寧波軌道交通1號線低壓柜故障分析

邱小梅

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司， 北京 100037)

寧波軌道交通1號線低壓柜故障分析

邱小梅

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司， 北京 100037)

針對寧波軌道交通1號線變電所低壓全所失電及低壓柜部分抽屜被燒毀情況，從設(shè)備的繼電保護設(shè)置及開關(guān)柜裝配兩方面進行分析:低壓柜進線及母聯(lián)繼電保護的設(shè)置可以對各種形式的金屬性短路進行有效保護；低壓柜進線繼電保護整定值與配電變壓器35 kV饋線開關(guān)及低壓饋線開關(guān)有很好的選擇性配合；故障是由于低壓開關(guān)觸頭與銅排接觸不良產(chǎn)生電弧短路造成的。在分析的基礎(chǔ)上提出解決方案：對低壓開關(guān)觸頭與銅排連接的一次插件及斷路器脫扣性能進行檢查；增加母線間隔離板以提高開關(guān)柜的防電弧等級；適當減少繼電保護動作時間；增加弧光保護；增加35 kV開關(guān)后備保護動作，閉鎖低壓備自投啟動的閉鎖條件等。

軌道交通； 低壓柜； 電弧短路； 繼電保護

1 研究背景

2015年6月25日，寧波軌道交通1號線一期工程天童莊跟隨所某饋線柜故障引起400 V I段分支母線短路，故障發(fā)生后低壓保護未動作，1#配電站變電所35 kV開關(guān)過流保護越級跳閘，1#低壓進線開關(guān)失壓跳閘，低壓母聯(lián)開關(guān)自投，因故障沒有解除而造成二次短路，2#配電站變電所35 kV開關(guān)過流保護動作，開關(guān)跳閘。故障造成天童莊跟隨所全所失電，短路電弧導致柜子底部與側(cè)部大面積燒毀，部分抽屜燒毀。

2 全所失電及低壓柜燒毀原因

2.1 相關(guān)設(shè)備繼電保護設(shè)置

2.1.1 繼電保護設(shè)置的原則

《低壓配電設(shè)計規(guī)范》(GB 50054—2011)規(guī)定:

1) 配電線路應裝設(shè)短路保護、過負荷保護；

2) 配電線路裝設(shè)的上下級保護電器，其動作特性應具有選擇性，且各級之間應能協(xié)調(diào)配合，但對于非重要負荷的保護電器，可采用部分選擇性或無選擇性切斷。

2.1.2 低壓柜進線及母聯(lián)繼電保護設(shè)置

車輛段跟隨所采用2 000 kVA配電變壓器，進線及母聯(lián)開關(guān)型號為3WL3S40(開關(guān)額定值為4 kA)，保護配置具體如下。

2.1.2.1 進線開關(guān)

1) 設(shè)置短路短延時，用于母線的短路保護，作用于切斷電源。整定值為IS=2.5In=2.5×4 kA=10 kA,延時0.4 s。

2) 設(shè)置長延時保護，用于過負荷保護，作用于切斷電源。整定值為IL=0.8In=0.8×4 kA=3.2 kA,采用反時限曲線I2t，延時2 s(對應6IR時)。

2.1.2.2 母聯(lián)開關(guān)

1) 設(shè)置短路短延時，用于母線的短路保護，作用于切斷電源。整定值為IS=2.5In=2.5×4 kA=10 kA,延時0.2 s。

2) 設(shè)置長延時保護，用于過負荷保護，作用于切斷電源。整定值為IL=0.6In=0.6×4 kA=2.4 kA,采用反時限曲線I2t，延時2 s(對應6IR時)。

2.1.3 低壓柜進線及母聯(lián)繼電保護設(shè)置

2.1.3.1 進線開關(guān)

1) 短路短延時保護的靈敏度核算。計算條件為系統(tǒng)最小運行方式，系統(tǒng)短路容量為1 000 MVA；主變電所變壓器容量按近期配置，即按望春主變壓器容量為25 MVA，櫻花主變壓器容量為40 MVA計算，低壓母線處短路電流如表1所示。

表1 低壓母線處短路電流

按最不利情況進行短路短延時保護靈敏度Ksen校驗：

Ksen=26.8/10=2.68>2，靈敏度符合GB/T 50062—2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》要求。

2) 短路短延時保護與饋線開關(guān)選擇性配合核算。饋線最大開關(guān)額定值為630 A(整定值Ir為0.5 kA),短路瞬動保護Ii整定值為：

Ii=10Ir=10×0.5 kA=5 kA

進線開關(guān)與饋線開關(guān)脫扣器整定電流的級差為K=10 kA/5 kA=2，滿足保護電器選擇性配合的要求。

3) 保護延時時間的選取。進線開關(guān)保護設(shè)置時間應滿足開關(guān)柜母線熱穩(wěn)定的要求，在開關(guān)柜耐受時間內(nèi)將故障切除。開關(guān)柜可滿足的動熱穩(wěn)定參數(shù)如表2所示。

表2 動熱穩(wěn)定要求

a) 短路短延時保護。進線開關(guān)短路短延時保護設(shè)置時間為0.4 s。

短路發(fā)熱量為Q=Pt=I2Rt=102R×0.4=40R<652R×1=4 225R

b) 長延時保護。進線開關(guān)長延整定時間值的延時時間為2 s(對應6IR時)。

短路發(fā)熱量為Q=Pt=I2Rt=(6×3.2)2R×2=737.28R<652R×1=4 225R

由此可見，進線開關(guān)保護動作設(shè)置時間遠小于柜體可承受時間,可在開關(guān)柜耐受時間內(nèi)將故障切除。

2.1.3.2 母聯(lián)開關(guān)

1) 短路短延時保護的靈敏度核算及與饋線開關(guān)選擇性配合核算等內(nèi)容同進線開關(guān)。

2) 短路短延時保護延時時間的選取?？紤]進線、母聯(lián)及饋線開關(guān)間的選擇性配合，母線短延時0.2 s；對開關(guān)柜母線熱穩(wěn)定的校驗，方法同進線開關(guān)。

2.1.3.3 結(jié)論

通過以上分析得出：低壓柜進線及母聯(lián)繼電保護的設(shè)置可以對各種形式的短路進行有效保護，同時與低壓饋線選擇性配合。

2.1.4 低壓柜繼電保護設(shè)置的相關(guān)問題

2.1.4.1 進線開關(guān)是否設(shè)置短路瞬動保護

依據(jù)GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計規(guī)范》：配電線路采用上下級保護電氣，其動作應具有選擇性；各級之間應能協(xié)調(diào)配合，但對于非重要負荷的保護電器，可采用無選擇性切斷。地鐵變電所低壓柜為大量的一、二級重要負荷配電，所以進線與饋線的保護應具有選擇性。

由于進線與饋線開關(guān)經(jīng)柜內(nèi)水平母線及垂直母線相連，距離很近，進線開關(guān)保護范圍內(nèi)的短路電流與饋線開關(guān)下口短路電流相同；所以如進線開關(guān)設(shè)置短路瞬動保護，當饋線開關(guān)下口短路時將使進線開關(guān)短路瞬動保護出口，保護失去選擇性配合，使停電范圍擴大，同時進線斷路器的非選擇性跳閘會增加查找故障點的難度。因此不建議低壓進線開關(guān)設(shè)置短路瞬動保護。

2.1.4.2 進線開關(guān)與配電變壓器35 kV饋線開關(guān)的保護配合問題

1) 對于車輛段跟隨所，低壓進線開關(guān)整定值IS為10 kA,延時0.4 s。變壓器35 kV饋線開關(guān)速斷整定值為6.54(折合低壓側(cè)電流為57 kA)；過電流保護整定值為1.32(折合低壓側(cè)電流為11.55 kA)，延時時間整定為0.6 s；過負荷報警整定為0.4(折合低壓側(cè)電流為3.5 kA)，延時時間整定為3 s。

低壓柜進線開關(guān)與35 kV饋線開關(guān)及低壓柜最大饋線開關(guān)的選擇性配合曲線如圖1所示。

圖1 選擇性配合曲線Fig.1 Selective fit curve

圖2 35 kV饋線開關(guān)錄波圖形Fig.2 Recorded diagram of 35 kV feeder circuit breaker

由圖可見，低壓柜進線繼電保護整定值與配電變壓器35 kV饋線開關(guān)及低壓饋線開關(guān)有很好的選擇性配合，不會造成越級跳閘。

2) 對車輛段跟隨所變壓器35 kV饋線開關(guān)跳閘錄波的分析。選取35 kV饋線開關(guān)錄波圖形(見圖2)及開關(guān)電壓電流報表(見圖3)如下。

由圖2可以看出，過電流保護在短路30個周波(0.6 s)后出口跳閘，短路動作電流折合低壓側(cè)約為43 kA。該短路電流已達到低壓進線開關(guān)短路短延時IS整定值10 kA的條件，進線短延時保護應啟動并跳閘,變壓器35 kV饋線開關(guān)是在低壓進線開關(guān)短路短延時拒動情況下的正確跳閘。

圖3 35 kV饋線開關(guān)電壓電流報表Fig.3 Voltage current report of 35 kV feeder circuit breaker

2.2 開關(guān)柜及斷路器問題分析

2.2.1 開關(guān)柜生產(chǎn)安裝問題

依據(jù)現(xiàn)場情況分析，寧波軌道交通1號線低壓柜故障是由LF7-4抽屜一次插件連接銅排處，接觸不良產(chǎn)生電弧造成的。低壓短路故障有金屬性短路和電弧短路兩種。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，是電流通過某些絕緣介質(zhì)所產(chǎn)生的瞬間火花。由于電弧具有電阻的特性，因此電弧短路電流比金屬性短路電流小，按金屬性短路電流整定的繼電保護裝置在發(fā)生電弧短路時不能及時動作。

電弧是高溫高導電的游離氣體，它不僅對觸頭有很大的破壞作用，而且會使斷開電路的時間延長。電弧滯留在母線的角上穩(wěn)定燃燒,導致金屬材料的溶化和汽化，并最終造成相間短路，使部分抽屜燒毀。開關(guān)柜生產(chǎn)廠家應在生產(chǎn)及安裝過程中采取有效措施，避免發(fā)生電弧故障。

2.2.2 斷路器問題

根據(jù)對35 kV饋線開關(guān)跳閘錄波的分析，在短路電流值及延時達到低壓進線斷路器整定值的情況下，保護未動作，斷路器為拒動。

3 解決方案

3.1 開關(guān)柜元件更換及設(shè)備優(yōu)化

3.1.1 對低壓柜觸頭全面檢查

電弧的產(chǎn)生是由開關(guān)觸頭與銅排連接的一次插件接觸不良引起的，所以需對低壓柜觸頭進行全面檢查，如一次觸頭有變形松動等現(xiàn)象則及時更換。巡檢維護時對連接部位進行溫度監(jiān)測，做到問題提前發(fā)現(xiàn)。

3.1.2 增加垂直母線相間隔離板

圖4 隔離板安裝Fig.4 Isolation board installation

電弧相間短路會擴大事故，為防止垂直母線相間發(fā)生電弧短路，開關(guān)柜增加垂直母線相間隔離板，把母線相間完全隔離，提高開關(guān)柜的防電弧等級。隔離板安裝如圖4所示。

3.1.3 對斷路器進行保護功能測試

對斷路器脫扣器進行保護功能測試，不能正確動作的斷路器需進行更換。廠家只能提供脫扣器測試儀進行測試,但脫扣器測試儀只能判斷是否完成脫扣，不能判斷脫扣是否按整定時間動作，具有一定的局限性。建議有條件時采用綜保測試儀測試。

3.2 繼電保護設(shè)置的調(diào)整

1號線一期低壓柜在送電后兩次發(fā)生事故，且事故均出現(xiàn)了較嚴重的拉弧，拉弧對柜體造成了致命損毀。針對現(xiàn)場這一情況，考慮對繼電保護設(shè)置進行適當調(diào)整，以盡快切除故障，減小對柜體的損傷。

3.2.1 進線開關(guān)

短路短延時的延時整定值由0.4 s調(diào)整為0.2 s，調(diào)整后進線短路短延時保護與饋線瞬動保護仍可以保證選擇性。

3.2.2 母聯(lián)開關(guān)

1) 開啟母聯(lián)的瞬動保護，整定值為Ii=3In=3×4=12 kA

按最不利情況進行保護靈敏度Ksen校驗：

Ksen=26.8/12=2.2>2，靈敏度符合GB/T 50062—2008《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》要求。

但是調(diào)整后當一路進線失壓，母聯(lián)合閘后，母聯(lián)開關(guān)與饋線開關(guān)不再具有選擇性配合，如此時之前失壓母線段饋線開關(guān)下口短路將引起母聯(lián)瞬動保護出口，從而造成停電范圍擴大。針對本項目現(xiàn)場柜體易發(fā)生拉弧事故的情況，建議不考慮此類雙重故障時的選擇性，母聯(lián)開關(guān)設(shè)置短路瞬動保護。

2) 短路短延時的整定值由0.2 s調(diào)整為0.1 s。

3.2.3 調(diào)整過電流保護延時時間

配電變壓器35 kV饋線開關(guān)過電流保護延時時間整定由0.6 s調(diào)整為0.4 s。

由于低壓進線開關(guān)短路短延時保護延時時間調(diào)整為0.2 s，將配電變壓器35 kV饋線開關(guān)過電流保護延時時間調(diào)整為0.4 s后仍然可保證選擇性。

繼電保護設(shè)置調(diào)整后，犧牲了部分系統(tǒng)的選擇性，但可以更快地切除故障，這對于事故安全隱患較高的柜體來說是值得的；但系統(tǒng)安全的根本還是應該從提高開關(guān)柜設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、安全性入手。

3.3 其他措施

考慮對已運營線路改造的影響、費用增加及必要性，以下方案在本工程中沒有實施。

3.3.1 低壓柜增加弧光保護

金屬性短路電流整定的繼電保護裝置在發(fā)生電弧短路時不能及時動作，而弧光保護可在檢測到弧光后，快速切斷電源，防止故障繼續(xù)擴大。

弧光保護由主控單元、輔助檢測單元以及電弧傳感器組成，檢測單元一般包括電弧檢測和過流檢測兩種類型。在每臺開關(guān)柜上安裝弧光監(jiān)測探頭，在進線柜上安裝電流檢測單元，弧光監(jiān)測探頭可將弧光信號通過光纖傳輸給主控單元，電流檢測單元實時監(jiān)測母線電流，當弧光保護系統(tǒng)同時檢測到電弧和過電流時，發(fā)出跳閘命令切除故障?；」獗Ｗo的動作時間很快，一般整體動作時間小于5 ms。

3.3.2 增加35 kV開關(guān)后備保護動作，閉鎖低壓備自投投入的閉鎖條件

低壓柜備自投采用失壓自投的邏輯，為防止35 kV開關(guān)越級跳閘后，母聯(lián)誤投到故障線路而造成全所失電，可考慮增加35 kV開關(guān)后備保護動作，閉鎖低壓備自投投入的閉鎖條件。

由于設(shè)計單位在繼電保護整定時，已考慮了35 kV開關(guān)與低壓進線斷路器的選擇性配合，保護裝置正常工作時不會出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象，所以增加35 kV開關(guān)后備保護動作，閉鎖低壓備自投投入閉鎖條件的必要性不大。

4 結(jié)語

軌道交通變電所低壓柜有大量饋線回路，對于抽屜式饋線回路，如果開關(guān)觸頭與銅排連接的一次插件接觸不良，會大大增加電弧短路，燒毀柜體。提高低壓抽屜開關(guān)觸頭的產(chǎn)品及安裝質(zhì)量，可降低開關(guān)柜發(fā)生故障的風險；增加母線間隔離板，可提高開關(guān)柜的防電弧等級；適當減少繼電保護動作時間，可盡快切除故障，減小對柜體的損傷；增加弧光保護等保護類型，可在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并切除故障；增加35 kV開關(guān)后備保護動作，閉鎖低壓備自投投入的閉鎖條件，可避免母聯(lián)開關(guān)合閘于故障線路上。

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(編輯：王艷菊)

Malfunction of Low-voltage Switchgear of Ningbo Rail Transit Line 1

QIU Xiaomei

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd.,Beijing 100037)

This paper explored the reasons behind the total loss of power of the low-voltage substation and burning of some switchgear drawers in terms of setting of relay protection and assembling of the switchgear.The result showed that the low-voltage relay protection setting can effectively protect all kinds of metallic short circuits;the circuit breaker of low-voltage incoming and bus tie can match with 35kV transformer feeder and low-voltage feeder;the malfunction is caused by the arc short circuit due to loose contact between the switch contact and the copper bus.On this basis,the paper proposed some solution schemes:checking the switch contact and circuit breaker tripping performance; enhancing the grade of switchgear arc protection by adding division plate between buses;reducing relay tripping time properly;adding arc protection;adding the condition of 35kV backup protection interlock low voltage BZT start program.Keywords: rail transit; low voltage switchgear; arc short circuit; relay protection

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.012

2016-06-08

2017-03-13

邱小梅，女，本科,高級工程師，從事軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計工作，qiuxm@buedri.com

U231.8

A

1672-6073(2017)03-0060-04