地铁供电系统继电保护方案研究.docx

地铁供电系统继电保护方案研究 杨 炼，范 春 菊，孙 陈 勇（上 海 交 通 大 学 ，上 海 ；上 海 地 铁 公 司 ，上 海 ）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 电中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ：文 章 编 号 ：（） ， ，（，；，）：， ， ， ：；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 。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 、 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 。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 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 新 村 路 变 电 站 （以 下 简 称 新 村 路 站 ）所 辖 的 一 段 供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 ，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 杨 炼 ，等 ：地铁供电系统继电保护方案研究 电 系 统 ，作 为 分 析 实 例 。 新 村 路 站 装 设 一 台 变 压 器 ，用 于 对 新 村 路 站 和 沿 线 的 站 、 站 、 站 的 配 电 变 电 站 供 电 ，线 路 及 变 压 器 参 数 如 表 和 表 所 示 。不 超 过 。如果按照传统方式对 线 路 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 段 保 护 整 定 值 有 时 候 会 大 于 段 保 护 的 整 定值 ，从而保护范围 小 于 段 保 护 ，失 去 了 段 保 护的 作 用 ，也是不符合要求 。 因 此 电 流 段 保 护 和段保护都不能 用 于地 铁 的 供 电线路 。表 新村路站主变压器所辖各段线路参数 定 时 限 过 电 流 保 护表 新村路站主变压器所辖配电变压器参数 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 。新 村 路 站 出 线 侧 最 大 负 荷 电 流 ，新 村 路 主 变 压 器 短 路 容 量 ：最大运行方式下 为 ，最 小 运 行 方 式 下 为 。新 村 路 站 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 。，过电流保护整 定 电 流，（），灵 敏 度 校 验 ，作 为 近 后 备 保 护 ，灵敏 度 系 数 ， ，取 ，则 动 作 时 限。 作 为 本 段 线 路 的近后备保护灵 敏 度满 足 ，且 时 限 较 短 ，过 电 流 保 护 有 效 。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 ，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 。线路保护配置方案研究 相 间 电 流 保 护 的 整 定 及 其 灵 敏 度 校 验电 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 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 。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 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 。 站 出 线 侧 最 大 短 路 电 流， 新 村 路 站 出 线 侧 电 流 保 护 段 整 定 动 作 电 流 ，按 照 最 小 运 行 方 式 进 行 校 验 ，计 算 最 小 保 护 范 围 ，无 保 护 范 围 ， 即 电 流段 保 护 不 满 足 要 求 。 按照同样的方式 ， 计 算 新 村 路 站 段 保 护 的 整 定 动 作 电 流 ，灵 敏 度 系 数 为 ， ，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 ），每 段 保 护 长 度倒 送 电 运 行 方 式 时 的 过 电 流 保 护当 系 统 某 处 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 图所 示 。当 新 村 路 站 主 变 压 器 相 邻 的 耀 华 路 站 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 站 、 站 、 站 、站 负 荷 及 耀 华 路 站 本 身 的 负 荷 都 要 由 新 村 路 站 主 变 压 器 供 电 。 此 时 ， 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 设 备新 村 路 主 变 压 器 站 变 压 器 站 变 压 器 站 变 压 器电 压 等 级容 量电 抗 值站 间 线 路新 村 路 站 站站 站站 站站 站长 度电 抗 值杨 炼 ，等 ：地铁供电系统继电保护方案研究 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 间 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 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 段 保 护 和 零 序 电 流段保护的整定 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 。对 于 零 序 电 流 保 护 ，以 站 为 例 ，整 定 值 为图 倒送电运行方式下地铁供电线路图 发 生 短 路 故 障 时 ，就 出 现 了 保 护 误 动 、动 作 时 间 过长 等 问 题 ，造 成 了 停 电 范 围 扩 大 等 事 故 。在 倒 送 电 运 行 方 式 下 ，新 村 路 站 出 线 侧 最 大负 荷 电 流，新 村 路 站 出 线 侧 过 电流 保 护 整 定 值 ，（），动 作 时 限 。 对 其 进 行 后 备 校验 ，近 后 备 校 验 灵 敏 度 系 数 ， ，远 后 备 校 验 灵 敏 度 系 数 ，灵 敏 度 均 不 满 足 要 求 ，且 动 作 时 限 太 长 。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 变 电 站 并 列 运 行 的 方 式 。在 图 中 ，将 新 村 路 站 和 耀 华 路 站 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 ） 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 主 变 压 器 间 要 铺设电缆和开关 ，增 加 了 投 资 。 ，将其作为本段线 路 的 近 后 备 保 护来 校 验 时 ，单相接地短路时零 序 电流为 ，灵 敏 度 系 数 ，正 序 负 序 零 序 ， ，灵 敏 度 满 足 要 求 ； 负 序如 果 发 生 两 相 接 地 短 路 ， 负 序 零 序，灵 敏 度 系 数 ，正 序 负 序 零 序， ，灵 敏 度 不 满 足 要 求 ，主 要 原 因 是 接 地 变 压 器 的 接 地 电 阻 为，减 小 了 零 序 电 流 。 如 果 采 取 措 施 降 低 接 地 电 阻 值 ，就会提高灵敏度 。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 相杨 炼 ，等 ：地铁供电系统继电保护方案研究 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 ，校 验 灵 敏 度 系 数 ，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 。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 电 压 ，再 送 到 接 触 网 ，为 直 流 电 力 机 车 供 电。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 。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 。）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 。）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 。）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 。）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 。）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 。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 。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 主 变 压 器 ，纵 联 差 动 保 护 整 定 值 。 校 验 灵 敏 度 系 数 ，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。 对 于 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 站 变 压 器 保 护 为 例 ，上 述 各 种 保 护 的 整 定 值 和 灵 敏 度 如 表所 示 。表 站电力变压器保护整定表 结 语由 表 中 可 看 出 ，各保 护的灵敏度系数 均 远大 于 ，满 足 灵 敏 度 要 求 。）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 。 而 纵 联 差 动 保 护 以其优越的特性 ，可 被 用 于 地 铁（下 转 第 页）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 通电 流 速 断 保 护过 电 流 保 护零 序 过 电 流 保 护反 时 限 过 电 流 保 护互 感 器 变 比二 次 侧 整 定 值灵 敏 度 系 数武 云 峰 ：一 起 电缆事故引发对有关现行规定的思考 软 压 板 投 退 报 警 功 能 ，进 一步完善综合数据网 及 调 度 安 全 监 控 和 数 据 采 集 （）系 统 数 据 网 ；实 现 调 度 控 制 一体化 系统二次设备模型扩 展 ，使 系 统 能 够 提 供 更 多 样 、人性化的二次设备 信 号 、量 测 展 示 界 面 ，包 括变电站各类硬压 板 的 位 置 信 号 ，并 结 合 原 有 的 调 度 能 量 管 理 系 统（）的 人 机 界 面 功 能 ，实 现 二 次 设 备 全 面 统 一 的 界 面 展 示 软 件 。）加 强 电 网 运 行 部 门 各 专 业 之 间 的 有 机 配 合 、协 调 ，做 到 相 互 间 紧 密 衔 接 ，避 免 发 生 各 部 门 、各专 业之 间出现管 理和技术上的盲区 。）运 行 维 护 部 门 要 加 强 对 设 备 的 巡 视 检 查 ，利 用 红 外 测 温 手 段 ，定 期 开 展 红 外 测 温 检 查 ，加 强 对 电 缆 接 头 、终 端 接 触 部 位 的 测 温 检 查 ，建 立 红 外 测 温 图 库 ，及 时 发 现 设 备 缺 陷 和 隐 患 。参 考 文 献江 日 洪 交联聚乙烯电力电缆线路 （第 一 版 ）北京 ：中国电力出版社 ，王 梅 义 大电网事故分析与技术应用 （第 一 版 ）北 京 ：中国电力出版社 ，中 华 人民共和国国家标准 电 力 工 程电缆设计规范 北 京 ：中国计划出版社 ，张超 地 区 电 网 继电保护整定值校核与风险评估 系 统 供 用 电 ，（）：崔 家 佩 ，孟 庆 炎 ，陈 永 芳 ，等 电力系统继电保护与 安全自动装置整定计算 （第 一 版 ）北 京 ：中 国 电 力 出 版 社 ，收 修 改 稿 日 期 ：年 月武 云 峰（），主要从事生产技术管理工作 檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼檼（上 接 第 页）供 电 系 统 的 主 保 护 。）提 出 的 适 用 于 地 铁 供 电 系 统 的 保 护 配 置 方 案 ，在 实 际 工 程 运 行 也 验 证 了 这 些 方 案 的 可 行性 和 可 靠 性 。）通 过 本 文 的 研 究 ，体 会 到 在 电 力 系 统 继 电 保 护 中 ，都 要 结 合 实 际 情 况 ，根 据 灵 敏 性 、可靠 性 及 经