地铁供电系统继电保护方案研究

发布时间：2022-01-10

　　摘要：地铁供电系统对继电保护有特殊的要求。在研究地铁供电系统特点的基础上，对现有地铁供电系统继电保护方案的不足之处进行了修正，对地铁供电系统中的供电线路、变压器等的继电保护进行计算和分析，并研究了地铁供电系统倒送电运行方式下的保护方案，最后提出了地铁供电系统保护配置的优化方案。

　　关键词：地铁供电;继电保护配置;倒送电

　　电气化铁路由于其本身的特殊性，使得牵引供电网的结构比一般配电网馈电线路更为复杂，对继电保护装置动作的可靠性要求也更高。因此，地铁供电系统保护的配置必须合理、规范、准确，应满足保护的速断性、可靠性、选择性、灵敏性的要求‘“。

　　上海地铁已运行多年，在地铁供电系统运行方面积累了很多经验，但现有地铁供电系统继电保护方案也有许多不满足运行要求的地方。本文对上海地铁供电系统线路和变压器的继电保护配置方案进行了研究和分析，对其中不满足运行要求的线路和变压器保护配置进行了改进和优化，提出了适用于地铁供电系统的保护配置优化方案。

　　1地铁供电系统的特点

　　地铁供电系统各配电站之间距离很短，每段供电线路不超过4 km，因此一般其他供电线路的一些继电保护配置方案对地铁供电线路将失去作用。主变压器容量既要满足本变电站所辖区域高峰时的负荷要求，又要满足当一个主变电站发生故障时，另一个主变电站能承担全线牵引负荷及全线动力工、Ⅱ级负荷的供电要求。采用的变压器接法均为星形/三角形接法，一旦地铁供电系统发生两相短路或单相短路接地故障，会引起系统的不平衡而导致供电系统无法正常运行。所以在遇到接地故障时，必须采取合适的继电保护配置方案加以保护。

　　2上海地铁供电系统分析实例

　　上海地铁供电系统采取以纵联差动保护作为主保护、多种保护做后备保护的方案，可及时准确地反映故障，保证供电系统的可靠运行。但还存在不足之处。例如2010年上海地铁某号线倒送电方式运行时，由于过流保护定值不满足要求，而出现保护误动，造成部分负荷失电;同年地铁某号线由于接地变压器的接地电阻阻值过大，造成零序电流保护误动，扩大了停电范围。

　　本文选取上海地铁供电系统中一处110 kV 新村路变电站(以下简称新村路站)所辖的一段供电系统，作为分析实例。新村路站装设一台1lo/ 35 kV变压器，用于对新村路站和沿线的A站、B 站、C站的配电变电站供电，线路及变压器参数如表1和表2所示。

　　新村路主变压器短路容量：最大运行方式下为1 600 MV·A，最小运行方式下为1 524 MV· A。新村路站35 kV出线侧采用一台特殊接线方式的变压器接地，串联电阻值为20 Q。

　　3线路保护配置方案研究

　　3.1相问电流保护的整定及其灵敏度校验

　　3.1.1 电流速断保护和限时电流速断保护

　　电流速断保护是反应于本段短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护，通常称为工段保护。按照躲开下一条线路出口处短路的条件来整定，保护范围小于被保护线路的全长，并且要求最小保护范围大于被保护线路全长的15%～20%。

　　限时电流速断保护是用于切除本段线路上速断保护范围以外的故障，并作为下一段线路速断保护的后备带时限动作的保护，即Ⅱ段保护，按照下一段线路电流速断保护整定值乘以可靠性配合系数来整定。

　　C站出线侧最大短路电流工h。。一3.469 kA，新村路站出线侧电流保护工段整定动作电流 Ih。。一4.51 kA，按照最小运行方式进行校验，计算最小保护范围j。i。%一一15.6%，无保护范围，即电流I段保护不满足要求。按照同样的方式，计算新村路站Ⅱ段保护的整定动作电流I。,set,I一 4.88 kA，灵敏度系数为K。。。.。一0.6<1.3，灵敏度不符合要求。

　　在地铁输电线路保护整定中，由于地铁各配电站之间线路太短(不超过4 kin)，每段保护长度不超过10 km。如果按照传统方式对线路工段保护整定后，进行保护范围的校验时，结果常常为负值，最小保护范围不满足要求。对于限时电流速断保护，按照保护间的配合整定后，同一段线路的 Ⅱ段保护整定值有时候会大于工段保护的整定值，从而保护范围小于I段保护，失去了Ⅱ段保护的作用，也是不符合要求。因此电流工段保护和 Ⅱ段保护都不能用于地铁的供电线路。

　　3.1.2定时限过电流保护

　　定时限过电流保护是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的保护，当电流的幅值超过最大负荷电流值时启动，启动后出口动作时间是固定的整定时间。

　　对于地铁供电线路，由于地铁启动电流较大，保护整定时可靠系数一般取1.5，即可满足要求。系统正常运行方式下，最大负荷电流较为固定，不会出现较大幅度的变化，并且线路段数较少，时限配合也较少，定时限过电流保护的时限配合和灵敏度基本上都可以满足要求，因此可将定时限过电流保护作为相间短路的后备保护。

　　3.1.3倒送电运行方式时的过电流保护

　　当系统某处110 kV变电站出现故障或者检修时，变电站所在区域的负荷要由相邻的变电站供电，这种运行方式称之为倒送电运行方式，如图 1所示。当新村路站110 kV主变压器相邻的耀华路站110 kV主变压器出现故障或者检修停运时，耀华路站主变压器下辖的D站、E站、F站、G 站负荷及耀华路站本身的负荷都要由新村路站 110 kV主变压器供电。此时，D站到耀华路站的潮流流向和正常运行时相反，故称之为倒送电运行方式。

　　在原有继电保护方案中，对采用倒送电运行方式认识不足，过电流保护仍采用和正常运行方式时相同的整定值，当系统采用倒送电运行方式

　　在倒送电运行方式下，沿线负载明显增多，过电流保护的整定值要作相应的调整，重新整定的值会比较大，此时过电流保护的灵敏度不满足要求。同时，由于线路太多，随着线路段数的增多，保护的动作时限会越来越大，不利于保护的正确动作。因此，在倒送电运行方式下，过电流保护不能满足灵敏度的要求，动作时限太长，可以采用两个110 kV变电站并列运行的方式。

　　在图1中，将新村路站和耀华路站35 kV侧用电缆和开关连接起来，正常运行时开关断开不投入运行，当耀华路站(或新村路站)110 kV主变压器故障或检修时，开关闭合投入运行，耀华路站 (或新村路站)下辖所有负荷都由新村路站(或耀华路站)主变压器供电，即为并列运行方式。由前面的分析可知，该方式下，两段负荷均可采用过电流保护作为后备保护，很好地解决了倒送电运行方式下的保护问题。该运行方式唯一的不足就是两台110 kV主变压器问要铺设电缆和开关，增加了投资。

　　3.2零序电流保护

　　零序电流保护是指在中性点接地系统中，利用接地时产生的零序电流使保护动作的装置，其原理与前面所述相问短路电流保护相似。零序过电流保护按照躲开在下级线路出口处相间短路所出现的最大不平衡电流来整定。其作用相当于相间短路的过电流保护，一般作为后备保护使用。

　　由于地铁供电系统采用的变压器接法为星形/三角形接法，可人为将不接地系统制造一个假的中性点，并通过一定的方式接地，达到系统单相或两相短路接地保护的目的。现有继电保护方案即在地铁供电系统110 kV变电站出线侧加装一台变压器，经小电阻接地，构成接地装置。在对输电线路进行保护整定时，零序电流I段保护和零序电流II段保护的整定分析与前面所述的相间短路电流保护遇到的问题相似，由于线路长度较短，保护范围与配合等均不满足要求。

　　3.3纵联差动保护

　　纵联差动保护就是用某种通信通道将输电线路两端的保护装置纵向连接起来，把各端的电气量传送到对端，将两端的电气量进行比较以判断故障是在本线路范围内还是在范围外，从而决定是否动作。纵联差动保护原理上完全不反应外部短路，而且对被保护设备内部故障时具有很好的灵敏性、快速性、选择性，因此被广泛应用于电气主设备和输电线作为主保护。与阶段式保护相比，纵联差动保护有效减少过电流保护因灵敏度低、动作时间较长而产生的巨大损失。动作电流按照躲开外部短路时的最大不平衡电流来整定，以新村路站为例，互感器一次侧整定值I：。。一 0.225 kA，校验灵敏度系数K。。，一13.3>2，满足要求。对其他站点的整定也是如此，灵敏度都满足要求。

　　地铁供电系统中，被保护线路及变压器两端采用同型号的数字互感器，系统发生短路时的最大不平衡电流很小，因此纵联差动保护的选择性很好。纵联差动保护可作为输电线路的主保护，而实际的整定校验和工程运行也验证了这一选择的正确性。

　　4变压器保护

　　地铁供电系统的继电保护包括对电力变压器和直流牵引变压器的保护。

　　4.1 电力变压器保护

　　应用于地铁供电系统变压器保护时，对于新村路站110 kV主变压器，纵联差动保护整定值 Is'o。一0.001 47 kA一1.47 A。校验灵敏度系数 K。，。一11.5>2，灵敏度很高，可以很好地保证可靠性，可作为变压器的主保护;电流速断保护、过电流保护、反时限过电流保护在此时也满足灵敏性、时限性的要求，因此可作为后备保护[2。4]。对于35/10 kV电压等级的电力变压器，由于容量较小，不宜采用纵联差动保护，可采用电流速断保护作为主保护，过电流保护、零序过电流保护、反时限过电流保护作为后备保护。以A站变压器保护为例，上述各种保护的整定值和灵敏度如表 3所示。

　　由表3中可看出，各保护的灵敏度系数均远大于2，满足灵敏度要求。

　　4.2直流牵引变压器保护

　　地铁供电系统中的牵引变压器为直流牵引变压器，功能是把区域电网的高压电加以降压，再通过其他的整流装置转换为直流，使之成为城市轨道交通用的1 500 V电压，再送到接触网，为直流电力机车供电[1]。

　　由于纵联差动保护具有很高的灵敏度，可采用纵联差动保护作为直流牵引变压器保护的主保护，采用过电流保护、零序过电流保护、反时限过电流保护作为后备保护。其保护原则和结果都和电力变压器保护类似，在此不再赘述。

　　5地铁供电系统的保护配置优化方案

　　根据前面的分析，在系统正常运行方式下，对地铁供电系统的保护可采用下列保护配置优化方案。

　　1)由于纵联差动具有很好的灵敏性、快速性、选择性，对于相间短路，可以采用纵联差动保护作为主保护，过电流保护在正常运行方式下的时限配合和灵敏度基本上都可以满足要求，可作为后备保护。

　　2)对于接地保护，可以采用分相电流差动保护作为主保护，以满足速动性，选择性，灵敏性和可靠性的要求，零序过电流保护作为后备保护。其中，如果零序过电流保护的灵敏度不够，可以适当调整中性点的接地电阻值。

　　3)对于系统电力变压器和牵引变压器，可装设纵联差动保护作为主保护，定时限、反时限、零序过电流保护和电流速断保护作为后备保护。

　　在倒送电运行方式下，对地铁供电系统的保护可采用下列保护配置优化方案。

　　1)由于过电流保护延时太长，可以考虑介入区域供电，改变电站的接线方式，使得两侧互为备用。

　　2)由于沿途负载较多，当系统发生故障时，将会造成系统电压降低，因此使用低电压连锁的过电流保护，可以提高保护的选择性。

　　6 结语

　　1)通过对现有地铁供电系统继电保护方案的研究，其相间电流保护、零序电流保护等都有其不符合地铁供电系统的要求而需要改进的地方。——论文作者：杨 炼1，范春菊1，孙陈勇2