深圳地铁某工程供电系统保护配置设计实例研究

深圳地铁某工程供电系统保护配置设计实例研究

杨锐

（北京城建设计发展集团股份有限公司）

摘要：本文对集中式供电系统保护配置情况进行简要介绍，对深圳地铁某工程供电系统设计方案进行了简要论述，对交流35kV系统、牵引直流系统的保护配置进行了重点分析；并结合该工程试运营阶段供电系统实际运行情况，对城市轨道交通保护设置，定值设计等进行了总结，提出了一些个人认为有价值的观点，希望能够对后续工程起到一定的参考作用。

关键词：集中式供电；保护配置；选择性

1概述

目前国内采用集中式供电的城市轨道交通供电系统中压网络多采用AC35kV电压制式，直流牵引系统多采用DC1500V供电制式；对于城市轨道交通中压网络，利用地铁专用主变电所给轨道交通线路各供电分区提供电源，一般多为双环网接线形式；直流牵引供电系统的电源则由牵引变电所的整流机组提供，正常运行方式下，直流系统为双边供电，即同一供电臂同时由两座相邻的牵引变电所整流机组供电。

城市轨道交通AC35kV系统进线/出线开关柜保护配置一般有：线路光纤纵差保护、失压保护、电流速断保护、过流保护、零序过流保护等，馈线开关柜一般设置电流速断、过流保护、零序过流保护等；

采用集中式供电，其主变电所数量一般较少，地铁供电分区数量也较少，对于较长的线路如30公里以上，则存在一个主变电所馈线开关下级有4座甚至5座地铁车站变电所（一个供电分区）的情况，考虑到主所保护的时间定值一般都有限，大约在1S左右（各地情况不完全相似），而保护装置一般能够区分的时间级差大约在0.25S左右，因此在地铁供电分区内变电所数量较多的情况下，电流型保护的时间定值实现选择性比较困难，需要主变电所的时间定值比较富余。地铁线路变电所间距一般都在1公里左右，两座变电所出线、进线开关之间的网络阻抗差别很小，电流型保护的电流定值同样很难实现选择性。

国内目前集中供电的地铁线路，中压网络一般是以线路光纤纵差保护作为主保护、过电流保护作为后备保护。线路纵差保护保护范围为两台纵差保护装置之间的线路，当线路出现不平衡电流时（即理想情况下，CT无故障时出现差流）保护动作；该种保护不同于电流电压保护，该保护目前多采用比率制动原理，有效减少区外故障引起的纵差误动作，并具有很高的选择性。

牵引直流系统的保护配置一般以本体大电流脱扣、电流上升率保护、电流增量保护、过电流、热过负荷等保护为主。下面以深圳地铁某工程供电系统保护配置、定值设计等为实例，进行重点分析。

2供电系统概况

深圳地铁某工程供电系统集中供电方式，正常运行方式下共有三座主变电所为本线各个供电分区提供电源。供电系统采用分区双环网接线方案，以每3～4座变电所组成一个供电分区，每个分区在靠近主变电所或电源开闭所的车站引入两路独立电源，中压供电网络采用AC35kV供电网络，牵引网采用DC1500V架空接触网授电，走行轨回流。

3供电系统设计方案

3.1一次设计方案

1.供电分区划分：

供电系统采用分区双环网接线方案，以每3～4座变电所（不包括跟随式降压变电所）组成一个供电分区，每个分区在靠近主变电所或电源开闭所的车站引入两路独立电源，供电分区划分如表1-1所示：

表1-1供电分区划分明细表

供电分区供电范围电源引入点

供电分区一前海站、临海站、宝华站，宝安中心站宝安中心站

供电分区二翻身站、灵芝站、洪浪站翻身站

供电分区三兴东站、留仙洞站、西丽站西丽站

供电分区四大学城站、塘朗站、长岭陂站、塘朗车辆段大学城站

供电分区五深圳北站、民治站、五和站、坂田站深圳北站

供电分区六杨美站、下水径站、上水径站、上水径停车场、长龙站长龙站

供电分区七布吉站、百鸽笼站、布心站布吉站

供电分区八太安站、怡景站、黄贝站太安站

2.变电所主接线形式：

供电系统采用单母线分段的AC35kV系统接线方式：变电所AC35kV侧采用单母线分段接线方式，每段母线设置一回进线，向该所供电，在变电所的每段AC35kV母线设一回或两回出线，向相邻的车站变电所供电。

3.牵引直流系统：

正常运行方式下，相邻牵引变电所共同向区间的接触网构成双边供电。当一座牵引变电所故障时，一般采用两种方式实现越区供电，即通过故障牵引变电所内DC1500V母线或者接触网越区隔离开关合闸，从而实现与故障所相邻的牵引变电所组成的大双边供电。

DC1500V母线采用单母线接线。正线的牵引变电所馈出4回DC150V出线，分别接至上、下行接触网，与相邻的牵引变电所构成双边供电。

4.典型变电所主接线如下图所示：

3.2交流35kV开关柜保护设置

（1）进、出线柜：

◆主保护为线路光纤纵差保护

◆过电流保护

◆弧光保护

◆零序过流保护

（2）母联柜：

◆过电流保护

◆备自投

（3）整流机组馈线柜

◆电流速断保护

◆过电流保护

◆零序过流保护

（4）配电变压器馈线柜：

◆电流速断保护

◆过电流保护

◆零序过流保护

3.3直流1500V开关柜保护设置

（1）直流进线柜：

◆大电流脱扣保护。

（2）直流馈线柜：

◆大电流脱扣保护

◆电流上升率di/dt+ΔI增量保护

◆过电流保护

◆热过负荷保护

◆低电压保护

◆线路测试及自动重合闸

◆自动重合闸及防跳

4供电系统保护配置设计解决方案

4.1交流35kV系统：

本工程线路长（约41km），共设置8个供电分区，如表1-1所示，各分区内变电所数量都在4座左右。正常运行方式下由三座主变电所为8个供电分区提供电源。

设计方案中，交流35kV环网进出线的主保护为线路光纤纵差保护，后备保护为过电流保护；每个开关均配置弧光保护和零序电流保护。具体配置（部分车站）如下图所示：

该设计方案有以下几点考虑：

（1）未选用电流速断保护作为环网进、出线的主保护：基于地铁线路长度较短，电压等级为35kV，无论从电压等级还是线路长度上来说，比城市电网都要小很多，线路长度短，阻抗差别小，在线路侧出现故障的时候，故障电流在该线路两侧的开关处测得的电流值在数值上难以区分开来，选择性很难保。而线路光纤纵差保护在原理上不同与电流型保护，在保护两台纵差保护装置之间的线路时具有较高的选择性及灵敏度，因此采用线路光纤差动保护作为环网进、出线开关的主保护。

（2）后备保护为过电流保护，若主保护纵差保护拒动，或者光纤通道故障时，该保护升级为主保护。

（3）每个开关柜在过电流保护的基础上，配置弧光保护，当传感器检测到母线室或断路器室气体压力不正常时，认为有燃弧产生，加速过电流动作，跳闸时间缩短为0S。

该保护配置方案在投入运营前夕，深圳地铁运营公司提出了一些运营方的考虑，其核心关注点为：当线路光纤纵差保护退出或者光纤通道故障时，过电流保护升级为主保护，选择性如何保证？此时若同时一座主变电所退出，由另外一座主变电所支援供电时（即原有供电分区重新划分，分区内变电所数量增多）时，情况将更为复杂和难以解决。

关于主保护的选择性，在供电系统的二次设计中有完整的设计思路及论述：

（1）母线故障的选择性：母线故障时，故障变电所电源柜会启动弧光保护，过电流无延时跳闸，因此母线故障时选择性完全可以保证。

（2线路故障的选择性：

主保护线路光纤纵差保护可完全保证选择性

主保护线路光纤纵差保护退出，或者光纤通道故障时，此时为N-1的工况，线路出现故障电流，此时为N-2的工况，则加速过电流保护跳闸，缩短延时时间。

线路光纤纵差保护退出，过电流加速跳闸的实现方式是由两台保护装置之间自动完成，首先当线路光纤纵差保护装置（RED615）发出装置故障或光纤通道故障信号进入综合保护装置（REF542+）中，此时REF542+封锁之间过电流启动延时时间模块，启动加速过电流跳闸的延时时间模块，可缩短300ms。因此主保护线路光纤纵差保护退出时，后备保护过电流保护在跳闸时间上的具有了主动选择性。

虽然在设计方案中有针对主保护退出时后备保护选择性的考虑，但是笔者个人观点认为主保护的选择性在N-1的条件下是必须考虑的，当系统内有且仅有一个故障点的时候，主保护配置设计应该无条件满足选择性的要求，以防止跳闸范围的扩大。而运营公司的顾虑，实际上前提是2个以上故障点，第一、线路侧出线故障电流；第二、纵差保护退出或光纤通道故障；第三、主变电所退出；在此N-2甚至N-3的条件下要求原本的后备保护—过电流保护具有选择性有较大困难。过电流保护一般是按避开最大负荷电流这一原则整定的。为了使上、下级的过电流保护具有选择性，在时限上也应有一个级差。这就使靠近电源端的保护动作时限将很长，尤其在主变电所退出的情况下，一个分区内通常有6、7座变电所，时间级差上更是无法满足选择性，而通过不同的电流定值虽然数值上可以区分，但是实际同样难以满足选择性要求（见前文描述）。

笔者认为主保护的选择性应该在N-1的情况下完全满足，主保护退出后备保护上升为主保护时选择性在有条件的情况下尽量满足，如果过分追求后备保护的选择性，则系统会趋向于无穷大，是不具备工程实际的操作性的。

4.2直流1500V系统：

直流1500V系统正常运行方式下，同一供电臂有2个直流1500V馈线开关供电，当接触网出现故障电流时，距离短路点近的变电所的直流馈线开关会首先动作，距离较远可能因为电流值达不到保护定值而不动作，为避免接触网过热，消除保护死区，已跳闸的直流馈线断路器发出联跳信号通过联跳控制电缆送至相邻牵引变电所，使相邻牵引变电所直流馈线开关立即跳闸。保证故障段的接触网电源完全断开。

直流进线和直流馈线开关都配置本体大电流脱扣，用于快速切断近端短路电流，在其到达峰值之间脱扣，动作时间非常短。

直流馈线设置电流变化率保护和电流增量保护不仅可用于切断近端短路电流，同样可以用于切断远端短路电流，电流上升率保护在远端短路时一般都会先于大电流脱扣动作。电流上升率保护在整定时应躲过列车的最大启动电流，且延时时间也应足够长，避免误动。

笔者认为直流系统中的馈线开关过电流保护定值，需要考虑的因素比较多，重点做一下分析：

（1）过电流保护的时间定值：需要考虑同一供电臂上列车的启动时间以及机车在该区间从接触网上的取流时间。同时对可能出现的极端情况，也应有所考虑，比如列车出现故障，需要拖车进入区间拖走，此时的取流时间和列车运行时可能相差很大。

（2）过电流的电流定值：考虑列车的启动电流，以及同一供电臂上同时启动列车的数量

（3）电流值和时间定值都不宜过大，否则将导致该保护失去作用，也不宜太小，以免正常的工况下馈线开关跳闸而影响运营。

本工程直流1500V馈线开关过电流定值为2000A，时间为65S，时间定值考虑了2列车同时启动，以及最大的列车取流时间。深圳地铁运营公司电调负责人在于笔者沟通的过程中提出了更为极端的工况，即列车在区间内出现故障不能正常行驶，需要拖车拖至车辆段维修，至于其整个过程需要花费的时间及牵引电流的大小则需要做试验来验证，笔者认为该定值与各个城市轨道交通的行车管理模式、各个线路的站间距、线路坡度均有关系，能够通过做试验来验证，是最佳的方式。设计阶段考虑细致，再通过现场试验校验，对解决直流馈线开关过电流定值具有重要的意义。

5结论

对于AC35kV系统保护配置以线路光纤纵差保护为主保护，过电流作为后备保护，主保护纵差保护退出时，通过保护装置自动实现过电流的加速动作，从而满足后备保护上升为主保护时（N-2）的工况下依然具有选择性，同时从系统规模的角度出发，不应对后备保护的选择性有过高要求。

对于直流1500V系统，本体大电流脱扣和电流上升率、电流增量保护是标准配置，在直流馈线过电流的定值设计中需要考虑多种因素，包括列车启动时间，列车受电弓取流时间、极端运营工况等，如果有条件通过实验来验证，对系统设计和运营管理都有积极作用。

参考文献：

[1]地铁设计规范（GB50157-2003）

[2]GB10411-2005－城市轨道交通直流牵引供电系统

[3]GB50062-92电气装置的继电保护和自动装置设计规范及条文说明