孫利杰
(廈門軌道交通集團有限公司,福建 廈門361000)
地鐵電力系統(tǒng)是地鐵安全運營的基礎,要求供配電安全可靠,同時,由于運營中采用大量自動運行監(jiān)控系統(tǒng),對于電能質(zhì)量要求高,還要考慮長期使用的經(jīng)濟性。但地鐵電力系統(tǒng)結構復雜,供配電設備眾多,運行情況變動大,因此受到外界供電系統(tǒng)影響和地鐵運營客流的變化,都可能造成各種不同的故障和不正常運行狀態(tài)。在地鐵供配電系統(tǒng)運行最常見的故障中,對供電系統(tǒng)危害最大的是各種形式的短路,它有可能引起整個供電網(wǎng)絡的崩潰,造成巨大的經(jīng)濟損失和不良社會影響。為此,地鐵供電系統(tǒng)設置了復雜高效的繼電保護設備。為實現(xiàn)遠程集中調(diào)試控制,還設置了電力設備遠程監(jiān)控系統(tǒng),以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的分層控制和集中調(diào)試,確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行。
地下車站35kV主接線形式采用單母線分段運行的方式,正常時兩進線分別為2臺變壓器獨立供電,母聯(lián)開關在自投位置,2臺回路分列運行,同時供電。任意一進線發(fā)生故障停電時,進線開關在保護裝置的控制下動作跳開,母聯(lián)開關自動投入使用,保證全所在一路進線有電的情況下能夠承載全站一、二級負荷。35kV采用交聯(lián)聚乙烯電纜輸電,電纜敷設在上下行隧道間隔墻的電纜支架上。35kV供電系統(tǒng)的中性點接地設置110/35kV主所內(nèi),自接地變壓器的中性點引出經(jīng)過接地電阻接地,其中接地變壓器兼所用電變壓器。
圖1為標準站變電所接線方式,其中,QF1、QF2為2路主進線開關,QF4、QF5為2路出線開關,QF3為母聯(lián)開關。QS為三工位隔離接地開關,F(xiàn)V為防雷保護器。交流開關柜選擇可靠性高、體積小的SF6氣體絕緣金屬封閉開關柜(GIS),斷路器采用真空斷路器。
圖1 標準站變電所接線方式
35kV繼電保護必須滿足可靠性、選擇性、靈敏性、速動性要求,同時在設計上還應采用簡單高效的配置。35kV進線開關的繼電保護有線路差動保護、過電流保護、零序電流保護,其中35kV進線電纜主保護采用光纖縱差保護,后備保護由上級的階段式電流保護完成。
單一測量點的繼電保護系統(tǒng)不可能進行精確的距離保護,特別是本線路末端和下級線路的始端,如同時采集本線路始末端的數(shù)據(jù),再進行對比分析,就可以區(qū)分出是保護區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障,從而實現(xiàn)速動性和選擇性。此種保護必須在保護區(qū)的始末端安裝相同的采樣檢測裝置,同時還要將兩側數(shù)據(jù)進行傳送,存在著縱向的信息聯(lián)系,保護裝置據(jù)此進行對比分析,才能進行正確的判斷。
縱聯(lián)保護所利用通道有4種:導引線縱聯(lián)保護、電力線載波縱聯(lián)保護、微波縱聯(lián)保護、光纖縱聯(lián)保護。光纖保護通道采用專用的光纖線路,與輸電線之間完全獨立,當電力系統(tǒng)發(fā)生任何故障時,都不會對光纖通道的信息傳輸造成干擾。光纖通道帶寬很大,可以讓信息的傳送更快速及時,能夠容納更多的信息量,可以實現(xiàn)兩側電流波形的對比,使保護裝置的判斷更加準確。
縱聯(lián)電流差動保護通過設置在線路始末端的檢測器,同時采集本側電流的波形和相位,通過光纖通道分別傳送到對側保護裝置,每側的保護裝置根據(jù)本側和對側的數(shù)據(jù)進行對比分析,判斷出是保護區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障。保護裝置判斷的依據(jù)不是已設定的電流定值、延時時間、電流方向等,而是根據(jù)基爾霍夫電流定律:∑I·=0,流入1個節(jié)點電流向量和等于0。這類保護在每側都直接比較兩側的電氣量,類似于差動保護,因此稱為差動縱聯(lián)保護。其有良好的選擇性,能靈敏、快速地切除保護區(qū)內(nèi)的故障。為了保證差動算法的正確性,保護必須比較同一時刻兩端電流值,這要求線路兩端對各電流數(shù)據(jù)進行同步處理,要保證2個異地時鐘的統(tǒng)一與同步,常用數(shù)據(jù)通道同步方法與全球定位系統(tǒng)GPS同步時鐘同步方法。
根據(jù)基爾霍夫電流定律,在正常運行時,流入被保護的線路的電流等于流出的電流,而在線路內(nèi)部發(fā)生短路故障時,兩側保護裝置將會檢測到不同電流,這個差值就是內(nèi)部的故障電流。電流互感器存在一定的誤差和飽和,當被保護線路流過保護區(qū)外的短路電流時,兩側保護裝置會產(chǎn)生較大的不平衡電流,可能引起誤動作。為防止這種情況的發(fā)生,一般縱聯(lián)電流差動保護都帶有比率制動特性,動作特性如圖2所示。
圖2 動作特性
四線段比率差動的動作方程如下:
可以看出,縱差保護動作特性由四線段組成。這種動作特性的優(yōu)點是:在區(qū)內(nèi)故障電流小時,它具有較高的動作靈敏度;而在區(qū)外故障時,它具有較強的躲過暫態(tài)不平衡差流的能力。
動作邏輯如圖3所示。從長期的運行經(jīng)驗可知,合理設置保護的各定值,圖2所示的動作特性可以完全滿足保護的靈敏度及可靠性要求。
圖3 動作邏輯
差動保護設置“TA斷線監(jiān)視”功能,正常運行過程中,若差電流長時間存在不返回,則TA斷線動作閉鎖差動保護,防止再發(fā)生區(qū)外故障時差動保護誤動。
進線柜差動保護定值如表1所示。
表1 進線柜差動保護定值
設在保護區(qū)內(nèi),即進線線路上發(fā)生單相對地短路,35kV系統(tǒng)接地采用經(jīng)過接地變壓器初級線圈中性點經(jīng)小電阻接地,參數(shù)計算如下:
(1)接地變壓器的阻抗:(
2)線路阻抗:
輸電線路電阻忽略不計,線路阻抗為0.04Ω/km。
式中,X0為每千米線路阻抗值(Ω/km);L為線路長度(km)。
(3)接地電阻:
接地變和線路阻抗遠小于固定的接地電阻,所以接地短路電阻以100Ω計。
式中,UK(%)為變壓器短路電壓百分值,取6.09;UN為變壓器的額定電壓,取35kV;SN為變壓器容量,取500kVA。
代入公式計算:
由以上分析可知,進線差動保護對負荷電流和外部短路電流不反應,只反應被保護線路兩電流互感器之間電氣設備故障時的短路電流,因此進線差動保護不必和其他保護在時限上配合,可瞬時動作。
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