城市軌道交通低壓配電繼電保護(hù)整定方法

王 蛟 張 剛

(1.中交機(jī)電工程局有限公司技術(shù)中心,430063,武漢;2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)事業(yè)總部,430063,武漢∥第一作者,高級工程師)

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城市軌道交通低壓配電繼電保護(hù)整定方法

王 蛟1張 剛2

(1.中交機(jī)電工程局有限公司技術(shù)中心,430063,武漢;2.武漢地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)事業(yè)總部,430063,武漢∥第一作者,高級工程師)

分析了城市軌道交通配電變壓器各種電流特點(diǎn),對配電變壓器保護(hù)配置進(jìn)行了研究,對各種保護(hù)提出了整定方法,對各種保護(hù)的保護(hù)范圍和配合關(guān)系進(jìn)行研究。介紹的保護(hù)整定方法可指導(dǎo)新建城市軌道交通工程的設(shè)計,也可用于已開通的軌道交通工程的校驗。

城市軌道交通; 供電系統(tǒng); 配電變壓器; 保護(hù)整定方法

First-author′s address CCCC Mechanical & Electrical Engineering Co., Ltd.,430063,Wuhan,China

在城市軌道交通供電系統(tǒng)中,配電變壓器(以下簡稱“配電變”)用于將中壓35 kV電源轉(zhuǎn)變?yōu)?.4 kV,為低壓設(shè)備供電。配電變壓器已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中,但由于城市軌道交通的配電系統(tǒng)負(fù)荷和其他民用或者工業(yè)負(fù)荷相比存在一定的差異,因此整定方法也不同,如沿用民用或工業(yè)負(fù)荷整定方法將導(dǎo)致保護(hù)誤動或者拒動[1-4]。

近年來,隨著GB/T 30013—2013《城市軌道交通試運(yùn)營基本條件》的實施,在試運(yùn)營評審時,依據(jù)其8.1.3條要求進(jìn)行評審:各變電所均應(yīng)有兩路獨(dú)立可靠的電源供電,一級負(fù)荷應(yīng)確保由兩路電源雙回路供電,主變電所和牽引變電所的數(shù)量應(yīng)滿足負(fù)載需要。當(dāng)有外電源退出,相鄰?fù)怆娫袋c(diǎn)跨區(qū)域供電時仍能滿足負(fù)載需要和應(yīng)完成各類電氣元件、開關(guān)的整定調(diào)整,往往需進(jìn)行事故狀態(tài)下的供電可靠性試驗。在多個項目中均存在因配電變整定不當(dāng)引發(fā)的跳閘隱患。

目前,與供電系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的文獻(xiàn)眾多,配電變的整定方法多種多樣,有的甚至給出錯誤的方法,各設(shè)計單位所采用的整定原則也不盡相同,關(guān)于配電變整定均沒有提出合理的方法。因此,對城市軌道交通配電變整定進(jìn)行研究非常有必要。

1 城市軌道交通配電變電流特點(diǎn)

配電變繼電保護(hù)整定的目的在于,當(dāng)變壓器正常運(yùn)行時保護(hù)不應(yīng)動作,當(dāng)配電變故障時應(yīng)可靠動作。因此,在開展整定工作之前必須對配電變各種情況下的電流情況進(jìn)行研究。

1.1 勵磁涌流

送電時,變壓器由空載狀態(tài)變?yōu)樨?fù)載狀態(tài),其電流由零過渡到負(fù)荷電流。當(dāng)給變壓器送電時,會產(chǎn)生較大的沖擊電流,然后很快返回到負(fù)載電流值。這個沖擊電流被稱之為勵磁涌流,其特點(diǎn)如下:

(1) 涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波),主要是偶次諧波,變化曲線為尖頂波。

(2) 勵磁涌流的衰減常數(shù)與鐵心的飽和程度有關(guān),飽和程度越深,電抗越小,衰減越快。在開始瞬間,其衰減很快,以后逐漸減慢,經(jīng)0.5～1.0 s后其值不超過0.25～0.50倍變壓器額定電流。

(3) 一般情況下,變壓器容量越大,其衰減的持續(xù)時間越長,衰減速度比短路電流衰減慢。

(4) 勵磁涌流的數(shù)值很大,最大可達(dá)額定電流的6～13倍。

典型變壓器勵磁涌流曲線如圖1所示。

圖1 變壓器勵磁涌流曲線

變壓器容量越大勵磁涌流越大,隨著時間增加勵磁涌流逐漸減小。某工程配電變勵磁涌流如表1所示。

根據(jù)多個供貨商的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,配電變送電時的勵磁涌流最大為13In,經(jīng)過300 ms后衰減至3In以下。

1.2 長時間負(fù)荷電流

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》,地下車站用電負(fù)荷按其不同的用途和重要性分為三級,地下車站用電負(fù)荷以一、二級負(fù)荷為主,平均占總負(fù)荷的70%～80%。

城市軌道交通車站負(fù)荷可以分為兩大類:一類屬于系統(tǒng)性負(fù)荷,與車站的規(guī)模和結(jié)構(gòu)基本無關(guān),全線基本一致,主要由電子與計算機(jī)類負(fù)荷構(gòu)成,大致為310 kW左右;另一類負(fù)荷主要為動力、照明負(fù)荷,負(fù)荷大小與車站的規(guī)模和功能定位有關(guān)。

表1 某工程配電變勵磁涌流

配電變負(fù)荷率與線路運(yùn)行情況密切相關(guān),一般來說。夏季由于啟動了制冷系統(tǒng),負(fù)荷率較其他季節(jié)要高,故本文以夏季負(fù)荷為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。根據(jù)對多條線路的設(shè)計負(fù)荷情況的調(diào)研,國內(nèi)城市軌道交通典型地下車站配電變?nèi)萘繛?×1 000 kVA。某典型站負(fù)荷情況如表2所示。

表2 城市軌道交通典型地下車站配電變負(fù)荷率

配電變設(shè)計負(fù)荷率為:正常情況下兩臺變壓器分列運(yùn)行帶全所負(fù)荷,負(fù)荷率為0.60左右;故障或者檢修狀態(tài)下單臺運(yùn)行帶全所一級和二級負(fù)荷,負(fù)載率最大為1.00。由表2可知,實際負(fù)載率遠(yuǎn)低于設(shè)計值。這是因為配電變?nèi)萘渴前凑者h(yuǎn)期高峰小時下單臺變壓器運(yùn)行時可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷選取的,即遠(yuǎn)期高峰小時下單臺變壓器運(yùn)行時發(fā)生區(qū)間火災(zāi)的運(yùn)行工況。實際運(yùn)行中,即使是在遠(yuǎn)期,出現(xiàn)這種運(yùn)行工況的概率也是極低的。

由此可知,配電變在其壽命周期內(nèi)大部分時間長期處于低負(fù)荷率(0.2左右)運(yùn)行狀態(tài),僅在極端情況下滿負(fù)載率運(yùn)行。

1.3 短時沖擊過負(fù)荷電流

城市軌道交通內(nèi)動力負(fù)荷中有大量電機(jī)類負(fù)載,其啟動電流為短時沖擊電流。電機(jī)類負(fù)載中,較大的為4臺隧道風(fēng)機(jī)(代號為TVF)和2臺排熱風(fēng)機(jī)(代號為TEF)。在風(fēng)機(jī)的某些運(yùn)行模式下,需要將這6臺風(fēng)機(jī)(以下簡稱“最大風(fēng)機(jī)組”)同時啟動,其電流和運(yùn)行中的其他設(shè)備的負(fù)荷電流疊加構(gòu)成最大短時沖擊過負(fù)荷電流。隧道風(fēng)機(jī)功率一般為90～110 kW,排熱風(fēng)機(jī)功率一般為50 kW。隧道風(fēng)機(jī)一般采用軟啟動,啟動電流為3.5Ir(Ir為風(fēng)機(jī)額定電流);排熱風(fēng)機(jī)為直接啟動,啟動電流為8Ir。

按照配電變?nèi)萘吭O(shè)計原則,單臺變壓器運(yùn)行時,給全所一、二級負(fù)載供電,隧道風(fēng)機(jī)和排熱風(fēng)機(jī)啟動后,變壓器達(dá)到滿載,此時,最大短時沖擊負(fù)荷電流=變壓器額定電流-最大風(fēng)機(jī)組運(yùn)行電流+最大風(fēng)機(jī)組啟動電流。經(jīng)計算,該值為3.28In。即最大風(fēng)機(jī)組啟動時,在配電變前斷路器上將流過最大為3.28In的最大短時沖擊負(fù)荷電流。啟動電流在啟動過程中逐漸衰減為運(yùn)行電流,其衰減曲線根據(jù)風(fēng)機(jī)特性有所差異,一般經(jīng)過0.4 s后衰減到70%左右,總持續(xù)時間為15～20 s。

1.4 低壓側(cè)三相短路電流

1.5 低壓側(cè)兩相短路電流

1.6 低壓母線單相短路電流

1.7 低壓母線饋線短路

低壓饋線短路時其短路電流也會流過配電變前35 kV開關(guān),但對于饋線短路一般由饋線斷路器實現(xiàn)主保護(hù),0.4 kV母線進(jìn)線開關(guān)實現(xiàn)后備保護(hù)。配電變前35 kV開關(guān)各保護(hù)整定均已躲開0.4 kV母線進(jìn)線開關(guān)定值。故不再需要考慮饋線短路對配電變整定的影響。

綜上所述,配電變保護(hù)需要考慮的各種情況下電流特征如表3所示。

表3 配電變電流類型與特性

2 配電變整定方法

2.1 保護(hù)配置

設(shè)計規(guī)程和規(guī)范并未對配電變保護(hù)配置提出要求,一般設(shè)計中參照《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》,對容量小于2 000 kVA的配電變配備要求為:電流速斷保護(hù)、帶時限的過電流保護(hù)、低壓側(cè)單相接地保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)和溫度保護(hù)(本體保護(hù),本文不論述)。此外,在實際工程中往往配備零序保護(hù)。

2.2 保護(hù)整定

對于變壓器保護(hù),在變壓器啟動、正常運(yùn)行、過負(fù)荷范圍內(nèi)過載運(yùn)行時不應(yīng)跳閘,在配電變發(fā)生短路故障時應(yīng)跳閘,在超出過負(fù)荷范圍過載運(yùn)行時應(yīng)跳閘或報警。同時對于Dyn11接線的變壓器保護(hù)還要兼做低壓母線單相接地故障的遠(yuǎn)后備保護(hù)[5-7]。

2.2.1 電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)作用于變壓器保護(hù),以零時限快速啟動切除故障,主要針對大電流短路。整定時必須考慮的條件有:為實現(xiàn)保護(hù)選擇性應(yīng)躲過低壓側(cè)三相短路電流;躲過勵磁涌流;躲過最大短時沖擊過負(fù)荷電流。由上文分析可知,最大的電流是低壓側(cè)三相短路時一次側(cè)電流,因此電流速斷保護(hù)應(yīng)按照躲過低壓側(cè)三相短路一次側(cè)最大電流整定。

保護(hù)裝置一次動作電流:

式中:

Iop,k——保護(hù)裝置的動作電流;

Krel——可靠系數(shù),對于微機(jī)保護(hù)為1.05～1.20;

nTA——電流互感器變比。

保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)按系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下保護(hù)裝置安裝處兩相短路電流校驗。規(guī)范要求,保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)大于等于2。即:

式中:

2.2.2 過電流保護(hù)

過電流保護(hù)作用于變壓器保護(hù)和低壓母線后備保護(hù),以一定時限啟動,作用于小電流短路。

2.2.2.1 參照民用建筑的整定方法

在眾多工程中,過電流保護(hù)參照民用建筑用配電變壓器整定方法整定。按照躲過變壓器最大過負(fù)荷電流整定,整定方法如下:

保護(hù)裝置的一次動作電流:

城市軌道交通配電變負(fù)荷特性和普通民用建筑負(fù)荷有很大的不同,城市軌道交通負(fù)荷具有較大的短時沖擊過負(fù)荷電流,而普通民用建筑短時沖擊過負(fù)荷電流較小。因此民用建筑配電變過電流保護(hù)整定中過負(fù)荷系數(shù)Kgh取1.3～1.5,以取得較高的保護(hù)靈敏度。如城市軌道交通按該方法整定,過電流整定值將小于變壓器啟動時勵磁涌流和變壓器最大短時過負(fù)荷電流。正是因為部分工程采用了這種方法,在實際工程中導(dǎo)致配電變送電失敗和保護(hù)誤動。

2.2.2.2 城市軌道交通整定方法

根據(jù)城市軌道交通負(fù)荷特性,配電變過流整定應(yīng)躲過以下電流整定:勵磁涌流、最大短時沖擊過負(fù)荷電流、最大長時間負(fù)荷電流。

配電變過流保護(hù)動作時限一般為0.4 s,根據(jù)上文分析可知,在0.4 s時電流值最大的為勵磁涌流,電流小于3In。整定方法如下:

保護(hù)裝置的一次動作電流:

=(3.71～4.23)In

保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)按電力系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下,低壓側(cè)兩相短路時流過高壓側(cè)(保護(hù)安裝處)的短路電流校驗。規(guī)范要求,保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)大于等于1.5。即:

=3.11～2.72≥1.5

式中:

2.2.2.3 低壓側(cè)單相接地故障校驗

由于低壓母線單相接地短路電流較小,當(dāng)發(fā)生短路時0.4 kV進(jìn)線開關(guān)拒動,如此時配電變保護(hù)又不啟動故障將無法切除。因此,變壓器保護(hù)必須兼做低壓母線單相接地后備保護(hù),對于Dyn11接線變壓器由帶時限的過電流保護(hù)實現(xiàn)。過流保護(hù)必須校驗低壓側(cè)單相接地故障時的靈敏度。規(guī)范要求,保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)大于等于1.5。即:

2.2.3 過負(fù)荷保護(hù)

過負(fù)荷保護(hù)作用于超出過負(fù)荷范圍過載運(yùn)行,動作時限較長。保護(hù)裝置的動作電流應(yīng)躲過變壓器的額定電流。

保護(hù)裝置一次動作電流:

Iop=In/Kr=1.18In

式中:

Kr——返回系數(shù),取0.85。

過負(fù)荷保護(hù)動作時限應(yīng)躲過變壓器勵磁涌流和變壓器最大短時過負(fù)荷電流時間,一般取30 s。

此外,過負(fù)荷保護(hù)應(yīng)作用于報警,且過負(fù)荷報警信號應(yīng)上送調(diào)度端,而并非作用于跳閘。根據(jù)城市軌道交通配電變負(fù)荷特性,正常運(yùn)行時配電變負(fù)荷率極低(0.2左右)。僅當(dāng)單臺變壓器運(yùn)行且發(fā)生列車區(qū)間阻塞啟動隧道風(fēng)機(jī)和車站排熱風(fēng)機(jī)時配電變負(fù)荷率才達(dá)到設(shè)計滿負(fù)載負(fù)荷率。一般而言,配電變發(fā)生過負(fù)荷的概率極低,如發(fā)生過負(fù)荷必定是處在單臺變壓器運(yùn)行且發(fā)生列車區(qū)間阻塞組織乘客疏散時,如此時因變壓器過負(fù)荷切斷電源必定造成巨大的人員傷亡。此時,如果發(fā)生配電變過負(fù)荷應(yīng)作用于報警,由運(yùn)營人員在調(diào)度端或現(xiàn)場切除部分負(fù)載,保證區(qū)間疏散用電要求。

2.2.4 零序電流保護(hù)

零序保護(hù)作用于配電變高壓側(cè)和進(jìn)線電纜單相接地故障。城市軌道交通配電變接線一般均為Dyn11,配電變低壓側(cè)及低壓母線短路故障并不會在高壓側(cè)產(chǎn)生零序電流,僅在以下情況下配電變前35 kV開關(guān)會流過零序電流:

(1) 供電系統(tǒng)內(nèi)35 kV單相接地故障,配電變開關(guān)流過其保護(hù)范圍內(nèi)元件單相接地電容電流。其大小根據(jù)開關(guān)以下電纜長度而變化,對于降壓所一般在1 A左右,對于跟隨所一般在6 A左右。

(2) 配電變高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障。

(3) 35 kV開關(guān)至配電變之間發(fā)生接地故障,一般為800 A左右(系統(tǒng)限定單相接地電流為1 000 A時)。

對于配電變零序整定時,僅需要躲開其保護(hù)范圍內(nèi)元件單相接地電容電流。

保護(hù)裝置的一次動作電流:

式中:

ICX——被保護(hù)線路外部發(fā)生單相接地故障時,從被保護(hù)元件流出的電容電流。

保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)按電力系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下,35 kV開關(guān)柜至配電變之間發(fā)生單相接地故障最小單相接地短路電流進(jìn)線校驗,該電流一般為800 A左右:因零序保護(hù)裝置的一次動作電流整定值很低(僅1.2～8.5 A),保護(hù)具有非常高的靈敏度。為簡化工作,可將零序保護(hù)裝置的一次動作電流統(tǒng)一整定為10 A。這樣保護(hù)也具有非常高的靈敏度,對變壓器高壓側(cè)一次側(cè)單相接地故障也可以有效保護(hù)。

為簡化工作,動作時限可取和過流保護(hù)相同時限。也可以提高一次動作電流并以零時限動作以快速切除故障。

3 保護(hù)范圍

變壓器保護(hù)對下級開關(guān),為0.4 kV進(jìn)線開關(guān)實現(xiàn)遠(yuǎn)后備;對上級開關(guān),利用35 kV進(jìn)出線開關(guān)作為遠(yuǎn)后備。35 kV進(jìn)出線、35 kV配電變饋線開關(guān)和0.4 kV進(jìn)線開關(guān)在各種故障下的保護(hù)范圍如表4所示。

表4 保護(hù)裝置在不同保護(hù)類型下的保護(hù)范圍

4 結(jié)語

針對城市軌道交通配電變運(yùn)行電流特點(diǎn),本文以某一典型工程為例進(jìn)行了研究。給出了保護(hù)配置、保護(hù)范圍和整定方法,并對保護(hù)的配合關(guān)系進(jìn)行了說明,可以作為其他類似工程的參考。由于各工程情況存在差異,具體到某一工程時候應(yīng)根據(jù)具體情況參照該方法進(jìn)行計算。對于已經(jīng)開通的項目,運(yùn)營單位可根據(jù)本文給出的方法推算既有整定值是否合理,如不合理應(yīng)盡快調(diào)整,避免在事故狀態(tài)下的大范圍停電事故。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計規(guī)范:GB 50062—2008[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程:GB 14285—2006[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.干式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則:GB 17211—1998[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[4] 工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005.

[5] 黃德勝,張巍.地下鐵道供電[M].北京:中國電力出版社,2010.

[6] 王靖清,黃書明,黃德勝,等.地下鐵道供電[M].北京:中國電力出版社,2010.

[7] 于松偉,楊興山.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計原理與應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2008.

Methods for Relay Protection Setting in Low-voltage Distribution Transformer of Urban Rail Transit

WANG Jiao, ZHANG Gang

The characteristics of various kinds of current in power distribution transformer of urban rail transitare analyzed,the protection configuration of power distribution transformer is studied, and the setting method for each protectionis proposed, which is related to the protection range and cooperative relationship for each kind of protection.The method of protection setting in this paper can guide the design of new rail transit construction, also be used for the calibration of already opened engineerings.

urban rail transit; power supply system; power distribution transformer; method of protection setting

U 223.8+2; U 224.4

10.16037/j.1007-869x.2016.08.005

2016-02-15)