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        地鐵低壓配電系統(tǒng)中保護(hù)配合問題分析

        2014-05-28 11:05:20
        電氣化鐵道 2014年5期
        關(guān)鍵詞:整定值母聯(lián)低壓配電

        魏 昕

        0 引言

        地鐵車站低壓配電系統(tǒng)承擔(dān)了為車站及兩端各半個(gè)區(qū)間的動(dòng)力照明設(shè)備提供電能的重要任務(wù),并保證動(dòng)力照明設(shè)備配電的安全、可靠。一般通過設(shè)置過流保護(hù)斷路器實(shí)現(xiàn)線路的短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)以及接地故障保護(hù),從而防止因間接接觸帶電體而導(dǎo)致人身電擊或線路故障導(dǎo)致過熱造成損壞甚至火災(zāi)等情況的發(fā)生,斷路器的保護(hù)整定是低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)。

        由于地鐵低壓配電系統(tǒng)自身的一些特點(diǎn),如斷路器設(shè)置級(jí)數(shù)較多、用電負(fù)荷種類多且相對(duì)集中、受中壓環(huán)網(wǎng)整定值的限制等情況,造成斷路器級(jí)間配合以及整定值的選取困難。而且地鐵項(xiàng)目的整定問題涉及專業(yè)較多(供電系統(tǒng)專業(yè)、降壓變電所專業(yè)、車站動(dòng)力照明專業(yè)等),往往由多家不同設(shè)計(jì)單位承擔(dān),協(xié)調(diào)工作量大且難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)上述情況,本文將對(duì)地鐵低壓配電系統(tǒng)中各級(jí)斷路器的保護(hù)配合及整定原則進(jìn)行分析、討論。

        1 地鐵低壓配電系統(tǒng)

        地鐵低壓配電系統(tǒng)包括降壓變電所和動(dòng)力照明配電系統(tǒng)2 部分,系統(tǒng)主接線如圖1所示。

        降壓變電所將中壓電源經(jīng)配電變壓器降為低 壓AC 380 / 220 V后,供軌道交通沿線車站的動(dòng)力、照明設(shè)備使用。降壓變電所0.4 kV 側(cè)采用單母線分段接線方式,設(shè)0.4 kV 母聯(lián)斷路器,母聯(lián)設(shè)置備用電源手動(dòng)/自動(dòng)投入裝置。并根據(jù)需要設(shè)置照明及三級(jí)負(fù)荷小母線,便于火災(zāi)工況下切除非消防負(fù)荷回路。正常運(yùn)行方式下,母聯(lián)斷路器處于斷開狀態(tài);當(dāng)一路進(jìn)線電源失電時(shí),母聯(lián)投入,另一路進(jìn)線電源帶全部一二級(jí)負(fù)荷。0.4 kV 側(cè)接地方式采用TN-S 制。

        為提高供電可靠性,地鐵低壓配電系統(tǒng)采用放射式為主、樹干式為輔的配電原則。機(jī)電設(shè)備及照明用電負(fù)荷按其不同的用途和重要性分為一、二、三級(jí)負(fù)荷。對(duì)于不同等級(jí)的用電負(fù)荷,其配電方式也不同。

        2 斷路器整定時(shí)的選擇性要求

        當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)發(fā)生非正常過電流時(shí),保護(hù)設(shè)置應(yīng)盡可能快速切除故障,并盡可能把故障范圍縮減到最小。為滿足保護(hù)的選擇性要求,上下級(jí)斷路器的過流保護(hù)整定應(yīng)滿足以下要求:

        (1)若上下級(jí)都采用非選擇型斷路器,該配合無(wú)法保證選擇性,應(yīng)盡量加大上下級(jí)斷路器之間整定電流的級(jí)差。

        (2)若上下級(jí)都采用選擇型斷路器,只要上級(jí)斷路器的短延時(shí)大于下級(jí)斷路器的短延時(shí),即滿足式(1),就可保證兩級(jí)之間的選擇性。

        式中,tsd、t′sd分別為上下級(jí)斷路器短延時(shí)動(dòng)作時(shí)間整定值,Isd、I′sd分別為上下級(jí)斷路器短延時(shí)電流整定值;Δt 為時(shí)間級(jí)差,一般取0.1 s,1.2 為可靠系數(shù)。

        若延時(shí)時(shí)間上無(wú)法配置級(jí)差,則上級(jí)斷路器的短延時(shí)過電流整定值要與下級(jí)斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定值相配合,即

        式中,I′i為下級(jí)開關(guān)瞬時(shí)保護(hù)電流整定值。

        圖1 地鐵低壓配電系統(tǒng)主接線圖

        同時(shí),上級(jí)斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定值Ii還應(yīng)躲過下級(jí)斷路器安裝處的最大三相短路電流。

        (3)若上級(jí)采用選擇型斷路器,下級(jí)為非選擇型斷路器,且瞬時(shí)短路保護(hù)能夠保護(hù)線路全長(zhǎng),只要進(jìn)行正確整定,即可保證選擇性;若下級(jí)斷路器的瞬時(shí)短路保護(hù)無(wú)法保護(hù)線路全長(zhǎng),由長(zhǎng)延時(shí)作后備保護(hù)時(shí),上級(jí)斷路器的短延時(shí)過電流整定值也要與下級(jí)斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定值相配合。

        3 影響整定的因素

        低壓斷路器的整定計(jì)算及保護(hù)配合并不復(fù)雜,但在工程實(shí)際中,以下因素對(duì)整定過程有影響:

        (1)配電變壓器(下文簡(jiǎn)稱配電變)高壓側(cè)開關(guān)整定值。配電變高壓側(cè)開關(guān)主要保護(hù)配電變及由開關(guān)柜母線引至配電變的電纜,0.4 kV 進(jìn)線斷路器作為其下級(jí)開關(guān),必須考慮兩者之間的保護(hù)配合。在低壓斷路器的整定過程中,動(dòng)作整定值一般從負(fù)荷端至電源端逐級(jí)整定,而時(shí)間整定值從電源端向負(fù)荷端進(jìn)行考慮,最后就可能造成0.4 kV 進(jìn)線斷路器整定值與配電變高壓側(cè)整定值不匹配。

        (2)涉及專業(yè)多。除了與高壓側(cè)的配合,地鐵低壓配電系統(tǒng)又分為降壓變電所和車站動(dòng)力照明2 個(gè)專業(yè),在進(jìn)行整定時(shí),各專業(yè)之間相互提資、相互影響,配合工作量大。而且各專業(yè)往往由不同的設(shè)計(jì)單位承擔(dān),也為工作協(xié)調(diào)帶來了不便。

        (3)保護(hù)配合級(jí)數(shù)多。地鐵低壓配電系統(tǒng)中低壓斷路器設(shè)置級(jí)數(shù)較多且相對(duì)集中,如0.4 kV進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)、0.4 kV饋線開關(guān)、部分配電箱(柜)電源開關(guān)等,各級(jí)斷路器之間都滿足選擇性是非常困難的。

        4 保護(hù)配合問題分析

        一般來說,上下級(jí)斷路器保護(hù)應(yīng)具有選擇性,從而滿足快速查找故障點(diǎn)、及時(shí)維修和恢復(fù)供電的管理要求,下面就結(jié)合整定工作中遇到的普遍性問題逐級(jí)進(jìn)行分析。

        (1)0.4 kV 進(jìn)線斷路器與配電變高壓側(cè)的保護(hù)配合。配電變高壓側(cè)一般設(shè)速斷、定時(shí)限過流、反時(shí)限過負(fù)荷、零序等過流保護(hù),而0.4 kV 進(jìn)線一般設(shè)長(zhǎng)延時(shí)和短延時(shí)過流保護(hù),其中短延時(shí)整定值要與高壓側(cè)定時(shí)限過流整定值相配合,長(zhǎng)延時(shí)整定值要與高壓側(cè)反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)相配合。整定時(shí)需注意:

        a.目前地鐵中配電變均采用D,yn11 接線,D,yn11 接線變壓器低壓側(cè)發(fā)生不同形式短路時(shí),高壓側(cè)電流的分布情況如表1所示。

        表1 D,yn11 接線變壓器高壓側(cè)各相短路電流分布情況表

        由表1可見,無(wú)論低壓側(cè)發(fā)生何種短路故障,高壓側(cè)均有故障電流流過,因此要滿足選擇性,高壓側(cè)定時(shí)限過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間宜大于0.4 kV 進(jìn)線短延時(shí)過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。若前者動(dòng)作時(shí)間小于后者,則故障時(shí)高壓側(cè)開關(guān)先于低壓側(cè)跳閘,0.4 kV母聯(lián)因無(wú)法檢測(cè)到故障跳閘信號(hào)而自投到故障線路上,這是不合理的。若受條件限制,將兩者動(dòng)作時(shí)間調(diào)成一樣也是可行的,兩開關(guān)同時(shí)跳閘不會(huì)擴(kuò)大故障影響范圍,也避免了上述情況的發(fā)生。

        b.不少設(shè)計(jì)中對(duì)0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間參數(shù)的整定多按照經(jīng)驗(yàn)值,忽視了與高壓側(cè)反時(shí)限過電流保護(hù)的配合,可能會(huì)導(dǎo)致配電變高壓側(cè)開關(guān)先于0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)動(dòng)作。對(duì)于該問題,只需根據(jù)高壓側(cè)反時(shí)限動(dòng)作特性曲線,調(diào)整0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)長(zhǎng)延時(shí)的時(shí)間參數(shù),使0.4 kV 側(cè)動(dòng)作曲線靠近并低于高壓側(cè)反時(shí)限曲線,從而既保證開關(guān)選擇性,又使配電變?nèi)萘康玫匠浞掷谩?/p>

        c.0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)短延時(shí)電流整定值不宜過大。若0.4 kV 進(jìn)線短延時(shí)電流整定值過高,高壓側(cè)斷路器定時(shí)限過電流保護(hù)整定值也被迫提高,既降低了保護(hù)本身的靈敏度,也使高壓側(cè)反時(shí)限過電流保護(hù)范圍擴(kuò)大,為了與配電變過載曲線相匹配,反時(shí)限曲線必然被拉低,從而使變壓器容量得不到充分利用。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)短延時(shí)整定值不宜超過配電變壓器額定電流的3 倍。

        (2)0.4 kV 進(jìn)線、母聯(lián)與饋線斷路器之間的保護(hù)配合。若0.4 kV 饋出線短路故障造成進(jìn)線斷路器誤動(dòng)作,勢(shì)必造成故障范圍擴(kuò)大,因此它們之間的選擇性是非常重要的。

        目前,0.4 kV 進(jìn)線、母聯(lián)斷路器均采用選擇型斷路器,而0.4 kV 饋線斷路器中選擇型和非選擇型均有采用,選擇型斷路器與非選擇型斷路器之間的保護(hù)配合是比較容易實(shí)現(xiàn)的,而選擇型斷路器之間的配合主要體現(xiàn)在短延時(shí)的整定上,且應(yīng)盡量滿足式(1)的整定要求。建議短延時(shí)動(dòng)作時(shí)間按如下整定:0.4 kV 進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器分別設(shè)為0.4 s 和0.3 s,而0.4 kV 饋線斷路器整定值不超過0.2 s,這樣在整定計(jì)算時(shí)將很容易實(shí)現(xiàn)上下級(jí)之間的選擇性。同時(shí)要求配電變高壓側(cè)開關(guān)的定時(shí)限過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不小于0.4 s,一般來說,中壓環(huán)網(wǎng)對(duì)配電變高壓側(cè)開關(guān)進(jìn)行整定時(shí)要滿足這一要求并不難。若0.4 kV 進(jìn)線斷路器還配置了接地故障保護(hù),由于整定值較低,其動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于 0.4 kV 饋線開關(guān)中短延時(shí)或接地故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的最大值。

        0.4 kV 進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器和各饋出線斷路器均安裝在低壓開關(guān)柜內(nèi),連接母排長(zhǎng)度較短,為保證選擇性,0.4 kV 進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器不宜設(shè)瞬時(shí)保護(hù)。目前進(jìn)線、母聯(lián)斷路器均采用框架式,而饋線開關(guān)一般采用塑殼式,在有條件保證選擇性的情況下,如利用斷路器的能量選擇性,進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器可在一處設(shè)置瞬時(shí)保護(hù)裝置,若進(jìn)線斷路器設(shè)瞬時(shí)保護(hù)裝置,可保證母線故障時(shí)進(jìn)線斷路器迅速動(dòng)作;母聯(lián)斷路器設(shè)瞬時(shí)保護(hù)裝置,主要是考慮當(dāng)母聯(lián)自投到故障線路上時(shí),母聯(lián)斷路器迅速跳閘。

        三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)位于進(jìn)線開關(guān)與三級(jí)負(fù)荷回路饋線開關(guān)之間,保護(hù)范圍小且上下級(jí)配合困難,短延時(shí)(若設(shè))時(shí)間設(shè)定值可與下級(jí)饋線開關(guān)中短延時(shí)最大動(dòng)作時(shí)間一致,電流整定值可在滿足保護(hù)靈敏度要求的情況下取較大值,盡量保證與上下級(jí)開關(guān)的選擇性。

        (3)0.4 kV 饋線斷路器與下一級(jí)開關(guān)的保護(hù)配合。0.4 kV 低壓開關(guān)柜的饋出開關(guān)和下一級(jí)開關(guān)是否考慮保護(hù)的選擇性,與低壓配電形式有關(guān),分2 種情況進(jìn)行討論:

        a.若0.4 kV 饋線對(duì)應(yīng)配電箱(柜)的進(jìn)線開關(guān)為負(fù)荷開關(guān),則其下一級(jí)開關(guān)為配電箱出線回路開關(guān),應(yīng)按照選擇性的原則進(jìn)行整定。有新建工程設(shè)計(jì)中,0.4 kV 饋線開關(guān)全部采用選擇型斷路器,該設(shè)計(jì)方便與下級(jí)開關(guān)的配合,但增大了投入成本。

        b.由于地鐵運(yùn)營(yíng)管理的需要,環(huán)控進(jìn)線柜、冷水機(jī)組電源箱等設(shè)備的進(jìn)線開關(guān)一般采用斷路器,該情況下若考慮0.4 kV 饋線開關(guān)與下一級(jí)電源開關(guān)的選擇性,往往比較困難。尤其是當(dāng)回路容量較大時(shí),0.4 kV 饋線開關(guān)與下一級(jí)電源開關(guān)均設(shè)短延時(shí)作為短路保護(hù),在動(dòng)作時(shí)間無(wú)法配置級(jí)差的情況下,為保證選擇性,整定值需滿足式(2),這就造成短延時(shí)整定值過大。如某地下車站,配電變?nèi)萘繛? 250 kV·A,按上述原則整定,0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)短延時(shí)整定值達(dá)到9 000 A,高壓側(cè)保護(hù)很難與之配合。

        考慮到以上配電回路均采用放射式,即0.4 kV低壓開關(guān)柜饋出開關(guān)與下級(jí)電源開關(guān)是一對(duì)一的關(guān)系,即使發(fā)生越級(jí)或上下級(jí)同時(shí)跳閘的情況,故障影響范圍也并沒有擴(kuò)大。建議對(duì)于該情況,可不考慮上下級(jí)的保護(hù)選擇性,只要將上下級(jí)斷路器之間電流整定值稍微拉開。而且過于強(qiáng)調(diào)與下級(jí)電源開關(guān)的級(jí)聯(lián)關(guān)系也會(huì)相應(yīng)地增大饋出電纜的截面,造成資金浪費(fèi)。此外在今后的低壓配電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí),可考慮在配電箱(柜)電源進(jìn)線處統(tǒng)一采用負(fù)荷開關(guān),從根本上解決該問題。

        5 結(jié)論

        在低壓斷路器過流保護(hù)整定過程中,上下級(jí)配合是必須要考慮的問題,同時(shí)也為斷路器的整定工作帶來一些困難。通過對(duì)地鐵低壓配電系統(tǒng)中各級(jí)斷路器的配合問題進(jìn)行逐級(jí)分析,提出了以下觀點(diǎn)和建議,可供今后的工程設(shè)計(jì)參考。

        (1)0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)短延時(shí)電流整定值不宜過大,建議不超過配電變壓器額定電流的3 倍,且動(dòng)作時(shí)限不應(yīng)大于高壓側(cè)定時(shí)限過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限。

        (2)為保證選擇性,0.4 kV 進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、饋線斷路器(若設(shè))的短延時(shí)動(dòng)作時(shí)限應(yīng)設(shè)置級(jí)差,可分別設(shè)為0.4、0.3 和0.2 s。

        (3)0.4 kV 進(jìn)線、母聯(lián)斷路器不宜設(shè)瞬時(shí)保護(hù)裝置,當(dāng)有條件滿足選擇性時(shí),可在其中一處設(shè)置。

        (4)為方便保護(hù)配合,0.4 kV 饋線開關(guān)可全部采用選擇型斷路器。

        (5)在不擴(kuò)大故障影響范圍的情況下,0.4 kV饋線斷路器整定時(shí)可不優(yōu)先考慮與下一級(jí)電源開關(guān)(斷路器)的保護(hù)選擇性,只要將上下級(jí)斷路器的電流整定值稍微拉開。并建議用負(fù)荷開關(guān)代替該級(jí)斷路器。

        [1]工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.

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

        [3]麻洪儒,譚敦生,等.配電變壓器過流保護(hù)配置分析及完善[J].繼電器,2002,30(10):66-68.

        [4]王剛.配電變壓器低壓側(cè)斷路器的選擇與整定[J].電氣應(yīng)用,2008,27(15):31-33.

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