尹超準(zhǔn)

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)具有額定電流大、雙邊供電、短路電流大等特點(diǎn)，對直流系統(tǒng)保護(hù)提出了很高的要求，通常要求在極短的時間內(nèi)將故障大電流切除，防止發(fā)生人身傷害及設(shè)備損壞等事故。國內(nèi)城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)起步較晚，且由于直流供電系統(tǒng)保護(hù)具有其特殊性，對直流牽引供電系統(tǒng)二次保護(hù)的理論研究不夠深入。另外，目前涉及城市軌道交通供電系統(tǒng)保護(hù)方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范數(shù)量少，且技術(shù)要求不具體，國內(nèi)到目前為止并未建立完備的直流供電系統(tǒng)保護(hù)理論體系。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50633《軌道交通—固定裝置—直流和交流電力牽引系統(tǒng)保護(hù)原則》[1]對直流牽引供電制式系統(tǒng)保護(hù)原則作了較為詳細(xì)的闡述，對主保護(hù)及后備保護(hù)的定義及配合關(guān)系也作了詳盡的解釋，并且重點(diǎn)對保證保護(hù)可靠性的方法給出了詳 細(xì)闡述和示例。

本文通過對EN 50633在直流系統(tǒng)保護(hù)的要求方面與國內(nèi)工程應(yīng)用進(jìn)行逐一對比分析，求同存異，總結(jié)可取之處，可為國內(nèi)直流牽引供電制式的軌道交通供電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考，也可為直流供電系統(tǒng)保護(hù)走向國際化提供新的思路。

1 保護(hù)的基本要求

1.1 保護(hù)目標(biāo)

保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)在系統(tǒng)異常或故障情況下提供相應(yīng)的保護(hù)。保護(hù)系統(tǒng)的主要功能目標(biāo)：

（1）持續(xù)提供電力牽引系統(tǒng)的服務(wù)和性能，并盡可能減少運(yùn)行干擾；

（2）限制對受影響設(shè)備的沖擊和損壞；

（3）避免級聯(lián)效應(yīng)及擴(kuò)大故障范圍；

（4）最小化故障期間的電弧效應(yīng)和能量釋放；

（5）保護(hù)人員免受間接電擊。

EN 50633對保護(hù)目標(biāo)的描述與國內(nèi)保護(hù)設(shè)立的理念是完全一致的，其主要目的是防止和限制設(shè)備損壞，并為與間接接觸和次生影響有關(guān)的電氣安全提供保障。

1.2 保護(hù)的要求

保護(hù)的要求包括：可靠性、靈敏性、選擇性、速動性、經(jīng)濟(jì)性等[1]。EN 50633對保護(hù)的要求額外提到了經(jīng)濟(jì)性要求，認(rèn)為在系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮被保護(hù)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及對故障未切除或非必要跳閘失電而引起的后果進(jìn)行評估，國內(nèi)工程可參考和借鑒。

2 系統(tǒng)保護(hù)的界面劃分

2.1 輸入電源

直流供電系統(tǒng)與輸/配電系統(tǒng)（通常為中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)）之間的界面是整流機(jī)組前的中壓斷路器，該界面上游裝置輸/配電系統(tǒng)（通常為中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)）的保護(hù)范圍：保護(hù)配合、通信、自動重合閘、潮流方向（能耗模式和再生模式）。

該分界與國內(nèi)工程基本一致，中壓饋線斷路器用于保護(hù)整流機(jī)組（能耗模式）或再生制動裝置（再生模式），同時其與中壓環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線斷路器之間通過時間級差或通信閉鎖的方式來進(jìn)行保護(hù)配合以確保選擇性。唯一不同點(diǎn)是國內(nèi)工程通常不設(shè)置自動重合閘。

2.2 車輛

直流牽引系統(tǒng)和車輛之間的界面是車輛牽引單元斷路器。對于車輛牽引單元的內(nèi)部故障（即發(fā)生在牽引單元斷路器下游的故障），變電所饋線斷路器和車輛牽引裝置斷路器均應(yīng)立即跳閘，不應(yīng)設(shè)置人為延時。

該分界與國內(nèi)工程是完全一致的，車輛內(nèi)部故障時，車輛牽引單元斷路器與變電所饋線斷路器之間不考慮選擇性。

2.3 由牽引系統(tǒng)供電的設(shè)備（國內(nèi)不常用）

與牽引供電沒有直接關(guān)系的電氣裝置，如站用電源，不是牽引供電系統(tǒng)的一部分，也可以由電力牽引系統(tǒng)供電。

國外一些工程的做法是：站用變壓器一次側(cè)不專門設(shè)置中壓斷路器，而是通過低壓斷路器或熔斷器接至整流變壓器的二次側(cè)。國內(nèi)工程中，站用變壓器通常采用專門的中壓斷路器，不適用于該界面劃分。

3 保護(hù)的可靠性方案簡介

為了保護(hù)牽引供電系統(tǒng)，即使在保護(hù)系統(tǒng)中存在一個單一故障的情況下，也應(yīng)檢測到回路中的單個故障情況并切除故障。

基于牽引供電系統(tǒng)的長期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可采用以下一種或多種適用的保證保護(hù)可靠性的方法。

3.1 M1：同時獨(dú)立冗余

主保護(hù)（main-1）與另一個主保護(hù)（main-2）并行且各自獨(dú)立運(yùn)行。其包括獨(dú)立的保護(hù)繼電器，也可以包括獨(dú)立的下列項(xiàng)：輸入采集，包括傳感器、互感器、溫度傳感器、位置指示器（可選）；脫扣器（可選）；跳閘回路（可選）；輔助電源（可選）。

該方法即為雙重主保護(hù)，國內(nèi)工程直流饋線和直流進(jìn)線（若采用斷路器）一般采用該方法，由本體大電流脫扣保護(hù)和速斷保護(hù)實(shí)現(xiàn)，確保在main-1保護(hù)發(fā)生故障時仍能以最快的速度清除故障。

3.2 M2：回路近后備保護(hù)

該方案中回路近后備保護(hù)為主保護(hù)提供冗余，后備保護(hù)僅在持續(xù)故障情況下才起作用，如當(dāng)主保護(hù)可能無法清除故障時。其包括獨(dú)立的保護(hù)繼電器，也可以包括獨(dú)立的一些項(xiàng)，同M1。

M2可靠性方案在國內(nèi)工程中壓饋線、直流饋線和直流進(jìn)線（若采用斷路器）中普遍采用，

中壓饋線、直流饋線以及直流進(jìn)線的過流保護(hù)可實(shí)現(xiàn)速斷主保護(hù)的回路近后備保護(hù)。需要引起注意的是，該方案在清除故障條件時會包括一個額外的延遲時間，以防止主保護(hù)裝置失效，因此更考驗(yàn)系統(tǒng)短時電流耐受水平。

3.3 M3：重疊后備保護(hù)

該方案采用變電所近后備保護(hù)或遠(yuǎn)后備保護(hù)功能。保護(hù)系統(tǒng)分為不同的被保護(hù)分區(qū)，后備保護(hù)通過重疊相鄰分區(qū)的覆蓋范圍實(shí)現(xiàn)。保護(hù)系統(tǒng)中不同層級的保護(hù)繼電器為其劃定的保護(hù)分區(qū)提供主保護(hù)，并應(yīng)作為后備保護(hù)覆蓋相鄰的保護(hù)分區(qū)，僅當(dāng)持續(xù)故障情況下相鄰分區(qū)的主保護(hù)可能無法清除故障時，其才作為后備保護(hù)起作用。

該方案主要用于：

（1）環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線斷路器與中壓饋線斷路器之間，環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線過流保護(hù)作為饋線速斷保護(hù)的后備，其實(shí)現(xiàn)方式既可采用時間級差也可采用邏輯閉鎖。

（2）雙邊供電兩端直流饋線斷路器之間，兩端直流饋線斷路器作為相互之間的后備保護(hù)，由于線路阻抗原因，通常無法覆蓋到整個保護(hù)分區(qū)，因此需借助于雙邊聯(lián)跳[2]來實(shí)現(xiàn)。

需要引起注意的是，在主保護(hù)裝置發(fā)生故障的情況下，需要一定額外的延遲時間才能切除故障，因此更考驗(yàn)系統(tǒng)短時電流耐受水平。

3.4 M4：監(jiān)視

該方案提供一種監(jiān)視機(jī)制，可幫助檢測影響保護(hù)系統(tǒng)能力的潛在缺陷，以便于啟動干預(yù)措施，從而減少存在缺陷時保護(hù)系統(tǒng)動作的可能性。

該方案功能包含但不限于：重要功能監(jiān)測、跳閘回路監(jiān)視、輔助電源監(jiān)視、傳感器監(jiān)視（如電流互感器和電壓互感器）。

該方案與國內(nèi)工程中實(shí)際應(yīng)用的方案理念也是一致的，如國內(nèi)工程通常采用的跳閘回路監(jiān)視、控制回路失電報(bào)警、保護(hù)裝置故障報(bào)警等。

4 直流牽引系統(tǒng)保護(hù)可靠性分析

4.1 整流機(jī)組進(jìn)線保護(hù)

整流機(jī)組進(jìn)線保護(hù)的可靠性應(yīng)通過下列至少一種可靠性方案的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)：

（1）M2：回路近后備保護(hù)，能夠覆蓋整個被保護(hù)分區(qū)。

（2）M3：由上游主進(jìn)線回路保護(hù)的重疊后備保護(hù)，可配置為變電所近后備或遠(yuǎn)后備保護(hù)。

（3）M3受限制的范圍由M4支持：如果回路近后備保護(hù)不能覆蓋整個被保護(hù)分區(qū)，則需要對主保護(hù)進(jìn)行監(jiān)視。

（4）M4：當(dāng)主保護(hù)退出時，主保護(hù)監(jiān)視和跳閘相關(guān)斷路器。

（5）失靈保護(hù)。

國內(nèi)工程整流機(jī)組進(jìn)線保護(hù)的配置與其完全一致。另外需要注意的是，整流機(jī)組進(jìn)線保護(hù)應(yīng)考慮整流機(jī)組耐受能力和最大故障清除時間。

EN 50327中規(guī)定：除非買賣雙方另有協(xié)議，否則整流變壓器和變流器應(yīng)設(shè)計(jì)為可承受至少150 ms的短路沖擊[3]（國標(biāo)也有相同的規(guī)定）。

4.2 直流進(jìn)線保護(hù)（采用斷路器時）

直流進(jìn)線保護(hù)應(yīng)在低阻抗保護(hù)情況下提供母線主保護(hù)。保護(hù)可靠性方案主要用于以下3種情況：

（1）母線故障時。采用M1方案，過流保護(hù)作為大電流脫扣主保護(hù)的另一獨(dú)立主保護(hù)。

（2）整流機(jī)組故障時。采用M1方案，逆流保護(hù)作為獨(dú)立冗余的主保護(hù)，以應(yīng)對其他整流機(jī)組或線路流入的反向故障電流。

（3）饋線故障時。采用M2方案，直流進(jìn)線大電流脫扣保護(hù)作為饋線的后備保護(hù)（無法完全覆蓋保護(hù)分區(qū)）。國內(nèi)工程整流機(jī)組進(jìn)線保護(hù)的配置與其完全一致。

需要引起注意的是：由于直流饋線斷路器也設(shè)置有大電流脫扣保護(hù)，因此饋線發(fā)生大電流故障時將無法實(shí)現(xiàn)選擇性。

4.3 直流饋線保護(hù)

直流饋線保護(hù)應(yīng)為饋線保護(hù)分區(qū)中的低阻抗故障情況提供主保護(hù)，其可靠性通過應(yīng)用至少下列一種方案實(shí)現(xiàn)：

（1）M1：同時獨(dú)立冗余。

（2）M2：能夠覆蓋整個被保護(hù)分區(qū)的回路近后備保護(hù)。

（3）對于M2受限制的范圍：a.由M3支持：當(dāng)回路近后備保護(hù)不能覆蓋整個被保護(hù)分區(qū)時，需要聯(lián)跳相關(guān)的相鄰饋線斷路器；b.由M4支持：當(dāng)回路近后備保護(hù)不能覆蓋整個被保護(hù)分區(qū)時，需監(jiān)視主保護(hù)。

（4）對于M3受限制的范圍：當(dāng)上級進(jìn)線保護(hù)不能覆蓋整個保護(hù)分區(qū)，則需監(jiān)視主保護(hù)。

國內(nèi)工程中直流饋線保護(hù)比較完備，但缺乏各類保護(hù)之間的主被關(guān)系的論述，而EN 50633對各類保護(hù)關(guān)系的定義與論述較詳盡，邏輯清晰，值得國內(nèi)工程參考和借鑒。

5 結(jié)語

本文對EN 50633直流牽引系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)接口界面劃分與協(xié)調(diào)，主保護(hù)與后備保護(hù)之間關(guān)于可靠性的配合關(guān)系進(jìn)行了研究與解讀，通過逐項(xiàng)與國內(nèi)工程實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行對比分析，再通過實(shí)例總結(jié)了直流系統(tǒng)保護(hù)的架構(gòu)關(guān)系，理清了直流供電系統(tǒng)各級保護(hù)的保護(hù)關(guān)系、保護(hù)方法及保護(hù)范圍。EN 50633先進(jìn)的理念可為國內(nèi)直流系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考借鑒。