邏輯完成對(duì)5號(hào)IED的閉鎖。整個(gè)過程中,僅1號(hào)IED能順利快速出口跳閘,其它IED中的過流均被閉鎖350 ms,350 ms后解除閉鎖再次開放。

當(dāng)B點(diǎn)10 k V母線發(fā)生故障和C點(diǎn)10 k V變壓器饋線發(fā)生故障時(shí),裝置之間的閉鎖情況和正常運(yùn)行方式時(shí)閉鎖情況相同,這里不再贅述。

從以上對(duì)兩種不同運(yùn)行方式下故障情況的分析可看出,判斷出屬于區(qū)內(nèi)故障的IED能快速可靠地出來切除故障,防止故障范圍擴(kuò)大;判斷出屬于區(qū)外故障的IED能被可靠閉鎖,防止誤動(dòng),且裝置之間的閉鎖不受所串帶的變電所負(fù)荷個(gè)數(shù)的影響,故不受運(yùn)行方式的影響,也能很好地適用于各種供電接線方式。

3 結(jié)語

本文以北京軌道交通為例,詳細(xì)闡述了如何將在電力系統(tǒng)高壓電網(wǎng)中使用成熟的光纖縱差保護(hù)裝置進(jìn)行改進(jìn),使之更好地服務(wù)于接線方式獨(dú)特的中低壓地鐵供電系統(tǒng)。這對(duì)在地鐵供電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備普遍使用國外產(chǎn)品的現(xiàn)狀下,如何既保障地鐵安全穩(wěn)定運(yùn)營、又進(jìn)一步提高地鐵設(shè)備國產(chǎn)化率作出了有意義的探討。

［1］ 金輝.地鐵主變電站110 k V 側(cè)電氣主接線的選擇［J］.電氣技術(shù),2011（7）：90.

［2］ 何永昌.淺談廣州地鐵供電系統(tǒng)中二次保護(hù)方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.中國科技博覽,2010（10）：283.

［3］ 羅易東.蘇州地鐵采用的35 k VGIS設(shè)備二次保護(hù)方案［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2009（7）：105.

［4］ 宋大治,蔡彬彬.地鐵35 k V 供電網(wǎng)絡(luò)安全連鎖裝置［J］.電氣化鐵道,2009（6）：45.

Application of Improved Fiber Differential Protection in Metro Power Supply System

Dai Ying,Cheng Qiuqiu,Zhang Qingwei

Because the override trip is liable to happen in overcurrent protection,the characteristics of primary connecting mode in metro power supply system are analyzed.An improved fiber differential protection equipment is applied to this connecting mode,aiming to achieve better effects.Then,taking Beijing rail transit as an example,the performance of this equipment in different fault situationsis analyzed in detail.

metro power supply;fiber differential protection;overcurrent protection;relay protection

U 231.8

2012-08-20）