張開波
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地下鐵道設(shè)計研究院,四川成都 610031)
在國內(nèi)城市軌道交通工程供電系統(tǒng)的設(shè)計中,中壓供電網(wǎng)絡(luò)(10 kV / 20 kV / 33 kV / 35 kV)基本上均采用了分區(qū)環(huán)網(wǎng)方案,多座變電所組成 1 個供電分區(qū),每個供電分區(qū)中的 1 座變電所直接從主變電所(或開閉所)的 2 段母線分別引入 1 回電源,其他變電所采用環(huán)接方式接入,開環(huán)方式運行,典型的方案如圖 1 所示。
由于線路大部分位于市區(qū),站間距較小。分區(qū)環(huán)網(wǎng)采用的保護(hù)配置方案,需滿足保護(hù)靈敏性、選擇性、速動性、可靠性等方面的要求。上海明珠線 10 kV 及目前部分新建城市軌道交通工程的中壓環(huán)網(wǎng)保護(hù),采用了數(shù)字通信方式的電流選跳或其他后加速電流保護(hù)方案。但大多數(shù)城市軌道交通工程的中壓環(huán)網(wǎng)保護(hù)方案配置中,考慮到技術(shù)的成熟性和可靠性,一般仍采用光纖縱聯(lián)差動保護(hù)作為環(huán)網(wǎng)電纜的主保護(hù),同時采用常規(guī)的過電流保護(hù)作為后備保護(hù)。
圖1 典型城市軌道交通工程供電系統(tǒng)示意圖
本文對中壓環(huán)網(wǎng)保護(hù)中的后備過電流保護(hù)整定在實際應(yīng)用中存在的一些問題進(jìn)行分析,供大家探討。
系統(tǒng)設(shè)計是以運營需求為導(dǎo)向的,城市軌道交通最基本的運營需求是:安全、快捷、準(zhǔn)時地將乘客送至目的地。
供電系統(tǒng)的高可靠性是保證運營需求的最基本條件。在保證安全的前提下,不間斷地為城市軌道交通各相關(guān)機(jī)電系統(tǒng)提供電源;如果供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障,應(yīng)在最短時間內(nèi)及時恢復(fù)系統(tǒng)的供電,盡量減少對線路正常運營的影響。
在之前的工程中,對于供電系統(tǒng)本身的安全性和可靠性考慮較多,而對于系統(tǒng)或整個城市軌道交通工程的可用性指標(biāo)考慮較少,而現(xiàn)在的設(shè)計理念是:真正能為用戶帶來價值的是系統(tǒng)的可用性。
可用性A(t)定義為:系統(tǒng)在使用過程中,可以正常使用的時間與總時間之比。它包含了系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、可管理性和可維護(hù)性。可用性好意味著給用戶帶來更多的正常使用時間,把故障后的不可用時間降到最低限度。
式(1)中:MTBF為平均無故障工作時間;MTTR為平均修復(fù)時間。
因此,在供電系統(tǒng)的設(shè)計中,不僅需設(shè)置各種保護(hù)裝置來保證運行安全,出現(xiàn)故障時能盡快地切除和隔離故障,同時也應(yīng)考慮故障區(qū)隔離后能盡快地恢復(fù)非故障區(qū)的供電,即保護(hù)配置及參數(shù)整定應(yīng)能保障正常供電方式下的運行安全,同時也需適應(yīng)各種供電方式的切換需求。
在工程應(yīng)用中,較多保護(hù)參數(shù)的設(shè)置僅從各供電方式穩(wěn)定運行后進(jìn)行詳細(xì)的計算和考慮,其參數(shù)設(shè)置能滿足各供電方式穩(wěn)定運行后的需求,但沒有深入考慮各種供電方式在切換過程中,各項參數(shù)的設(shè)置是否合理的問題,即沒有結(jié)合整個城市軌道交通工程運營后各種情況下的實際需求進(jìn)行綜合考慮。
以下以某實際工程為例進(jìn)行分析,從影響過電流保護(hù)裝置參數(shù)設(shè)置的方面考慮,供電系統(tǒng)有以下幾種運行方式。
以圖 1 為例,供電系統(tǒng)運行分式有以下幾種情況。
(1)方式 A:2 座主變電所正常運行,設(shè)置于華西壩站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開。
(2)方式 B:皂角樹主變電所故障退出,設(shè)置于華西壩站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合,由火車南站主變電所向全線 1、2 級負(fù)荷供電。
(3)方式 C:火車南站主變電所故障退出,設(shè)置于華西壩站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合,由皂角樹主變電所向全線 1、2 級負(fù)荷供電。
過電流保護(hù)參數(shù)的設(shè)置原則為:
(1)動作電流應(yīng)躲過線路的最大過負(fù)荷電流;
(2)動作靈敏系數(shù)≥1.5,按照保護(hù)線路末端最小兩相短路電流校驗。
過電流保護(hù)的參數(shù)設(shè)置主要有 2 個,一個是動作電流值Id,另一個是動作延時參數(shù)Td。對應(yīng)不同的運行方式,為實現(xiàn)保護(hù)動作的選擇性,一般會對應(yīng)不同的參數(shù)。
因此,圖 1 中第 3、第 4 供電分區(qū)作為主變電所之間的聯(lián)絡(luò)供電分區(qū),對應(yīng)供電運行方式 A、B、C 分別有3 組保護(hù)參數(shù)設(shè)定值。
以圖 1 中錦江賓館站的 35 kV 進(jìn)線環(huán)網(wǎng)開關(guān)常規(guī)過電流保護(hù)參數(shù)設(shè)置為例進(jìn)行說明。表 1 為進(jìn)線開關(guān)過電流保護(hù)設(shè)置,其中進(jìn)、出線開關(guān)的區(qū)別以正常供電方式 A 下的功率潮流方向進(jìn)行區(qū)別,電流互感器變比均為 600/1。
表1 進(jìn)線開關(guān)過電流保護(hù)設(shè)置
對應(yīng)方式 A,其保護(hù)參數(shù)的設(shè)定值僅需考慮本站及華西壩站范圍內(nèi)的最大負(fù)荷電流;時限配合關(guān)系僅需考慮華西壩站到皂角樹主變電所。因此,其動作電流整定值較小,為 0.15 A。
對應(yīng)方式 B,其保護(hù)參數(shù)的設(shè)定值需考慮天府廣場站一直到車輛段變電所范圍內(nèi)的最大負(fù)荷電流;時限配合關(guān)系需考慮從車輛段變電所開始至火車南站主變電所。因此,其保護(hù)動作電流整定值較大,為 1.08 A。
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對應(yīng)方式 C,其保護(hù)參數(shù)的設(shè)定值需考慮本站一直到世紀(jì)城站變電所范圍內(nèi)的最大負(fù)荷電流;時限配合關(guān)系需考慮從世紀(jì)城變電所開始至皂角樹主變電所。因此,其動作電流整定值最大,為 1.45 A。
針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū),以上常規(guī)的 3 組過電流保護(hù)參數(shù)設(shè)定值就每一種供電方式而言都沒有問題,均能很好地滿足各種運行方式下的靈敏性和選擇性的需求。但其沒有深入考慮城市軌道交通運營的實際需求,即將這 3 種供電運行方式割裂開來,沒有考慮故障后相互間的切換過程對于實際工程運營的影響程度。
(1)如果先停電,分別切換各環(huán)網(wǎng)開關(guān)過電流保護(hù)裝置的整定值后,再改變供電系統(tǒng)的運行方式,以上3 組設(shè)定值均沒有問題。但存在停電時間太長、對于線路正常運營的影響程度太大的缺點。
(2)如果為實現(xiàn)故障后的快速恢復(fù)供電的需求,需先及時改變供電系統(tǒng)的運行方式,后切換環(huán)網(wǎng)開關(guān)過電流保護(hù)裝置的整定值,以上常規(guī) 3 組保護(hù)設(shè)定值就會有一定問題。
以表 1 進(jìn)線開關(guān)過電流保護(hù)設(shè)置為例,對應(yīng)供電方式 A 的動作電流整定值為 0.15 A;對應(yīng)供電方式 C 的動作電流整定值為 1.45 A,2 種方式下的電流整定值差別較大。如果供電運行方式從方式 A 改變到 C 時,先改變供電運行方式,即先切換環(huán)網(wǎng)開關(guān),后切換對應(yīng)環(huán)網(wǎng)開關(guān)過電流保護(hù)裝置的整定值,供電方式 C 正常情況下的負(fù)荷電流就可能會導(dǎo)致該變電所的環(huán)網(wǎng)進(jìn)、出線開關(guān)出現(xiàn)保護(hù)裝置的過電流保護(hù)動作,導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)開關(guān)跳閘,從而出現(xiàn)保護(hù)整定值不合理而導(dǎo)致供電運行方式切換失敗。同樣的問題也會出現(xiàn)在從供電運行方式 A 改變到方式 B 時。
在實際運營中,如出現(xiàn)主變電所故障退出運行(不考慮其 35 kV 母線同時故障)的事件,即會出現(xiàn)供電運行方式 B 或 C 的情況,到底是應(yīng)該先改變供電運行方式,還是先切換保護(hù)裝置的整定值,以火車南站主變電所故障退出的情況為例進(jìn)行詳細(xì)分析,同理也適用于皂角樹主變電所故障退出的情況。
在火車南站主變電所故障退出的情況下,華西壩站環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)處于斷開狀態(tài),南段的省體育館站、倪家橋站、桐梓林站、火車南站、火車南站主變電所、高新站、行政中心站、孵化園站、海洋公園站,還包括控制中心各變電所全部失電。該情況下,相關(guān)站點所有的 1、2、3 級負(fù)荷電源全部失電。其中部分特別重要的負(fù)荷僅能靠配置的蓄電池、不間斷電源(UPS)、應(yīng)急電源(EPS)設(shè)施繼續(xù)供電,根據(jù)相關(guān)規(guī)范,其后備時間分別為 0.5 h、1 h 和 2 h 不等。如果在線路正常載客運營期間出現(xiàn)該故障,則在該區(qū)段內(nèi)運行的所有列車均停在原地,終止運行,有的列車可能在車站,而大部分的列車可能是在區(qū)間隧道內(nèi)。為保證列車上乘客的安全和情緒的穩(wěn)定,僅能靠列車上的蓄電池組供電保持車輛通風(fēng)、照明等設(shè)施的工作。由于負(fù)荷較大及列車上條件的限制,該蓄電池組的后備時間也極為有限,同時大量列車在線路上停運的時間太長,也可能會給列車上的乘客帶來恐慌,導(dǎo)致一些不可預(yù)知的后果。特別是在早晚運營高峰期,在城市軌道交通線網(wǎng)運營有大量換乘客流的情況下,1 條線路的運營中斷故障也會嚴(yán)重影響其他線路的正常運營。
因此,由于 1 個主變電所正常供電的范圍較大,一旦出現(xiàn)類似這種近一半運營線路失電停運的情況時,重中之重是通過及時改變供電系統(tǒng)的運行方式,盡快恢復(fù)系統(tǒng)供電,保證相關(guān)車站設(shè)備及運營列車重新獲得電源,盡量減少對運營的影響。
如果出現(xiàn)主變電所故障退出,在改變供電運行方式時,為避免出現(xiàn)保護(hù)裝置誤動作,必須先切換保護(hù)整定值。對應(yīng)圖 1 的供電系統(tǒng)圖,如火車南站主變電所故障退出,必須先切換皂角樹主變電所、騾馬市站、天府廣場站、錦江賓館站、華西壩站、省體育館站、倪家橋站、桐梓林站、火車南站、火車南站主變電所的一共涉及 10 個變電所的多個環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線開關(guān)的保護(hù)整定值,然后再對環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)和 2 個主變電所與聯(lián)絡(luò)分區(qū)相關(guān)的幾個開關(guān)進(jìn)行操作,這種方法需要的時間太長,在目前沒有更好的技術(shù)手段支撐的情況下,對運營的影響太大。
其耗時較長的原因分析如下。
(1)如果在各變電所開關(guān)柜現(xiàn)場對保護(hù)整定值進(jìn)行切換。在變電所內(nèi)開關(guān)柜現(xiàn)場由專業(yè)人員切換保護(hù)整定值,時間短且可靠性高。但由于目前城市軌道交通各類變電所均考慮為無人值班模式,在該模式下,如果考慮到市區(qū)內(nèi)經(jīng)常的堵車現(xiàn)象,專業(yè)人員在故障發(fā)生后立即趕到每個變電所現(xiàn)場的時間是很不確定的,而且有 10 個變電所的保護(hù)整定值需要切換,都需要到現(xiàn)場進(jìn)行操作。在所有整定值切換完成后,再考慮其對應(yīng)環(huán)網(wǎng)開關(guān)的倒閘操作,其時間可能遠(yuǎn)在 30 min 以上。
(2)如果在控制中心對保護(hù)整定值進(jìn)行切換。由于對保護(hù)裝置整定值的切換是一個比較慎重的工作,如切換錯誤,可能出現(xiàn)事故范圍擴(kuò)大或?qū)υO(shè)備運行的安全帶來其他不利影響,其安全可靠性及最終執(zhí)行完成時間的長短還需要后續(xù)項目進(jìn)行專項試驗驗證。目前各工程項目在控制中心基本沒有采用程控卡片來一次性實現(xiàn)所有開關(guān)的整定值切換。保護(hù)整定值的切換有一個指令發(fā)出和確認(rèn)的過程,如需在控制中心通過通信指令完成涉及 10 個變電所多個環(huán)網(wǎng)開關(guān)的過電流保護(hù)整定值的切換,然后再考慮環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)和 2 個主變電所與聯(lián)絡(luò)分區(qū)相關(guān)的出線開關(guān)的倒閘操作,其耗時應(yīng)該也遠(yuǎn)在20 min 以上。
根據(jù)以上分析,無論是在各變電所開關(guān)柜現(xiàn)場還是在控制中心執(zhí)行該保護(hù)整定值切換的操作內(nèi)容,其導(dǎo)致運營線路停電的范圍太廣,時間也均較長,應(yīng)該都是實際城市軌道交通運營中不易接受的后果。
針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū),在過電流保護(hù)參數(shù)的設(shè)置中,在保證運行安全的前提下,應(yīng)滿足保護(hù)功能具備的情況下,在最短的時間內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)供電的運營需求。即滿足先改變供電系統(tǒng)的運行方式,再擇機(jī)進(jìn)行相關(guān)的整定值組切換,其過電流保護(hù)參數(shù)的設(shè)置應(yīng)能適應(yīng)在供電方式的改變過程中、在沒有環(huán)網(wǎng)故障出現(xiàn)的情況下,不能出現(xiàn)過電流保護(hù)誤動作;如果在切換過程中環(huán)網(wǎng)又出現(xiàn)故障的情況下,也能及時地保護(hù)跳閘。因此,需對目前過電流保護(hù)的整定值進(jìn)行修正,以滿足城市軌道交通實際運營的各種需求。
針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū),在原保護(hù)參數(shù)設(shè)定原則的基礎(chǔ)上,進(jìn)行適當(dāng)修改:
(1)保護(hù)裝置的動作電流應(yīng)同時躲過各種供電運行方式下(包括運行方式切換過程中)線路的最大過負(fù)荷電流;
(2)保護(hù)裝置的靈敏系數(shù)≥1.5,按照保護(hù)線路末端最小兩相短路電流校驗。
(1)各種供電運行方式下動作電流值Id的整定:對應(yīng)方式 A、B、C,動作電流值Id的整定值分別為Id(A)、Id(B)、Id(C)。
(2)各種供電運行方式下的動作靈敏度校驗:對應(yīng)方式 A、B、C,線路末端最小兩相短路電流分別為Id2(A)、Id2(B)、Id2(C);其動作靈敏度系數(shù)分別為K(A)、K(B)、K(C)。通過計算和校驗,需滿足各種供電運行方式下的動作靈敏度系數(shù)均≥1.5。
(3)保護(hù)定值設(shè)置。由于各種供電運行方式下保護(hù)動作的靈敏度系數(shù)校驗均≥1.5,滿足工程需求,因此,動作電流值Id的整定值取值可修訂為:
其動作靈敏度系數(shù)實際為:
以錦江賓館站的 35 kV 進(jìn)線開關(guān)整定值為例:
即:在滿足保護(hù)靈敏度的前提下,對應(yīng) 3 種供電運行方式,其動作電流整定值可設(shè)置為一致,取 3 種供電運行方式中動作電流的最大值,其選擇性由對應(yīng)不同供電運行方式下的不同時間動作延時參數(shù)Td實現(xiàn)。
針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū),由于對應(yīng)不同的供電運行方式,為保證保護(hù)動作的選擇性,其動作延時整定值差別較大,應(yīng)根據(jù)各種具體的供電方式分別整定。
以錦江賓館站的 35 kV 環(huán)網(wǎng)進(jìn)線開關(guān)整定值為例,最終的過電流保護(hù)整定值修改見表 2。
這種整定模式下,在各種故障情況下改變供電系統(tǒng)的運行方式,當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷電流正常時,均不會出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)過電流保護(hù)的誤動作。
表2 進(jìn)線開關(guān)過電流保護(hù)設(shè)置修訂表
但在主變電所故障退出的情況下,如果該聯(lián)絡(luò)分區(qū)的環(huán)網(wǎng)電纜上同時又出現(xiàn)故障,或者該聯(lián)絡(luò)分區(qū)的35 kV 開關(guān)母線同時又出現(xiàn)故障的情況下,由于保護(hù)整定值涉及的延時時間還沒有及時進(jìn)行切換,此時會犧牲一定的選擇性。但在系統(tǒng)的設(shè)計中一般不考慮雙重故障的情況,因此,這種極端情況可以不考慮;或者說在盡快恢復(fù)城市軌道交通工程的供電系統(tǒng)供電、保證線路正常運營為首要考慮因素的前提下,需接受這種在雙重故障情況下犧牲一定選擇性的條件。
通過以上分析及調(diào)整,針對聯(lián)絡(luò)供電分區(qū),該調(diào)整后的過電流保護(hù)整定方式不僅能滿足正常供電運行方式下的靈敏性和選擇性需求,也能在主變電所故障退出時,滿足供電運行方式的切換,能直接合閘環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān),最大限度地滿足盡快恢復(fù)整個城市軌道交通工程系統(tǒng)供電的運營需求,即先改變供電運行方式,后根據(jù)運營情況擇機(jī)切換環(huán)網(wǎng)開關(guān)的保護(hù)定值,以滿足城市軌道交通“以人為本”的設(shè)計理念。