劉躍龍，張榮新，黃書(shū)明

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251;2.天津職業(yè)大學(xué)，天津 300410;3.西門子中壓開(kāi)關(guān)技術(shù) (無(wú)錫)有限公司，上海 200245)

1 概述

目前，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2003)和地方性的建設(shè)規(guī)范(如上?！冻鞘熊壍澜煌ㄔO(shè)計(jì)規(guī)范》)中均沒(méi)有對(duì)城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)變電所的保護(hù)設(shè)置和整定做比較具體的規(guī)定，且缺少必要的設(shè)計(jì)手冊(cè)可遵循。結(jié)合上海軌道交通9號(hào)線一期工程，對(duì)中壓環(huán)網(wǎng)變電所繼電保護(hù)的整定設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

上海軌道交通9號(hào)線一期工程采用110/35/0.4 kV兩級(jí)降壓供電，牽引動(dòng)力照明混合、雙線電纜、雙環(huán)網(wǎng)的AC 35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。變電所(牽引或降壓所)的中壓側(cè)，采用單母線分段接線方式，Ⅰ段、Ⅱ段母線各引入一路進(jìn)線電源，均來(lái)自對(duì)應(yīng)的主變電所的Ⅰ段、Ⅱ段母線。變電所正常運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)斷路器為熱備用狀態(tài)，當(dāng)其中一段母線失電時(shí)，母聯(lián)自投，由另一路電源供電。

2 繼電保護(hù)整定原則和整定公式

2.1 保護(hù)的配置和功能

上海軌道交通9號(hào)線一期工程典型變電所的保護(hù)配置如圖2所示。

保護(hù)配置如下。

進(jìn)線:設(shè)差動(dòng)保護(hù)、定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)、零序電流保護(hù);

出線:設(shè)差動(dòng)保護(hù)、定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)、零序電流保護(hù);

圖1 上海軌道交通9號(hào)線一期工程供電系統(tǒng)

圖2 35 kV中壓環(huán)網(wǎng)典型變電所保護(hù)配置示意

母聯(lián):設(shè)延時(shí)速斷過(guò)流保護(hù)、零序電流保護(hù)、后加速過(guò)電流保護(hù);

牽引變壓器饋線:設(shè)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)、零序電流保護(hù)、反時(shí)限過(guò)流保護(hù);

動(dòng)力變(跟隨變)饋線:設(shè)電流速斷保護(hù)、零序電流保護(hù)、反時(shí)限過(guò)流保護(hù)。

在實(shí)際運(yùn)行發(fā)生某種故障時(shí)，可能多種保護(hù)同時(shí)起動(dòng)，在滿足保護(hù)動(dòng)作選擇性的前提下切除相應(yīng)故障。

2.2 保護(hù)整定的原則

整定計(jì)算要與保護(hù)的配置與使用相結(jié)合，它直接關(guān)系到保證供電系統(tǒng)安全和對(duì)接觸網(wǎng)連續(xù)供電，因此要求有全面的觀點(diǎn);對(duì)于繼電保護(hù)的技術(shù)要求即選擇性、速動(dòng)性、靈敏性、可靠性，要全面考慮，在某些情況下，當(dāng)“四性”的要求有矛盾，不能兼顧時(shí)，應(yīng)有所側(cè)重;整定保護(hù)定值時(shí)，要注意相鄰上下級(jí)各保護(hù)間的配合關(guān)系，不但要考慮正常運(yùn)行方式，還應(yīng)考慮其他運(yùn)行方式;要保證保護(hù)的運(yùn)行管理有連續(xù)性的特點(diǎn)。每一個(gè)保護(hù)定值和使用方式都是針對(duì)某種運(yùn)行方式的。

2.3 保護(hù)整定的步驟和基本方法

進(jìn)線、出線的定時(shí)限過(guò)電流和零序電流保護(hù)，按“自下而上”即從供電分區(qū)的末端變電所n開(kāi)始整定，相鄰變電所逐級(jí)配合，以滿足選擇性的要求，如圖3所示。

圖3 供電分區(qū)相鄰變電所逐級(jí)配合整定示意

(1)變電所母線上環(huán)網(wǎng)出線保護(hù)的整定

①定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)

電流整定值與下一級(jí)相鄰變電所進(jìn)線相同;動(dòng)作時(shí)限比下級(jí)變電所增加Δt(Δt=250～600 ms，依據(jù)該供電區(qū)間變電所數(shù)量而定，一般不應(yīng)小于250 ms)。

②零序電流保護(hù)

電流整定值為下一級(jí)相鄰變電所進(jìn)線零流整定值的1.2倍與本所之間的電纜充電電流之和;動(dòng)作時(shí)限比下級(jí)變電所增加Δt(Δt=250～600 ms，依據(jù)該供電區(qū)間變電所數(shù)量而定，一般不應(yīng)小于250 ms)。

(2)變電所母線上環(huán)網(wǎng)進(jìn)線保護(hù)的整定

①定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)

電流整定值為本所負(fù)荷電流與下一級(jí)相鄰變電所進(jìn)線過(guò)流保護(hù)整定值之和。

由于實(shí)際的用電負(fù)荷變化因素很多，計(jì)算負(fù)荷不可能十分準(zhǔn)確。需要與牽引供電專業(yè)和動(dòng)力照明專業(yè)密切配合，計(jì)算負(fù)荷應(yīng)盡可能地接近近期實(shí)際負(fù)荷。本工程計(jì)算負(fù)荷按以下2種類型:按全所Ⅰ段和Ⅱ段母線設(shè)備額定電流之和，一般用于末端變電所和重負(fù)荷變電所;按重負(fù)荷Ⅰ段或Ⅱ段母線設(shè)備額定電流之和，一般用于輕負(fù)荷變電所。

動(dòng)作時(shí)限與相鄰變電所級(jí)差為Δt(Δt=250～600 ms，依據(jù)該供電區(qū)間變電所數(shù)量而定，一般不應(yīng)小于250 ms);

按照上述原則計(jì)算的電流保護(hù)整定值如果靈敏度不滿足要求，可適當(dāng)降低整定值大小，靠上下級(jí)的時(shí)限級(jí)差實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性。

②零序電流保護(hù)

a.對(duì)于末端變電所，按饋線支路零流保護(hù)整定值最大者乘以配合系數(shù)1.2;

b.對(duì)于非末端變電所，按出線零流保護(hù)整定值乘以配合系數(shù)1.2。

(3)變電所母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)保護(hù)的整定

①延時(shí)速斷保護(hù)

按35 kV母線二相短路電流時(shí)，保護(hù)靈敏系數(shù)不小于2整定。

②零序電流保護(hù)

按35 kV環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)單相接地短路電流為1 000 A，保護(hù)靈敏系數(shù)不小于2整定，全線相同。

③后加速過(guò)流保護(hù)

與延時(shí)速斷保護(hù)電流定值相同，延時(shí)T=250 ms。

2.4 保護(hù)整定計(jì)算短路點(diǎn)的選擇

兩個(gè)主變電所(110/35 kV)的35 kV側(cè)采用小電阻接地系統(tǒng)，選擇d1、d2作為各地鐵車站(或區(qū)間)變電所變壓器的一次、二次側(cè)短路點(diǎn)，如圖4所示。

2.5 保護(hù)整定方法和整定公式

2.5.1 動(dòng)力變(跟隨變)饋線

圖4 短路計(jì)算簡(jiǎn)圖

(1)電流速斷保護(hù)

整定方法:按躲過(guò)變壓器二次側(cè)最大三相短路電流整定。

整定公式:繼電器動(dòng)作電流

式中，可靠系數(shù)Kk=1.2，動(dòng)力變變比TRa=35 kV/0.4 kV=87.5，流互變比nl動(dòng)作時(shí)限:0 s。

(2)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)

整定方法:選擇IEC normal反時(shí)限類型保護(hù)曲線，選取1.2倍變壓器額定電流作為反時(shí)限保護(hù)起動(dòng)電流Ip

式中，Kk=1.2，過(guò)負(fù)荷系數(shù) Kgf=1.2，返回系數(shù)Kf=0.9。

(3)零序電流保護(hù)

整定方法:按照50%變壓器額定電流整定，以提高保護(hù)的靈敏度。

整定公式:

動(dòng)作時(shí)限:250～300 ms。

2.5.2 牽引變壓器饋線

(1)電流速斷保護(hù)

整定方法:整定值需躲過(guò)整流變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流，按8倍變壓器額定電流整定。

整定公式:

動(dòng)作時(shí)限:0 s

(2)定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)

整定方法:作為反時(shí)限保護(hù)的后備保護(hù)，按4倍變壓器額定電流整定。

整定公式:

動(dòng)作時(shí)限:300 ms

(3)零序電流保護(hù)

整定方法:按0.4倍變壓器額定電流整定，在保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生單相接地故障時(shí)具有足夠的靈敏度。

整定公式:

動(dòng)作時(shí)限:0 s

(4)反時(shí)限過(guò)流保護(hù)

整定公式:

式中，Kk=1.2，Kgf=1.2，Kf=0.9;

時(shí)間整定系數(shù)Tp的確定原則與動(dòng)力變類似，并考慮與定時(shí)限過(guò)流保護(hù)配合。

2.5.3 進(jìn)線

(1)差動(dòng)保護(hù)

整定方法:

①差動(dòng)電流低設(shè)定值Idiff-

按躲過(guò)2.5倍的穩(wěn)態(tài)線路充電電流(對(duì)地電容電流)Ic;

不小于15%線路正常運(yùn)行額定電流;

設(shè)定的下限不應(yīng)小于10%的滿量程電流(被保護(hù)線路兩側(cè)電流互感器中一次側(cè)電流較大者)。

式中，Ic為線路充電電流，A;Us為系統(tǒng)額定電壓，kV;fs為系統(tǒng)頻率，Hz;C'op為電容(nF/km);L為2個(gè)變電

所之間的線路距離，可取平均值。整定公式:

動(dòng)作時(shí)限:0 s

②差動(dòng)電流高設(shè)定值Idiff+

按線路正常運(yùn)行額定電流，但不應(yīng)小于該線路4倍的充電電流。

整定公式:

動(dòng)作時(shí)限:0 s

上述差動(dòng)保護(hù)整定方法依據(jù)西門子7SD610差動(dòng)繼電器的保護(hù)原理而定，不同廠家的繼電器的保護(hù)原理可能有所區(qū)別，需按照繼電器手冊(cè)調(diào)整相應(yīng)的整定方法。

(2)定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)

整定方法:

①對(duì)于末端變電所，按本所負(fù)荷電流整定。

整定公式:

式中:S1…Sn為單臺(tái)變壓器容量，Kk=1.2，Kgh=1.2，Kf=0.9;

動(dòng)作時(shí)限:躲過(guò)饋線過(guò)流時(shí)限，按t=t1+Δt(t1為饋線動(dòng)作時(shí)限，Δt=300 ms)。

②對(duì)于中間變電所，按本所負(fù)荷電流與下一級(jí)變電所進(jìn)線電流I'dzj之和整定。

整定公式:

式中:Kk=1.2，Kfh=1.2，Kf=0.9，Idzj'為下一級(jí)變電所進(jìn)線過(guò)流定值。

動(dòng)作時(shí)限:與本所出線相同，比上一級(jí)出線動(dòng)作時(shí)限減少Δt(Δt=250～300 ms)。

(3)零序電流保護(hù)

整定方法:

①對(duì)于末端變電所，取末端變電所分段母線上的饋線零序保護(hù)定值Im中最大者乘以配合系數(shù)1.2，作為末端變電所進(jìn)線定值。

整定公式:

式中，Im為末端變電所饋線零序定值最大者。

②對(duì)于中間變電所，出線定值乘以配合系數(shù)1.2即為本所的進(jìn)線定值。

整定公式:

式中，Idzj'為本變電所出線零序定值。

動(dòng)作時(shí)限:與本所出線相同;比上一級(jí)出線動(dòng)作時(shí)限減少Δt(Δt=250～300 ms)。

2.5.4 出線

(1)差動(dòng)保護(hù)

整定方法和整定公式:同進(jìn)線，全線相同

(2)定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)

整定方法和整定公式:與下一級(jí)變電所進(jìn)線定值相同。

動(dòng)作時(shí)限:與本所進(jìn)線相同;比下一級(jí)變電所的進(jìn)線動(dòng)作時(shí)限增加Δt(Δt=250～300 ms)。

在越區(qū)供電的運(yùn)行方式下，仍需按照躲過(guò)該運(yùn)行方式下最大的負(fù)荷電流整定，以保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性。

(3)零序電流保護(hù)

整定方法:按下一級(jí)變電所進(jìn)線零序定值Idzj'的1.2倍與所間充電電流Ic之和整定。

整定公式:

式中，Idzj'為下一級(jí)變電所進(jìn)線定值，

動(dòng)作時(shí)限:下一級(jí)變電所進(jìn)線零序電流動(dòng)作時(shí)限增加 Δt(Δt=250～300 ms)。

進(jìn)線與出線的零流保護(hù)尚需根據(jù)系統(tǒng)單相接地電流大小做相應(yīng)調(diào)整，避免保護(hù)整定值偏小，使得作為后備保護(hù)的零序電流保護(hù)先于線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，影響保護(hù)的選擇性。

2.5.5 母聯(lián)

(1)延時(shí)速斷保護(hù)

整定方法:按35 kV母線二相短路電流，保護(hù)靈敏系數(shù)不小于2整定。

整定公式:

式中，靈敏系數(shù)Lm=2;nl為母聯(lián)流互變比。

動(dòng)作時(shí)限:600 ms(躲過(guò)加速過(guò)流時(shí)限300 ms)

(2)零序電流保護(hù)

整定方法:按35 kV環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)單相接地短路電流為1 000 A，保護(hù)靈敏系數(shù)不小于2整定，全線相同。

整定公式:

式中，靈敏系數(shù)Lm=2，nl為母聯(lián)流互變比。

(3)加速過(guò)流保護(hù)

整定方法和整定公式:電流動(dòng)作值與延時(shí)速斷保護(hù)相同，動(dòng)作時(shí)限小于延時(shí)速斷。

動(dòng)作時(shí)限:300 ms。

按照上述原則進(jìn)行繼電保護(hù)的配置與整定計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了單體設(shè)備與中壓環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性、選擇性、速動(dòng)性與靈敏性的優(yōu)化配置，從而保證了整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

上海地鐵9號(hào)線于2007年開(kāi)通運(yùn)行，至今運(yùn)行正常，結(jié)合設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，對(duì)城市軌道交通的整定原則和整定計(jì)算方法進(jìn)行了探討，針對(duì)城市軌道交通供電特有的主接線與運(yùn)行方式給出了相應(yīng)的整定計(jì)算公式和時(shí)限的配合，尋求繼電保護(hù)“四性”的最佳匹配。當(dāng)然，繼電保護(hù)的配置及整定計(jì)算與具體工程的供電系統(tǒng)方案密切相關(guān)，在進(jìn)行不同的城市軌道交通項(xiàng)目中，變電所在整定計(jì)算時(shí)要考慮該項(xiàng)目具體的系統(tǒng)方案、主接線、運(yùn)行方式、實(shí)際運(yùn)行的負(fù)荷大小等因素。另外，在設(shè)備投入運(yùn)行后，繼電保護(hù)整定值還將隨著實(shí)際負(fù)荷的變化和系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變而有所調(diào)整。

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

［2]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［3]DGJ08—109—2004 城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范［S].上海:2004.

［4]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).GB/T14285—2006 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程［S].北京:2006.