王兴勇
中铁城市发展投资集团有限公司 四川成都 610000
摘要：过电流保护作为城市轨道交通中压环网供电系统的后备保护，存在级差难以配合的问题，导致保护无选择性。为解决这一问题，提出一种改进方案，即数字通讯过电流保护。该方案对中压环网各进出线开关均配置数字通讯过电流保护装置，该装置具备通讯功能和可编程的逻辑处理功能，相邻装置间通过数据通道对相应信息进行传输和比较，从而对故障信息进行判断。通过对环网不同位置发生的故障进行分析，对方案原理及实现方法进行详细介绍，证明该方案能够准确判断故障范围，并动态调整保护装置的动作时限，能够解决过电流保护的级差配合问题，保证过电流保护的选择性和速动性。
关键词：城市轨道交通；中压环网；后备保护；数字通讯过电流保护；电流选跳
1 传统保护配置不足之处
城市轨道交通中压环网供电系统一般采用集中式供电，一座主变电所供电数个供电分区，一个供电分区设置5-7座变电所，一般按照3-4个供电分区配置。一条线路一般为两座主变电所，两座主变电所相邻的两个供电分区通过联络开关互为备用。由于一个供电分区设置多座变电所，变电所之间是双环串联关系，主变电所中压出线端与车站变电所形成梯级供电方式，因此过电流保护需进行时限的级差配合。主变电所中压出线端过电流保护时限一般限定在1.2S，车站变电所的过电流保护时限一般设定在0.4S，当故障发生，若光纤差动主保护拒动时，距离电源点越近，短路电流越大，过电流保护为保证系统选择性，其保护动作时限反而越长，无法保证系统速动性的要求。为了减少故障损失，系统只能舍弃部分区段的过流保护选择性，相应保护出口切除故障，将造成同一动作时间的环网开关同时跳闸，尤其是在上述主变电所之间相互支援供电时，造成的停电范围更大。
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2 数字通讯过电流保护装置配置
数字通讯过电流保护实际上就是解决过电流保护的选择性和时限性之间矛盾的问题。它是在电流保护基础上，通过装置之间的信息传递、比较和逻辑编程判断故障区段，不需时间配合，实现有选择性快速跳闸的一种新型速动保护。
数字通讯过电流速动保护解决方案充分运用最新的通讯的技术，以差动保护7SD68为主保护，通过7SJ686-M实现的近区速动电流保护为后备保护的方式，能够动态的形成时间级差，在任何可能的供电分区（变电所数量不受限制）中，在满足选择性的前提下，主变电所中压出线过流时间设置小于1.2s，不仅解决了大供电分区保护极差无法设定的问题，还大大缩减了故障切除时间，提高了设备的使用寿命。
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1）保护配置
进出线柜均配置7SD68光纤差动保护装置为主保护单元，7SJ686-M近区速动电流保护装置为进出线后备电流保护。7SJ686-M产品具有独立的光纤通讯模块（独立于用于综合自动化功能的接口）。
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2）主要特点
7SJ686-M两台装置间可通过光纤进行信息传递，传递的信息包括开关位置、故障信息等，信息量可达30个。7SJ686-M具备可编程功能，可将装置本体通过二进制输入采集到的信息及通过光纤收到的对侧信号进行逻辑编程。
利用装置的此特点，在不降低保护系统可靠性的前提下，完美解决中压环网供电线路后备保护的速动性与选择性相矛盾的问题，可保证任一级故障均能在1.2S内予以切除。供电系统方式改变时，保护装置之间的逻辑配合关系不需要改变，适应各种牵引供电系统，牵引供电系统配置的灵活性更大。
7SJ686-M采用单独的通讯通道传输过流信息，此种配置方式可保证当差动保护装置7SD68失效时整个供电分区保护依然选择性的快速动作。
3 数字通讯过电流保护原理
一个供电分区通常有5-7个变电所，为便于分析，取相邻的3个变电所进行描述，主接线图如下图：
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地铁站1进线柜电流时限为1.2s，馈线按需考虑躲开配电变压器励磁涌流各相关系数，电流保护时限为0.4s，各环网进出线电流保护时限级差还应充分考虑到断路器的固有分闸时间（100ms）和保护出口继电器的动作时间(30ms-40ms)及安全系数等因素，极差200ms可以满足要求。
为了便于分析，对所有故障点的故障情况逐一进行分析，从中压环网系统一次主接线图可以看到，区内可能存在的故障点共4个，分别为：区间电缆故障点A；站内母线故障点B；馈线故障点C；所有区外故障点均设为D。
各故障点的示意图以及数字通讯过电流近区速动方案的各保护装置延时设置见图4：
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近区速动解决方案的实现基本逻辑如下：
在各站进出线柜的7SJ686-M后备过流保护中，过流III段永久开放运行，而过流I段正常时被闭锁，只有在发生电力系统故障时通过不同的信号量来解锁用于达到加速后备过流保护的功能；
在7SJ686-M装置中定义内部信号a，a的定义为差动未启动&有大电流。各故障点发生故障时的a信号真值表如下：
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本间隔7SJ686装置的a=1 &另一间隔7SJ686装置的a=0，则判断出故障所在区间，则解锁本间隔7SJ686保护装置内的过流I段，同时通过保护专用光纤通道将信号发送至线路对侧，开放对侧出线7SJ686装置内的过流I段成为失灵保护，这样就动态形成了一个极差，从而保证过流保护不越级。如图5所示，当故障点发生在A、B、C的时候3号断路器的保护装置满足条件将加速3号7SJ686-A中的过流I段及对侧2号7SJ686-B中的过流I段。
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4 数字通讯过电流保护各故障点的详细解决方案
4.1 故障点A
即区间电缆发生故障，具体解决方案和动作图见下图6：
1）3断路器后备保护I段和III段运行，2断路器后备保护I段和IIII段运行。
2）正常情况下7SD68差动保护0秒跳开4、5号断路器。
3）2、3后备过流保护7SJ686的I段作为4号断路器失灵后备保护。
4）如果4号断路器失灵，2、3号断路器0.4s同时跳开切除故障。
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4.2 故障点B
即站内母线发生故障，具体解决方案和动作图见下图7：
1）3断路器后备保护I段和III段运行，2断路器后备保护I段和III段运行。
2）3、2号断路器0.4s同时切除故障。
3）如果3号断路器失灵，2也同时跳开切除故障。
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4.3 故障点C
即馈线发生故障，具体解决方案和动作图见下图8：
1）3断路器后备保护I段和III段运行,2断路器后备保护I段和III段运行。
2）J断路器应在其设定的过电流保护时间0.2s切除故障。
3）如果J断路器失灵，2、3号断路器0.4s同时跳开切除故障。
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4.4 故障点D
即对本站区外故障时，具体解决方案和动作图见下图9：
1）本区间内的保护均只有永久开放的1.2s。
2）故障发生在相应的区间会动态打开I段0.4s。
3）故障将在对应的区间快速切除，而不会越级到其他区域。
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4.5 母联合上时故障（右供电）
1）L号断路器只设有充电保护和备自投功能，母联闭合几秒后充电保护自动退出。
2）当地铁2号站右供电时，L号断路器闭合，根据功率方向原理，发信给12号断路器的7SJ，使其Ⅰ段定值从0.4s提高到0.8s，这样远方站X点故障可以由6和9号断路器的7SJⅠ段定值在0.4s切除，不会使12号断路器越级误动。
3）同时L的位置信号通过12号断路器的7SJ远传给15号（地铁4号站的出线）的7SJ使其Ⅰ段定值从0.4s提高到0.8s， B故障由12和15号断路器在0.8s切除。
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4.6母联合上时故障（左供电）
1）L号断路器只设有充电保护和备自投功能，母联闭合几秒后充电保护自动退出。
2）当地铁2号站左供电时，L号断路器闭合，根据功率方向原理，发信给12号断路器的7SJ，使其Ⅰ段定值从0.4s提高到0.8s，这样远方站X点故障可以由6和9号断路器的7SJⅠ段定值在0.4s切除，不会使12号断路器越级误动。
3）同时L的位置信号通过12号断路器的7SJ远传给15号（地铁4号站的出线）的7SJ使其Ⅰ段定值从0.4s提高到0.8s，B故障由12和15号断路器在0.8s切除。
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4.7 7SD-B装置故障时的处理
1）正常运行4号保护配置：7SD-B：差动保护运行 ；7SJ-B：差动保护运行,过流Ⅲ段运行 。
2）4号7SD-B装置退出（如：电源故障、CPU故障、光纤故障、差动退出)；
3）4号7SJ-B中还有完整的差动保护，过流保护III段，此时不需要额外的处理逻辑，近区保护加速跳闸的功能不受影响；
4）A点故障，4号7SJ-B 差动保护 0s跳开4号、5号断路器；
5）B点故障，3号、2号断路器经0.4s同时跳开切除故障。
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4.8 7SD-A装置故障时的处理
1）正常运行5号保护配置：7SD-A：差动保护运行；7SJ-A：差动保护运行,过流Ⅲ段运行。
2）5号7SD-A装置退出（如：电源故障、CPU故障、光纤故障、差动退出)；
3）5号7SJ-A中还有完整的差动保护，过流保护III段，此时不需要额外的处理逻辑，近区保护加速跳闸的功能不受影响；
4）A点故障， 6号 7SD-B差动 / 7SJ-B差动,0s跳开6号、7号断路器；
5）B点故障， 5号、4号断路器经0.4s同时跳开切除故障。
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4.9 7SJ-B装置故障时的处理
1）正常运行4号保护配置：7SD-B：差动保护运行 ；7SJ-B：差动保护运行,过流Ⅲ段运行。
2）4号7SJ-B 装置退出（如：电源故障、CPU故障、光纤故障、保护退出);
3）4号7SD-B中差动保护运行，此时2号，3号，4号，5号区间正常的近区保护加速跳闸功能失去, 4号7SJ-B发信 4号 7SD-B 解锁过流I段 0.6s, 2号,3号,5号根据装置故障相应的解锁对应7SD中的过流I段 0.6s；
4) A点故障，4号7SD-B 差动保护 0秒跳开4、5断路器，如果4号断路器失灵，3号、2号断路器经0.6s同时跳开切除故障；
5) B点故障，3号、2号断路器经0.6s同时跳开切除故障。
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4.10 进线7SJ-A装置故障时的处理
1）正常运行3号保护配置：7SD-A：差动保护运行；7SJ-A：差动保护运行,过流Ⅲ段运行。
2) 3号7SJ-A装置退出（如：电源故障、CPU故障、光纤故障、保护退出);
3）3号7SD-A中差动保护运行，此时2号，3号，4号，5号区间正常的近区保护加速跳闸功能失去, 3号7SJ-B发信 3号 7SD-B 解锁过流I段 0.6s, 2号,4号,5号根据装置故障相应的解锁对应7SD中的过流I段0.6s；
4）A点故障，4号7SD-B 差动/ 7SJ-B差动保护0秒跳开4、5断路器，如果4号断路器失灵，3号、2号断路器经0.6s同时跳开切除故障；
5) B点故障，3号、2号断路器经0.6s同时跳开切除故障。
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根据以上分析，不管是区间环网电缆故障、母线故障还是馈线故障，近区速动保护方案均能实现故障点的快速切除。完全满足主变电所中压出现端1.2S的时限要求。从而保证了主变电所中压出现端1.2S动作时限的前提下，实现整个系统保护的可靠性、选择性、灵敏性、速动性。
当发生由左供电变为右供电模式，或者右供电变为左供电模式时，整个方案无需任何改变。因为当供电方向改变时，故障定位信号会自动定位，仍能够自由加速对应侧上游的保护I段，方案的自适应性非常强。
并且从故障时的保护动作分析中可知，当主保护差动保护7SD68失效时，近区速度保护方案仍能够切除故障。能保证整个系统保护的可靠性、选择性、灵敏性、速动性。
5 结语
通过以上分析可以看出，对于轨道交通中压环网的保护，后备保护选用数字通讯过电流保护，能够对各类故障进行准确判断，从而确定需要跳闸的断路器，并能根据需要，灵活设定各级电流保护的动作时限，从而克服了传统过电流保护级差时限难以配合的问题。牵引供电系统供电方式改变时，保护装置之间的逻辑配合关系不需要改变。另外，环网的结构配置不受保护时限配合的限制，极大地增强了环网扩展的灵活性。
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