● 廣州地鐵集團(tuán)有限公司 陳 艷

地鐵供電系統(tǒng)由中壓供電系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)及動(dòng)力照明信號(hào)供電系統(tǒng)構(gòu)成，其電能取自于城市電網(wǎng)。其中，動(dòng)力照明信號(hào)系統(tǒng)是保障地鐵正常可靠運(yùn)行的重要系統(tǒng)之一，為地鐵各類機(jī)電設(shè)備供電，包括車站及車輛段等轄區(qū)的照明、通風(fēng)空調(diào)、各類水泵以及各類大型機(jī)械。其供電方式是通過35/0.4kV或33/0.4kV動(dòng)力變壓器將35kV或33kV（以下簡(jiǎn)稱“中壓”）變換為0.4kV（以下簡(jiǎn)稱“低壓”）供給下層一、二、三類負(fù)荷。在運(yùn)行中，如果中壓饋線開關(guān)與低壓進(jìn)線開關(guān)存在繼電保護(hù)整定值上下級(jí)不匹配的問題，在發(fā)生負(fù)荷側(cè)的短路故障，或者由于隧道風(fēng)機(jī)、冷機(jī)等啟動(dòng)電流較大的負(fù)荷同時(shí)啟動(dòng)導(dǎo)致電流達(dá)到保護(hù)整定值時(shí)，將造成越級(jí)跳閘擴(kuò)大故障范圍的情況。實(shí)際上，由于中壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備供應(yīng)商往往不是同一家，所以極易忽視上下級(jí)繼電保護(hù)整定值的匹配問題。

1 繼電保護(hù)在匹配方面存在的問題

某地鐵變電所有2臺(tái)干式動(dòng)力變壓器，額定容量均為315kVA，短路阻抗百分?jǐn)?shù)均為6%。目前，33kV饋線開關(guān)設(shè)置的保護(hù)主要有電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)，其保護(hù)范圍為動(dòng)力變壓器的高低壓側(cè)，主要保護(hù)動(dòng)力變壓器短路、接地故障等。低壓進(jìn)線開關(guān)設(shè)置的保護(hù)有短路瞬時(shí)保護(hù)、短延時(shí)保護(hù)和長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)，其保護(hù)范圍為下級(jí)電機(jī)等負(fù)荷的短路故障等，整定值設(shè)置需躲過其啟動(dòng)電流最大值。電流速斷保護(hù)與短路瞬時(shí)保護(hù)需要匹配，過電流保護(hù)與短延時(shí)保護(hù)也需要匹配，現(xiàn)場(chǎng)整定值如表1所示。

表1 某地鐵變電所主要類型保護(hù)整定值

由表1可見，電流速斷保護(hù)與短路瞬時(shí)保護(hù)在電流值和延時(shí)時(shí)間都能較好地配合，而過電流保護(hù)與短延時(shí)保護(hù)無法配合，在電流值上會(huì)存在越級(jí)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)短路電流上升到866～2880A之間，短路電流持續(xù)時(shí)間超過0.35s時(shí)，33kV饋線開關(guān)的過電流保護(hù)將會(huì)動(dòng)作跳閘，而0.4kV進(jìn)線開關(guān)不會(huì)動(dòng)作，造成一段越級(jí)跳閘，跳閘后若0.4kV母聯(lián)自投投入，將導(dǎo)致另一段也越級(jí)跳閘，最終將導(dǎo)致整個(gè)變電所0.4kVⅠ段和Ⅱ段都失壓的后果。

2 繼電保護(hù)定值理論計(jì)算方法

2.1 中壓饋線開關(guān)保護(hù)整定

2.1.1 電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)是動(dòng)力變壓器高壓繞組、引出線套管以及饋線中壓電纜相間故障的主保護(hù)。需躲過變壓器0.4kV出口三相短路故障，同時(shí)需躲過變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流，一般勵(lì)磁涌流為5～10In，二者取大者為整定值。保護(hù)靈敏系數(shù)不小于2.0，時(shí)限T=0.1～0.2s。按躲過動(dòng)力變壓器低壓側(cè)三相短路的短路電流整定，即最大運(yùn)行方式下，變壓器低壓側(cè)三相短路時(shí)，流過高壓側(cè)（保護(hù)安裝處）的短路電流。忽略上一級(jí)系統(tǒng)短路阻抗，最大三相短路電流見式（1）：

式中：In1為高壓側(cè)額定電流，Uk%為阻抗電壓百分?jǐn)?shù)。整定值見式（2）：

式中：Krel為可靠系數(shù)，用于電流速斷保護(hù)時(shí)，一般取1.2或 1.5。

按躲過動(dòng)力變壓器勵(lì)磁涌流整定，整定值見式（3）：

式中：Kx為勵(lì)磁涌流系數(shù)，一般取5～10。

取Io1和Io2兩者的最大值為整定值Io。

保護(hù)裝置的靈敏度系數(shù)，按最小運(yùn)行方式下，變壓器高壓側(cè)發(fā)生兩相短路時(shí)，流過高壓側(cè)（保護(hù)裝置安裝處）的超瞬態(tài)電流校驗(yàn)。

最小運(yùn)行方式下網(wǎng)架示意圖如圖1所示，該方式下，忽略上一級(jí)系統(tǒng)短路阻抗，計(jì)算高壓側(cè)兩相短路電流需要考慮110kV主變壓器和中壓環(huán)網(wǎng)電纜的等效電抗。

動(dòng)力變壓器高壓側(cè)發(fā)生三相短路時(shí)，流過高壓側(cè)的兩相短路電流見式（4）：

式中：xb為主變壓器的等效電抗，x1為中壓環(huán)網(wǎng)電纜的等效電抗。

圖1 最小運(yùn)行方式下網(wǎng)架示意圖

靈敏度系數(shù)：

當(dāng)靈敏度系數(shù)＞2，表明整定值滿足靈敏度校驗(yàn)。

2.1.2 過電流保護(hù)

過電流保護(hù)按躲過變壓器最大負(fù)荷電流整定，動(dòng)作時(shí)間與變壓器低壓側(cè)進(jìn)線開關(guān)動(dòng)作時(shí)間相配合。時(shí)限T=T0.4kV+0.1s。

整定值見式（6）：

保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)，按最小運(yùn)行方式下，變壓器低壓側(cè)發(fā)生兩相短路時(shí)，流過高壓側(cè)（保護(hù)裝置安裝處）的穩(wěn)態(tài)電流校驗(yàn)。

靈敏度系數(shù)：

當(dāng)靈敏度系數(shù)＞1.5，表明整定值滿足靈敏度校驗(yàn)。

2.2 低壓進(jìn)線開關(guān)保護(hù)整定

2.2.1 短路瞬時(shí)保護(hù)

按變壓器低壓側(cè)三相短路整定，與高壓側(cè)和低壓饋線保護(hù)配合，瞬時(shí)短路定值需低于變壓器高壓側(cè)電流速斷保護(hù)整定值，計(jì)算時(shí)以靈敏度基準(zhǔn)，同時(shí)考慮與饋線的配合，時(shí)限 T=0～0.1s。

按0.4kV母線發(fā)生兩相短路電流，保護(hù)的靈敏度系數(shù)大于或等于2進(jìn)行整定。

兩相短路電流見式（9）

在中國(guó)跨境電商的發(fā)展過程中，由于其涉及的環(huán)節(jié)較多，在每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的退換貨情況，而跨境物流周期長(zhǎng)，在其中隱藏存在多種風(fēng)險(xiǎn)，貨品的丟失、 海關(guān)和商檢的風(fēng)險(xiǎn)、錯(cuò)誤的配送地址等問題，大大制約了退貨和換貨。再者，在中國(guó)跨境物流中缺乏完善的退貨通道，難以實(shí)現(xiàn)退換貨。

式中：In2為低壓側(cè)額定電流，Uk%為阻抗電壓百分?jǐn)?shù)。整定值見式（10）：

式中：ksen≥2。

2.2.2 短延時(shí)保護(hù)

與高壓側(cè)和低壓饋線保護(hù)配合，大于或等于饋線回路中最大整定值的 1.3 倍，時(shí)限 T=0.25～0.4s。

整定值見式（11）：

式中：m為過電流倍數(shù)，一般可取2～5；Krel為可靠系數(shù)，一般可取 1.3。

同時(shí)考慮與低壓饋線保護(hù)的配合，則

式中：Isdk為低壓饋線保護(hù)定值，Isdk應(yīng)躲過設(shè)備最大啟動(dòng)電流，整定值見式（13）：

式中：Krel為可靠系數(shù)，一般可取1.3；Ipk為設(shè)備最大啟動(dòng)電流。

2.3 整定電流匹配系數(shù)

整定電流匹配系數(shù)是指中壓饋線開關(guān)與低壓進(jìn)線開關(guān)需相互匹配的保護(hù)整定電流的比值。

對(duì)中壓開關(guān)的電流速斷保護(hù)和低壓開關(guān)的短路瞬時(shí)保護(hù)，整定電流匹配系數(shù)：

對(duì)中壓開關(guān)的過電流保護(hù)和低壓開關(guān)的短延時(shí)保護(hù)，整定電流匹配系數(shù)：

可見，為避免低壓開關(guān)保護(hù)需動(dòng)作的情況下拒動(dòng)而中壓保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，θ必須大于1。因此，θ可用于表示中壓饋線開關(guān)保護(hù)與低壓進(jìn)線開關(guān)保護(hù)的匹配情況。

3 算例分析

根據(jù)以上理論計(jì)算方法，對(duì)某地鐵變電所中壓饋線開關(guān)與低壓進(jìn)線開關(guān)的繼電保護(hù)定值進(jìn)行計(jì)算，并將理論計(jì)算結(jié)果與原有情況進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

綜合對(duì)比電流速斷保護(hù)和短路瞬時(shí)保護(hù)可見，理論計(jì)算相對(duì)原有配置情況來說，短路瞬時(shí)保護(hù)的靈敏度、33kV饋線開關(guān)與0.4kV進(jìn)線開關(guān)上下級(jí)匹配程度較高（θ=2.77）。 但是，現(xiàn)有配置情況同樣符合匹配要求（θ=1.44＞1），因此尚可不用更改原有定值。

綜合對(duì)比過電流保護(hù)和短延時(shí)保護(hù)可見，原有情況33kV饋線開關(guān)與0.4kV進(jìn)線開關(guān)保護(hù)定值不匹配（θ=0.3），需要進(jìn)行更改。過電流保護(hù)和短延時(shí)保護(hù)定值可按照理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行更改。

表2 某地鐵變電所繼電保護(hù)定值原有情況與理論計(jì)算對(duì)比

4 結(jié)束語

本文闡述了某地鐵變電所33kV饋線開關(guān)和0.4kV進(jìn)線開關(guān)主要繼電保護(hù)類型的現(xiàn)有配置情況和存在的匹配問題；探討了電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、短路瞬時(shí)保護(hù)和短延時(shí)保護(hù)的理論計(jì)算方法，并提出整定電流匹配系數(shù)用于表示中壓饋線開關(guān)保護(hù)與低壓進(jìn)線開關(guān)保護(hù)的匹配情況；對(duì)某地鐵變電所中壓饋線開關(guān)與低壓進(jìn)線開關(guān)的繼電保護(hù)定值進(jìn)行計(jì)算，并將理論計(jì)算結(jié)果與原有情況進(jìn)行對(duì)比，提出整改建議。