地铁供电系统中的继电保护分析

佘伟钿

摘要：地铁供电系统由于其本身的特性，致使地铁供电系统继电保护方案内容的改进也变得相对复杂。为了提高地铁供电系统的连续性及安全性，继电保护的配置就显得尤为重要，进而促使地铁供电系统的运行更为可靠。但是由于目前我国地铁供电系统继电保护方案的设置仍然存在着一些不足之处，因而本文针对其具体状况，对地铁供电系统继电保护方案的优化措施进行了详细的分析。

关键词：地铁；供电系统；继电保护

我国城市交通拥堵问题是人们非常关注的话题，修建地铁可以很大程度缓解城市交通压力，所以，城市轨道交通在我国有很大的发展前景。近年来，越来越多的城市都在修建地铁，如：深圳地铁已经修建完成一期、二期、三期工程，目前运营8条线路。地铁的供电网结构要比普通的电网线路复杂很多，对于继电保护的可靠性也有更高的要求。在修建地铁的过程中要合理布置地铁供电系统，供电系统保护的配置要准确，规范，从而保证整个地铁供电系统运行安全、可靠。通过多年的实际应用发现，在现有的地铁供电系统继电保护方案中存在一些不足之处，会对地铁供电系统的电气线路以及电路原件产生不良影响，影响其使用性能，难以到达预期的使用效果。因此，本文在介绍了地铁供电系统特点的基础上，进一步优化改进了难以达到运行要求的继电保护方案，对一些线路和变压器的保护配置进行了分析，提出了更规范合理的地铁供电系统继电保护的优化方案。

1地铁供电系统的特点及构成

1.1地铁供电系统的特点

对于地铁供电系统的特点的分析可以从以下几个方面入手：第一，地铁供电系统各配电站之间的距离必须保持在4km之内，因此其他供电线路继电保护方案无法满足地铁供电系统特点的要求，对于此，我国相关部门必须根据地铁供电系统的特点完善继电保护配置优化方案的内容；第二，地铁供电系统中主变压器在满足本变电站的要求的基础上，还要确保在主变压器的某一环节出现问题时，另一个主变压器也可独立完成地铁供电行为；第三，地铁供电网也形成独立供电网，主变检修或其它大型检修，不同地铁线相互支援供电等，因此应设置多种继电保护定值，以供非正常供电下使用；第四，由于地铁供电系统在运行的过程中会因为两相短路的故障而无法运行，因此在地铁供电系统运行的过程中，应建立相应的地铁供电系统继电保护方案，以便在地铁出现故障时，可利用其有效降低故障的产生对地铁供电系统所造成的影响。

1.2地铁变电系统的主要构成

1.2.1电力监控系统

电力监控系统主要是对供电系统进行管理和调度以及信息的采集和分析。通过遥控、遥感、遥测等功能对地铁运行中的主要的电力设备进行实时的监督和控制，从而达到对整个供电系统的调度以及管理。主要的优点是可以实现实时的监控，并且能够准确的远程采集供电系统中重要组成部分的数据采集和控制。

1.2.2外部电源

常见的外部电源主要有以下三种供电形式：集中式、分散式以及混合式，他们都是外部城市电网电源主要是给主变电供电的。每种方式所起到的效果都不同，比如采用分散供电可以有效的节约主变电所的成本，混合式供电方式，主要是一部分用来集中供电，另一部分散供电。现阶段，我国的供电模式主要采用的集中供电。

1.2.3牵引供电系统

牵引供电系统的核心部分是牵引变电所，主要是按照容量进行设置然后并列运行两组牵引整流机组。变压中压环网的交流电源、整流直流电源然后经过牵引网络将其提供给列车使用。牵引变电提供的供电方式有两种，一种是单边供电，另外一种是双边供电。有两种不同的系统电压值，DC1500V以及DC750V。

1.2.4主变电所

主变电所主要是指集中供电的方式，接受的电源为110kV的高压电源，然后再对其进行降压，将其处理成35kV或者10kV的中压电源，然后提供给降压变电所以及牵引变电所使用。主变电所一般拥有两路进线的电源，同时还有互为备用的母线。

1.2.5动力照明系统

动力照明系统是需要将直接35kV以及10kV的直流电压，降到照明需要的220V或则是380V的交流电压，这是为了给地铁意外的其他设备提供电能，比如信号灯、事故照明等。

2继电保护的基本任务

继电保护是电力系统的重要组成部分，对保证电力系统的安全经济运行。继电保护装置是一种自动装置，主要是用于开关跳闸或发出信号的，能反应供电系统电气设备发生的故障或不正常工作情况。继电保护的基本任务有：第一，发生故障时，自动地，迅速地，有选择地借助断路器将故障设备从供电系统中切除，以保证系统无故障部分迅速恢复正常运行，并使故障设备免于继续遭受破坏；第二，反应电气设备的不正常工作情况，根据不正常工作情况的种类，自动发出信号，由值班人员及时发现和采取必要措施。反映不正常工作情况的继电保护，一般不需要立即动作，通常允许带一定延时；第三，继电保护和其他周边设备之间协同配合，能够保证当电力运转不正常时，可以快速做出反映，自动调用备用设备，保障电力正常供应。

3继电保护配置基本要求、原则及应用

3.1继电保护配置基本要求

选择性。当供电系统中发生故障时，继电保护装置应能选择性地将故障部分切除。首先断开距离故障点最近的断路器，以保证系统中其它非故障部分能继续正常运行。

灵敏性。保护装置灵敏与否一般用灵敏系数来衡量。在继电保护装置的保护范围内，不管短路点的位置如何、不论短路的性质怎样，保护装置均不应产生拒绝动作；但在保护区外发生故障时，又不应该产生错误动作。

速动性。是指保护装置应尽可能快地切除短路故障。缩短切除故障的时间以减轻短路电流对电气设备的损坏程度，加快系统电压的恢复，从而为电气设备的自启动创造了有利条件，同时还提高了发电机并列运行的稳定性。

可靠性。保护装置如不能满足可靠性的要求，反而会成为扩大事故或直接造成故障的根源。为确保保护装置动作的可靠性，必须确保保护装置的设计原理、整定计算、安装调试正确无误；同时要求组成保护装置的各元件的质量可靠、运行维护得当、系统简化有效，以提高保护的可靠性。

3.2继电保护配置原则

根据保护对象的电压等级和重要性对不同电压等级的电网保护配置要求有所不同。高压电网中因为系统稳定对故障切除时间要求相对较高，通常情况下加强主保护，然而简化后备保护。所谓主保护就是满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。对电压等级低的系统则能够采用远后备的方式，在故障设备本身的保护装置不能正确动作的时候，相邻设备的保护装置延时跳闸。

依据保护对象的故障特征进行配置继电保护装置是通过提取保护对象特征以及运行状况的故障量，来判断保护对象是否存在异常或故障，同时采取相应措施的自动装置。用于继电保护状态判别的故障量，随被保护对象的不同而不同，也随被保护设备在电力系统中的地位不同而不同。

在满足安全可靠性的前提下尽可能的简化二次回路，继电保护系统是二次回路和继电保护装置构成的有机整体。二次回路虽然并不是主体，可是它在确保电力生产的安全、保证继电保护装置正确工作发挥着十分重要的作用。可是复杂的二次回路会导致保护装置不能准确的感受系统的实际工作状态而不正确动作。所以在可能的条件下尽量简化二次回路接线。

3.3保护装置的应用

继电保护装置广泛应用于工厂企业高压供电系统、变电站等，用于高压供电系统线路保护、主变保护、电容器保护等。高压供电系统分母线继电保护装置的应用，对于不并列运行的分段母线装设电流速断保护，但仅在断路器合闸的瞬间投入，合闸后自动解除。另外，还应装设过电流保护，对于负荷等级较低的配电所则可不装设保护。变电站继电保护装置的应用包括：①线路保护：一般采用二段式或三段式电流保护，其中一段为电流速断保护，二段为限时电流速断保护，三段为过电流保护。②母联保护：需同时装设限时电流速断保护和过电流保护。③主变保护：主变保护包括主保护和后备保护，主保护一般为重瓦斯保护、差动保护，后备保护为复合电压过流保护、过负荷保护。④电容器保护：对电容器的保护包括过流保护、零序电压保护、过压保护及失压保护。随着继电保护技术的飞速发展，微机保护的装置逐渐投入使用，由于生产厂家的不同、开发时间的先后，微机保护呈现丰富多彩、各显神通的局面，但基本原理及要达到的目的基本一致。

4地铁供电系统线路保护配置方案研究

地铁供电系统线路保护配置主要包括相间电流保护和当产生零序电流时的保护装置以及纵联差动保护。

4.1相间电流保护的整定及其灵敏度校验

4.1.1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Ⅰ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。

4.1.2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。

4.1.3倒送电运行方式时的过电流保护

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110kV变电站并列运行的方式。

4.2零序电流保护

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。

4.3纵联差动保护

纵联差动保护是用某种通信信道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将一端电气量（电流、功率方向等）传到对端进行比较，判断故障在本线路范围内还是在线路范围之处，从而决定是否切除被保护线路。

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，因此作为主保护被广泛应用于电气主设备和输电线上｡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，如互感器一次侧整定值I'set=0.225kA，校验灵敏度系数Kset，7=13.3>2，满足要求｡对其他站点的整定也是如此，灵敏度都需满足要求｡

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。

5地铁供电系统变压器保护

对于地铁供电系统来说，变压器有着十分重要的作用，当变压器发生故障时，整个供电系统的正常运行都会受到影响。地铁供电系统变压器在运行的过程中，常见的故障主要有两种，一种是油箱外部故障，主要包含接地故障、短路故障等；二是油箱内部故障，主要包含单相接地短路、绕组的匝间短路、相间短路，当油箱内部发生故障时，变压器就会收到很严重的影响，甚至会引发油箱爆炸，进而造成不堪设想的后果。因此，为了保证变压器的正常运行，就需要对地铁供电系统变压器运行的保护十分的重视。地铁供电系统的变压器保护是继电保护的重点。主要包括电力变压器保护和直流牵引变压器保护。对于110kV的主变压器，纵联差动保护的整定值是1.47A，并且有很高的灵敏度，有较高的可靠性，可以保护主变压器。在地铁供电系统中是用直流牵引变压器作为牵引变压器的，主要是对把电网的高压降下来，然后再整流成直流，最有转变成可以用于电力机车使用的1500V直流电，送到接触网为机车供电。直流牵引变压器保护的也是用纵联差动保护作为主保护，并且把过电流保护等作为后备保护。

6地铁供电系统的继电保护配置优化方案

6.1在系统正常运行方式下的优化方案

在系统正常运行的模式下对地铁供电系统的继电保护配置优化方案的实施可以从以下几个方面入手：第一，将纵联差动的保护措施作为地铁供电系统继电保护优化方案中的主保护，因此其可满足地铁供电系统故障对快速性的要求，并且由于纵联保护方案自身还具备较好的灵敏性，因而在地铁供电系统继电保护中可促使保护效果达到最佳的状态；第二，对于地铁供电系统继电保护优化方案中的接地保护，可将灵敏性和速动性较高的分相电流差动设置为接地保护中的主保护方式，并且在优化方案中明确规定出零序过电流保护为后备保护，进而致使系统正常运行方式下的优化方案变得更为科学化；第三，在对地铁供电系统中的电力变压器实施保护的过程中，可以选择纵联差动的保护方式。在系统正常运行的情况下，为了确保供电系统运行的可靠性和安全性，我国相关部门必须根据地铁供电系统的实际运行状况，对地铁供电系统的继电保护配置方案实施进一步的优化，确保在供电系统出现紧急状况时，可合理运用继电保护方案降低故障对供电系统所造成的影响。

6.2在倒送电运行方式下的优化方案

在地铁供电系统处在倒送电运行模式下时，供电系统的保护可以从电流保护方面入手分析，由于供电系统过电流保护延时太长，因此相关部门因针对此特点，在设置供电系统的过程中，应合理安排供电区域的设置，并促使电站两侧均有备用接线，从而确保在某一环节出现故障时，可以利用备用接线致使供电系统可以正常运行。

结语

继电保护在电力系统中有着重要的地位，能够防止一些电力事故的发生，为国民的经济损失提供有效的保障。随着我国电网结构逐渐完善，闭环运行的线路就越来越多，从而对继电保护的相关要求变得更高，整定也随之变得更加复杂。继电保护装置是电力系统的重要组成部分。对保证电力系统的安全经济运行，防止事故发生和扩大起到关键性的作用。

参考文献

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[6]曹毅峰.牵引变电所集成保护方案研究[D].西南交通大学.2013，49.

作者简介

佘伟钿（1986－），男，广东潮安人，广东水利电力职业技术学院，单位：深圳地铁运营总部维修中心。