上海轨道交通9号线变电所变压器开关的保护匹配

2010-07-05郭志

城市轨道交通研究 2010年5期

郭志

(上海轨道交通维护保障中心供电分公司,200233,上海∥工程师)

上海轨道交通9号线的整个供电系统是由主变电所和牵引、降压混合变电所等构成的主供电网络结构。主变电所通过110 k V电缆与地区供电系统的主变电所连接,并通过变电所内110/35 k V的主变压器为地铁供电系统提供电源。而在整个中压供电系统内,由35 k V环网电缆将电能送至各牵引、降压变电所,通过电力变压器给降压变电所提供400 V电源,用于站内的照明以及站厅和站台设备的正常工作电源。在牵引变电所内通过整流机组将35 k V变换为直流 1 500 V供给接触网线路,为地铁车辆提供运行所需电力。

1 继电保护的匹配问题

1.1 问题的引出

在继电保护的设置中,一般应保证在切除故障设备时,对系统其他正常运行设备的影响范围应尽量小。因此,继电保护最基本的匹配原则是保证装置动作的选择性。即在设备出现过电流的情况下,能够可靠地将故障设备断开,同时又能有效地保证其他设备的正常运行。上海轨道交通9号线开通试运行时,火灾、消防设备维护人员在对火灾事故工况进行模拟演练过程中,发现降压变电所的动力变压器35 k V开关在事故风机启动的情况下,继电保护装置的反时限过流动作导致该变电所的所有400 V设备失电。而保护装置的正确动作特性,应该是在事故风机出现负载过流情况下,所内400 V开关应能先于上级设备开关动作,从而避免降压变电所一侧母线全部失电而使设备风机在事故工况下无法正常启动的情况。

为此,笔者对该类情况进行了统计和梳理,对该类问题进行了相应的研究,并为此找出该问题的解决方案。

1.2 继电保护匹配问题分析

在供电系统设计的初始阶段,设计人员对9号线动力变压器400 V开关保护装置的型号无法确认,对400 V侧开关保护装置没有设置反时限保护。400 V开关保护装置PR112反时限L级[1]过载保护作为开关本体的一种框架保护,其保护动作具有反时限特性,并且动作延时时间较长,对系统负载变化的动作灵敏度较低。为此,针对变压器35 k V侧保护动作这一问题,对该类设备的匹配问题进行了详细的分析。

由于线路上的各降压变电所负载大小不同,各所变压器容量的配备也不相同,其范围从 1 000 kVA到315 kVA不等。因此,需要对各种容量变压器的高压侧和低压侧开关反时限保护进行计算,以找出产生该类问题的原因。

在动力变压器35 k V侧保护装置7SJ62的反时限过流曲线为IEC Normal曲线[2]。该曲线的计算公式如下:

式中:

t——保护装置的动作延时;

α——系数,0.02;

T——时间倍数整定;

K — —常数,0.14;

I——35 kV侧保护装置CT二次电流强度;

Ip——动作电流强度整定值。

根据式(1),可计算出在动力变压器35 kV侧开关反时限过电流保护装置的动作延时t。对于500 k VA的变压器,其35 kV侧CT(电流互感器)变比为100∶1 400,侧开关脱扣电流I e=800 A,CT的一次额定电流I n=1 000 A。35 k V侧反时限保护的设定值为:I p=0.13 A,T=0.5 s。

通过变压器高低压侧变比换算,得到400 V侧实际电流值相对于400 V开关脱扣电流I e=800 A的倍数与35 k V开关动作延时t的图形(见图1)。

图1 变压器35 k V进线开关反时限保护曲线

在上海轨道交通9号线试运行中,该容量变压器35 kV侧开关曾出现先于ABB 400 V开关保护动作的情况。因此笔者对400 V开关的反时限 L级保护进行计算。计算条件如下:开关的脱扣电流I e=800 A,CT的额定电流I n为1 000 A。

根据PR112P装置L级保护计算公式,在短路电流 If＜12In条件下:

式中:

t1——继电装置L级保护的设定时间;

C1——保护设定值参数。

在算例中,t1=12 s,C1=I e/I n=800/1 000=0.8。通过取不同的计算电流,利用式(2)的计算结果如图2。

图2 变压器400 V出线侧反时限保护曲线

结合以上变压器35 kV高压侧和400 V低压侧保护的动作特性,其动作对比图形曲线如图3所示。

从图3可以看出,在负载电流增大或动力变压器负载侧出现故障电流的情况下,变压器高压侧开关保护动作曲线较低压侧开关灵敏度高,两开关动作特性不匹配,无法满足继电保护选择性的要求[3]。

图3 反时限保护曲线特性对比

2 继电保护的匹配调整

根据以上的计算方法,对9号线供电系统的降压变电所继电保护装置的参数设定进行计算,发现在各类容量的变压器中,315～630 kVA容量范围的变压器均存在以上所述的开关动作特性不匹配情况。因此,需要对400 V侧保护装置的动作特性进行研究,以避免继电保护失去选择性。通过分析计算,采用400 V开关的S级保护(t=100 t2/C22,其中t2为继电装置S级保护的设定时间,C2=I f/I n)来与35 k V侧反时限保护曲线匹配。

对于500 kVA容量的变压器,该S级保护的设定参数t2=0.9。通过计算可以得到400 V侧保护曲线如图4所示。

将以上结果汇总,可以得到调整前、后400 V侧动作曲线和35 k V侧动作曲线的对比图形(见图5所示)。