地铁低压配电系统中保护配合问题分析

2014-05-28魏昕

电气化铁道 2014年5期

魏昕

0 引言

地铁车站低压配电系统承担了为车站及两端各半个区间的动力照明设备提供电能的重要任务，并保证动力照明设备配电的安全、可靠。一般通过设置过流保护断路器实现线路的短路保护、过负荷保护以及接地故障保护，从而防止因间接接触带电体而导致人身电击或线路故障导致过热造成损坏甚至火灾等情况的发生，断路器的保护整定是低压配电系统设计中不可忽视的一个环节。

由于地铁低压配电系统自身的一些特点，如断路器设置级数较多、用电负荷种类多且相对集中、受中压环网整定值的限制等情况，造成断路器级间配合以及整定值的选取困难。而且地铁项目的整定问题涉及专业较多（供电系统专业、降压变电所专业、车站动力照明专业等），往往由多家不同设计单位承担，协调工作量大且难以统一标准。针对上述情况，本文将对地铁低压配电系统中各级断路器的保护配合及整定原则进行分析、讨论。

1 地铁低压配电系统

地铁低压配电系统包括降压变电所和动力照明配电系统2 部分，系统主接线如图1所示。

降压变电所将中压电源经配电变压器降为低压AC 380 / 220 V后，供轨道交通沿线车站的动力、照明设备使用。降压变电所0.4 kV 侧采用单母线分段接线方式，设0.4 kV 母联断路器，母联设置备用电源手动/自动投入装置。并根据需要设置照明及三级负荷小母线，便于火灾工况下切除非消防负荷回路。正常运行方式下，母联断路器处于断开状态；当一路进线电源失电时，母联投入，另一路进线电源带全部一二级负荷。0.4 kV 侧接地方式采用TN-S 制。

为提高供电可靠性，地铁低压配电系统采用放射式为主、树干式为辅的配电原则。机电设备及照明用电负荷按其不同的用途和重要性分为一、二、三级负荷。对于不同等级的用电负荷，其配电方式也不同。

2 断路器整定时的选择性要求

当低压配电系统发生非正常过电流时，保护设置应尽可能快速切除故障，并尽可能把故障范围缩减到最小。为满足保护的选择性要求，上下级断路器的过流保护整定应满足以下要求：

（1）若上下级都采用非选择型断路器，该配合无法保证选择性，应尽量加大上下级断路器之间整定电流的级差。

（2）若上下级都采用选择型断路器，只要上级断路器的短延时大于下级断路器的短延时，即满足式（1），就可保证两级之间的选择性。

式中，tsd、t′sd分别为上下级断路器短延时动作时间整定值，Isd、I′sd分别为上下级断路器短延时电流整定值；Δt 为时间级差，一般取0.1 s，1.2 为可靠系数。

若延时时间上无法配置级差，则上级断路器的短延时过电流整定值要与下级断路器的瞬时保护整定值相配合，即

式中，I′i为下级开关瞬时保护电流整定值。

图1 地铁低压配电系统主接线图

同时，上级断路器的瞬时保护整定值Ii还应躲过下级断路器安装处的最大三相短路电流。

（3）若上级采用选择型断路器，下级为非选择型断路器，且瞬时短路保护能够保护线路全长，只要进行正确整定，即可保证选择性；若下级断路器的瞬时短路保护无法保护线路全长，由长延时作后备保护时，上级断路器的短延时过电流整定值也要与下级断路器的瞬时保护整定值相配合。

3 影响整定的因素

低压断路器的整定计算及保护配合并不复杂，但在工程实际中，以下因素对整定过程有影响：

（1）配电变压器（下文简称配电变）高压侧开关整定值。配电变高压侧开关主要保护配电变及由开关柜母线引至配电变的电缆，0.4 kV 进线断路器作为其下级开关，必须考虑两者之间的保护配合。在低压断路器的整定过程中，动作整定值一般从负荷端至电源端逐级整定，而时间整定值从电源端向负荷端进行考虑，最后就可能造成0.4 kV 进线断路器整定值与配电变高压侧整定值不匹配。

（2）涉及专业多。除了与高压侧的配合，地铁低压配电系统又分为降压变电所和车站动力照明2 个专业，在进行整定时，各专业之间相互提资、相互影响，配合工作量大。而且各专业往往由不同的设计单位承担，也为工作协调带来了不便。

（3）保护配合级数多。地铁低压配电系统中低压断路器设置级数较多且相对集中，如0.4 kV进线断路器、母联断路器、三级负荷总开关、0.4 kV馈线开关、部分配电箱（柜）电源开关等，各级断路器之间都满足选择性是非常困难的。

4 保护配合问题分析

一般来说，上下级断路器保护应具有选择性，从而满足快速查找故障点、及时维修和恢复供电的管理要求，下面就结合整定工作中遇到的普遍性问题逐级进行分析。

（1）0.4 kV 进线断路器与配电变高压侧的保护配合。配电变高压侧一般设速断、定时限过流、反时限过负荷、零序等过流保护，而0.4 kV 进线一般设长延时和短延时过流保护，其中短延时整定值要与高压侧定时限过流整定值相配合，长延时整定值要与高压侧反时限过负荷保护相配合。整定时需注意：

a.目前地铁中配电变均采用D,yn11 接线，D,yn11 接线变压器低压侧发生不同形式短路时，高压侧电流的分布情况如表1所示。

表1 D,yn11 接线变压器高压侧各相短路电流分布情况表

由表1可见，无论低压侧发生何种短路故障，高压侧均有故障电流流过，因此要满足选择性，高压侧定时限过流保护动作时间宜大于0.4 kV 进线短延时过流保护动作时间。若前者动作时间小于后者，则故障时高压侧开关先于低压侧跳闸，0.4 kV母联因无法检测到故障跳闸信号而自投到故障线路上，这是不合理的。若受条件限制，将两者动作时间调成一样也是可行的，两开关同时跳闸不会扩大故障影响范围，也避免了上述情况的发生。

b.不少设计中对0.4 kV 进线开关长延时时间参数的整定多按照经验值，忽视了与高压侧反时限过电流保护的配合，可能会导致配电变高压侧开关先于0.4 kV 进线开关动作。对于该问题，只需根据高压侧反时限动作特性曲线，调整0.4 kV 进线开关长延时的时间参数，使0.4 kV 侧动作曲线靠近并低于高压侧反时限曲线，从而既保证开关选择性，又使配电变容量得到充分利用。

c.0.4 kV 进线开关短延时电流整定值不宜过大。若0.4 kV 进线短延时电流整定值过高，高压侧断路器定时限过电流保护整定值也被迫提高，既降低了保护本身的灵敏度，也使高压侧反时限过电流保护范围扩大，为了与配电变过载曲线相匹配，反时限曲线必然被拉低，从而使变压器容量得不到充分利用。根据工程经验，0.4 kV 进线开关短延时整定值不宜超过配电变压器额定电流的3 倍。

（2）0.4 kV 进线、母联与馈线断路器之间的保护配合。若0.4 kV 馈出线短路故障造成进线断路器误动作，势必造成故障范围扩大，因此它们之间的选择性是非常重要的。

目前，0.4 kV 进线、母联断路器均采用选择型断路器，而0.4 kV 馈线断路器中选择型和非选择型均有采用，选择型断路器与非选择型断路器之间的保护配合是比较容易实现的，而选择型断路器之间的配合主要体现在短延时的整定上，且应尽量满足式（1）的整定要求。建议短延时动作时间按如下整定：0.4 kV 进线断路器、母联断路器分别设为0.4 s 和0.3 s，而0.4 kV 馈线断路器整定值不超过0.2 s，这样在整定计算时将很容易实现上下级之间的选择性。同时要求配电变高压侧开关的定时限过电流保护动作时间不小于0.4 s，一般来说，中压环网对配电变高压侧开关进行整定时要满足这一要求并不难。若0.4 kV 进线断路器还配置了接地故障保护，由于整定值较低，其动作时间应大于 0.4 kV 馈线开关中短延时或接地故障保护动作时间的最大值。

0.4 kV 进线断路器、母联断路器和各馈出线断路器均安装在低压开关柜内，连接母排长度较短，为保证选择性，0.4 kV 进线断路器、母联断路器不宜设瞬时保护。目前进线、母联断路器均采用框架式，而馈线开关一般采用塑壳式，在有条件保证选择性的情况下，如利用断路器的能量选择性，进线断路器和母联断路器可在一处设置瞬时保护装置，若进线断路器设瞬时保护装置，可保证母线故障时进线断路器迅速动作；母联断路器设瞬时保护装置，主要是考虑当母联自投到故障线路上时，母联断路器迅速跳闸。

三级负荷总开关位于进线开关与三级负荷回路馈线开关之间，保护范围小且上下级配合困难，短延时（若设）时间设定值可与下级馈线开关中短延时最大动作时间一致，电流整定值可在满足保护灵敏度要求的情况下取较大值，尽量保证与上下级开关的选择性。

（3）0.4 kV 馈线断路器与下一级开关的保护配合。0.4 kV 低压开关柜的馈出开关和下一级开关是否考虑保护的选择性，与低压配电形式有关，分2 种情况进行讨论：

a.若0.4 kV 馈线对应配电箱（柜）的进线开关为负荷开关，则其下一级开关为配电箱出线回路开关，应按照选择性的原则进行整定。有新建工程设计中，0.4 kV 馈线开关全部采用选择型断路器，该设计方便与下级开关的配合，但增大了投入成本。

b.由于地铁运营管理的需要，环控进线柜、冷水机组电源箱等设备的进线开关一般采用断路器，该情况下若考虑0.4 kV 馈线开关与下一级电源开关的选择性，往往比较困难。尤其是当回路容量较大时，0.4 kV 馈线开关与下一级电源开关均设短延时作为短路保护，在动作时间无法配置级差的情况下，为保证选择性，整定值需满足式（2），这就造成短延时整定值过大。如某地下车站，配电变容量为1 250 kV·A，按上述原则整定，0.4 kV 进线开关短延时整定值达到9 000 A，高压侧保护很难与之配合。

考虑到以上配电回路均采用放射式，即0.4 kV低压开关柜馈出开关与下级电源开关是一对一的关系，即使发生越级或上下级同时跳闸的情况，故障影响范围也并没有扩大。建议对于该情况，可不考虑上下级的保护选择性，只要将上下级断路器之间电流整定值稍微拉开。而且过于强调与下级电源开关的级联关系也会相应地增大馈出电缆的截面，造成资金浪费。此外在今后的低压配电系统方案设计时，可考虑在配电箱（柜）电源进线处统一采用负荷开关，从根本上解决该问题。