楊超華 余海斌

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，200070，上海//第一作者,工程師)

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》[1]，城市軌道交通的降壓變電所一般設(shè)有兩臺降壓變壓器，當(dāng)一臺變壓器退出運行時另一臺變壓器應(yīng)能負(fù)擔(dān)供電范圍內(nèi)的遠(yuǎn)期一、二級負(fù)荷。大部分城市軌道交通在開通試運營前會進(jìn)行消防聯(lián)動試驗，試驗過程中,經(jīng)常發(fā)生由于400 V總進(jìn)線開關(guān)保護(hù)動作，導(dǎo)致整個降壓變電所退出運行的情況，此時防排煙風(fēng)機(jī)等無應(yīng)急電源的消防設(shè)備將全部停止工作。上述情況若發(fā)生在運營期間，后果將不堪設(shè)想。本文通過分析降壓變電所的下級負(fù)荷特點以及繼電保護(hù)設(shè)置，搭建測試模型分析發(fā)生上述情況的原因，并提出解決方案，以確保城市軌道交通降壓變電所的供電能力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 降壓變電所的下級負(fù)荷特性分析

城市軌道交通降壓變電所的下級負(fù)荷按其對供電可靠性的要求一般分為一級負(fù)荷、二級負(fù)荷、三級負(fù)荷。各級負(fù)荷所包含的機(jī)電設(shè)備如表1所示。其中:信號、通信、綜合監(jiān)控等弱電系統(tǒng)設(shè)備,以及照明、自動扶梯、站臺門等車站機(jī)電設(shè)施設(shè)備正常運行時的負(fù)載電流不足以引起400 V總進(jìn)線開關(guān)保護(hù)動作；只有通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的部分防排煙風(fēng)機(jī)的功率會大于75 kW，且一旦發(fā)生火災(zāi)這些風(fēng)機(jī)會通過旁路直接啟動，啟動電流往往是額定電流的4～7倍。若多臺防排煙風(fēng)機(jī)的啟動電流波形疊加,可能會超過400 V總進(jìn)線開關(guān)保護(hù)的整定值。

表1 降壓變電所的下級負(fù)荷統(tǒng)計表

2 降壓變電所的繼電保護(hù)設(shè)置

城市軌道交通降壓變電所的400 V總進(jìn)線開關(guān)一般設(shè)有短路瞬動保護(hù)、短路短延時保護(hù)、過負(fù)荷長延時保護(hù)、接地保護(hù)，這些保護(hù)的整定原則如下：

(1) 短路瞬動保護(hù):①整定值接近本段線路末段的最大短路電流，以保證流過本段線路的電流不超過電纜能承受的極限；②應(yīng)考慮與上、下級開關(guān)的短路瞬動保護(hù)之間的選擇性配合。

(2) 短路短延時保護(hù):①整定值大于或等于降壓變電所400 V饋線回路中斷路器最大短路瞬動保護(hù)整定值的1.2～1.3倍，并考慮一定的時限；②應(yīng)考慮與上、下級開關(guān)的短路短延時保護(hù)之間的選擇性配合；③短路短延時保護(hù)作為短路瞬動保護(hù)拒動時的后備保護(hù)，保護(hù)范圍一般覆蓋被保護(hù)線路全長。

(3) 過負(fù)荷長延時保護(hù):①整定值接近降壓變壓器低壓側(cè)的額定電流，并考慮一定的時限；②整定值還應(yīng)躲過最大負(fù)荷的啟動尖峰電流及其余負(fù)荷的工作電流；③應(yīng)考慮與上、下級開關(guān)的過負(fù)荷長延時保護(hù)之間的選擇性配合；④過負(fù)荷長延時保護(hù)作為本段線路主保護(hù)拒動時的近后備保護(hù)以及下級保護(hù)拒動或斷路器拒動時的遠(yuǎn)后備保護(hù)。

(4) 接地保護(hù):①整定值應(yīng)能保證本段線路發(fā)生任何非金屬性接地短路時都能準(zhǔn)確動作，保證靈敏度；②整定值應(yīng)躲過正常工況下最大三相不平衡電流以及在發(fā)生相間短路故障時產(chǎn)生的最大不平衡電流。

上述保護(hù)中,短路瞬動保護(hù)、短路短延時保護(hù)、接地保護(hù)一般在短路故障時動作，消防聯(lián)動試驗過程中一般無短路故障，故可以排除。根據(jù)上文分析，在消防聯(lián)動時，大功率防排煙風(fēng)機(jī)設(shè)備同時啟動可能會引起過負(fù)荷長延時保護(hù)動作，為避免這種情況發(fā)生，過負(fù)荷長延時保護(hù)的整定值應(yīng)躲過最大負(fù)荷的啟動尖峰電流及其余負(fù)荷的工作電流。但是,當(dāng)多臺大功率防排煙風(fēng)機(jī)設(shè)備同時啟動時，可能會超過過負(fù)荷長延時保護(hù)整定值的極限，此時還需要考慮其他措施。本文將搭建測試模型并以實際案例進(jìn)行分析說明。

3 降壓變電所供電能力測試的模型

3.1 測試模型

正常情況下，降壓變電所的最大負(fù)荷出現(xiàn)在夏季，此時車站空調(diào)制冷及水系統(tǒng)設(shè)備投入運行，該情況假定為模型A。災(zāi)害工況下，降壓變電所的最大負(fù)荷一般出現(xiàn)在站臺公共區(qū)火災(zāi)模式或區(qū)間火災(zāi)模式時，此時可能會有多臺隧道風(fēng)機(jī)以及排熱風(fēng)機(jī)同時啟動，該情況假定為模型B。與模型B相比,模型A的下級負(fù)載設(shè)備更多，設(shè)備啟動后的負(fù)載電流更大；但由于模型A的所有下級負(fù)載均正常啟動，且大功率設(shè)備有軟啟動、變頻等措施降低啟動電流，故模型A的啟動電流遠(yuǎn)小于模型B。

綜上所述，降壓變電所供電能力測試的模型建議為：降壓變電所的一臺變壓器退出運行，與此同時觸發(fā)站臺公共區(qū)火災(zāi)模式或區(qū)間火災(zāi)模式，以此考驗降壓變電所的極限供電能力。

3.2 測試流程

(1) 在降壓變電所選擇一個400 V進(jìn)線回路，停電后在該回路的開關(guān)柜內(nèi)安裝測試儀器；

(2) 調(diào)整供電方式，即一臺降壓變壓器帶全站一、二級負(fù)荷；

(3) 檢查環(huán)控設(shè)備初始狀態(tài)后，觸發(fā)站臺火災(zāi)模式或區(qū)間火災(zāi)模式，在車控室通過環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)或綜合監(jiān)控系統(tǒng)觀察火災(zāi)模式的執(zhí)行情況；

(4) 記錄400 V進(jìn)線處電流波形，同時觀察是否有跳閘情況。

4 案例分析及解決方案

4.1 案例分析

以某城市軌道交通消防聯(lián)調(diào)試驗的實際情況為例，該車站的降壓變壓器容量為1 000 kVA,隧道風(fēng)機(jī)容量為132 kW,排熱風(fēng)機(jī)容量為37 kW；執(zhí)行站臺公共區(qū)火災(zāi)模式時會有4臺隧道風(fēng)機(jī)、2臺排熱風(fēng)機(jī)同時啟動。車站的主要繼電保護(hù)設(shè)置如表2所示。

表2 某車站繼電保護(hù)參數(shù)統(tǒng)計表

該車站單臺隧道風(fēng)機(jī)的工頻啟動電流峰值約為1 520 A，是額定電流的7倍左右，啟動電流持續(xù)時間約為4 s(如圖1所示)。400 V總進(jìn)線處第1段波形的電流峰值約為4 300 A,持續(xù)時間約為5 s；第二段波形的電流峰值約為1 644 A,持續(xù)時間約為2 s；第三段波形的電流峰值約為2 412 A、持續(xù)時間約為4 s(如圖2所示)。三段啟動電流波形與400 V進(jìn)線開關(guān)的繼電保護(hù)整定值相比較可以發(fā)現(xiàn),不會引起保護(hù)動作。

由于防排煙風(fēng)機(jī)對應(yīng)的風(fēng)閥開啟時間存在隨機(jī)性，導(dǎo)致了防排煙風(fēng)機(jī)的啟動時間不一致，故出現(xiàn)圖2所示的三段啟動電流波形。如果三段啟動電流波形碰巧重疊，那么可能超過過負(fù)荷長延時保護(hù)或短路短延時保護(hù)整定值上限，此時還需要考慮其他措施。

圖1 隧道風(fēng)機(jī)啟動電流波形

圖2 400 V總進(jìn)線處電流波形

4.2 解決方案

(1) 過負(fù)荷長延時保護(hù)的整定值在保護(hù)變壓器的前提下盡可能躲過最大負(fù)荷的啟動尖峰電流及其余負(fù)荷的工作電流。

(2) 當(dāng)多臺大功率防排煙風(fēng)機(jī)設(shè)備同時啟動時，啟動尖峰電流及其余負(fù)荷的工作電流超過整定值極限，則可考慮通過環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對大功率防排煙風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行錯時啟動。

5 結(jié)語

城市軌道交通降壓變電所的供電能力是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求對今后運營至關(guān)重要,建議在消防聯(lián)動試驗時，考慮增加一臺降壓變壓器退出運行的工況，以充分驗證降壓變電所的供電能力。