鐘素梅

(深圳市地鐵運(yùn)營集團(tuán)有限公司,廣東 深圳518040)

0 引 言

國內(nèi)城軌交通35 kV供電系統(tǒng)通常采用小電阻接地方式,以降低大量使用環(huán)網(wǎng)電纜帶來的諸多不良影響,并越來越多地采用大分區(qū)接線方式,以節(jié)約35 kV環(huán)網(wǎng)電纜投資[1-3],上述因素使得城軌交通35 kV供電系統(tǒng)的零序電流保護(hù)有其特殊之處。另外,城軌交通35 kV供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)、整定涉及多家不同的設(shè)計(jì)、調(diào)度單位,給設(shè)計(jì)、整定配合工作帶來一定困難,因繼電保護(hù)整定、配置不當(dāng)而導(dǎo)致的事故擴(kuò)大偶有發(fā)生。該文采用對稱分量法進(jìn)行理論分析,并應(yīng)用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,提出可行建議,供同行參考。

1 35 kV供電系統(tǒng)的接地故障

表1 35 kV供電系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

表2 35 kV供電系統(tǒng)線路參數(shù)Table 2 Line parameter of 35 kV power system

圖1 35 kV供電系統(tǒng)簡化接線

圖2 35 kV母線A相接地故障復(fù)合序網(wǎng)

2 建模仿真

PSCAD/EMTDC作為電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件,可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的故障建模及故障仿真。通過PSCAD/EMTDC搭建模型對前節(jié)所述進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 一次系統(tǒng)模型

對于系統(tǒng)電源、主變、接地電阻、斷路器、故障類型,可直接選用PSCAD元件庫中的三相電壓源元件、3/5鐵芯柱UMEC變壓器元件、三相斷路元件器、三相故障元件并按其參數(shù)設(shè)置。

圖3 Z聯(lián)結(jié)接地變模型

由于零序電流通過Z聯(lián)結(jié)時,僅產(chǎn)生零序漏磁通,零序漏抗與鐵芯結(jié)構(gòu)無關(guān),選用單相雙繞組變壓器元件或單相雙繞組UMEC變壓器元件(考慮鐵芯尺寸,能表示相間耦合),仿真結(jié)果是相同的。值得注意的是,單相雙繞組變壓器元件無法設(shè)置直接零序漏抗,需通過搭建零序漏抗測量電路,調(diào)整正序漏抗設(shè)置,測得相符的零序漏抗值。

PSCAD元件庫中的電纜元件僅能直接設(shè)置敷設(shè)深度、電纜結(jié)構(gòu)等物理參數(shù),再通過物理參數(shù)計(jì)算出電氣參數(shù)。已知電纜的電氣參數(shù)時,選用PI線路段元件進(jìn)行建模更為方便。對于50 μs 仿真步長下長度小于15 km的線路,PI線路段元件能提供正確的工頻阻抗。

從表1可知,變電所之間的電纜長度不超過9 km,PI線路段元件能滿足電力系統(tǒng)故障穩(wěn)態(tài)的仿真要求。設(shè)置PI線路段元件的正序容抗、零序容抗參數(shù)時,應(yīng)計(jì)入變電所設(shè)備的容抗,對于35 kV變電所按容抗降低13%考慮。由于金屬屏蔽層的作用,35 kV單芯電纜的正序電容和零序電容是相同的。

2.2 二次系統(tǒng)模型

因城軌交通35 kV供電系統(tǒng)采用閉環(huán)接線、開環(huán)運(yùn)行,均是單側(cè)電源供電,故只需通過快速傅里葉變換元件對電流量進(jìn)行處理,獲得各序電流分量的工頻幅值,再與過電流檢測元件中的設(shè)定值進(jìn)行比較,若工頻幅值在指定的時間內(nèi)持續(xù)超出設(shè)定值,過電流檢測元件輸出為1,否則輸出為0。

2.3 單相接地故障仿真

對第1節(jié)所述進(jìn)行仿真驗(yàn)證,圖4～圖5所示為故障穩(wěn)態(tài)時xlm變電所接地電阻處電流與保護(hù)311～315處的三相電流、各序分量電流有效值,可以看出仿真波形與第1節(jié)分析相符。

圖4 線路311～315處的三相電流仿真波形

圖5 線路311～315處的各序分量電流仿真波形

由于電纜的分布電容難以忽略,母線并列運(yùn)行時,非故障線路保護(hù)處流過的電容電流會增大,圖6所示為保護(hù)312～315流過的最大電容電流。分別對xl、lxd、xd變電所母線A相接地故障進(jìn)行仿真,從圖7可以看出,由于接地變、接地電阻的零序阻抗較大,不同位置發(fā)生單相接地故障時,保護(hù)313處零序電流幅值不大且差異不大。

圖6 保護(hù)312～315流過的最大電容電流仿真波形

圖7 不同位置發(fā)生單相接地故障保護(hù)313處

3 零序電流保護(hù)

從第2節(jié)的仿真結(jié)果可知,由于在小電阻接地方式中,線路不同位置發(fā)生單相接地故障時,零序電流幅值不大且差異不大,無法通過電流定值的配合實(shí)現(xiàn)選擇性動作,為簡化整定可只配置一段線路零序電流保護(hù),通過動作時間的配合實(shí)現(xiàn)選擇性動作。由于非故障線路保護(hù)處也流經(jīng)零序電流,即分布電容形成的電容電流,線路零序電流保護(hù)應(yīng)可靠躲過線路的電容電流,對本線路單相接地故障有規(guī)定的靈敏度且與相鄰元件的零序電流保護(hù)配合,如表3所示。若按上述整定原則,保護(hù)整定值如表4所示。仿真xd變電所母線發(fā)生A相接地故障,各保護(hù)動作情況如圖8所示,保護(hù)313、xl303、lxd303滿足選擇性切除故障的要求,保護(hù)312、314、315未誤動作。

表3 線路零序電流保護(hù)整定原則

表4 線路零序電流保護(hù)整定值Table 4 Setting value for zero sequence current protection

注:圖中縱坐標(biāo)為開矢量,0為未動作,1為動作。

對于保護(hù)315,因被其保護(hù)線路的電容電流較大,導(dǎo)致電流定值整定得較大,對本線路末端故障的靈敏度剛剛滿足要求,但對下級線路故障的靈敏度不足,無法可靠作為下級線路的后備保護(hù)。城軌交通的電纜線路敷設(shè)環(huán)境并不如城市配電線路深入人員密集區(qū)域,受環(huán)境、人為等因素影響,常發(fā)生經(jīng)非理想導(dǎo)體的單相高阻接地故障,如導(dǎo)線跌落在草地、馬路、沙地、水塘等,過渡電阻在100 Ω以上甚至1 000 Ω[5-7],零序電流保護(hù)整定不必考慮經(jīng)過渡電阻接地故障。但城軌交通的電容電流較大,會導(dǎo)致保護(hù)靈敏度不足,故單相接地故障電流不宜太小,應(yīng)綜合考慮保護(hù)靈敏度、限制過電壓倍數(shù)、通信干擾等因素選取接地電阻值。

4 電流選跳保護(hù)

電流選跳保護(hù)通過數(shù)字通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置之間的信息傳遞、邏輯判斷,做到選擇性地快速切除故障。電流選跳保護(hù)的動作原理是上級保護(hù)在動作時間內(nèi)收到下級保護(hù)發(fā)送的閉鎖信號后閉鎖動作,否則在啟動條件達(dá)到動作時間后動作。

國內(nèi)某城軌交通35 kV供電系統(tǒng)采用電流選跳保護(hù),在一次變壓器電纜終端頭短路故障中發(fā)生保護(hù)誤動,導(dǎo)致事故擴(kuò)大。圖9為變壓器保護(hù)錄得波形,從上至下依次為三相電流、電壓。故障初期為C相接地故障,持續(xù)約5個周波后發(fā)展成BC相接地故障, BC相接地故障持續(xù)半個周波后,故障被切除。結(jié)合保護(hù)定值和SOE事件分析,故障電流使變壓器保護(hù)啟動,但其持續(xù)時間未達(dá)到保護(hù)動作時間(電流速斷保護(hù)0.1 s,零序電流保護(hù)0.3 s),上級變電所出線保護(hù)先于變壓器保護(hù)動作跳開斷路器。說明上級保護(hù)未被下級保護(hù)的信號閉鎖,保護(hù)通信與保護(hù)邏輯出現(xiàn)問題。應(yīng)用PSCAD軟件對該故障進(jìn)行仿真,圖10為變壓器保護(hù)301的仿真故障波形,與故障錄波相吻合,驗(yàn)證了上述分析。為保證電流選跳保護(hù)的可靠性,可采用GOOSE冗余雙網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并配置通信監(jiān)測措施;優(yōu)化保護(hù)動作原理,采用允許式動作邏輯[8]。

注:圖左側(cè)數(shù)據(jù)為幅值的最大值和最小值。

圖10 PSCAD仿真的故障波形

5 結(jié) 語

1)城軌交通電力電纜的敷設(shè)環(huán)境并不復(fù)雜,發(fā)生接地故障基本為金屬性故障,零序電流保護(hù)整定不必考慮過渡電阻。

2)為避免因零序電流保護(hù)躲線路電容電流整定而導(dǎo)致靈敏度不足的問題,對于有大分區(qū)接線方式或電纜長度較長的回路,單相接地故障電流(3I0)不宜過小,應(yīng)綜合考慮小電阻接地系統(tǒng)的接地電阻值,規(guī)范建議以5～30 Ω為宜。

3)受接地變零序電流保護(hù)動作時間的限制,即使縮短保護(hù)級差也無法滿足上下級保護(hù)的選擇性時,只能采用電流選跳保護(hù)。

4)為降低通信故障對電流選跳保護(hù)的影響,可采取配置通信網(wǎng)絡(luò)冗余及監(jiān)測與優(yōu)化保護(hù)動作邏輯的措施。