关于西安地铁进线断路器越级跳闸问题的研究

靳志方

关于西安地铁进线断路器越级跳闸问题的研究

靳志方

(西安市地下铁道有限责任公司运营分公司西安710000)

分析西安地铁0.4 kV进线断路器越级跳闸的原因，提出重新整定变压器高低压侧断路器的保护定值，确保上下级匹配;增加0.4 kV母联断路器备自投启动程序的闭锁条件;增加设置变压器纵联差动保护等3种解决方案。进而对方案的实现方式以及存在的优缺点进行分析，最终给出安全可靠的、既能从根本上解决0.4 kV进线断路器越级跳闸又不影响0.4 kV母联断路器备自投的方案，结果表明，该方案能有效提高0.4 kV供电系统的安全性、稳定性、可靠性。

轨道交通;越级跳闸;母联断路器;纵联差动保护;备自投;闭锁

1 研究背景

0.4 kV低压断路器越级跳闸，严重影响了设备的正常供电。2014年2月10日，西安地铁2号线一车站变电所0.4 kV低压开关柜室内由于屋顶结构缝漏水，造成0.4 kV低压开关柜Ⅰ段母排短路，0.4 kVⅠ段进线断路器(801)未先跳闸，而越级到1号动力变高压侧35 kV断路器(104 A)跳闸，造成0.4 kV低压开关柜启动母联备自投程序，在故障未切除的情况下，0.4 kV母联断路器(803)合闸，将故障波及到没有发生故障的Ⅱ段，同理造成2号动力变高压侧35 kV(104 B)跳闸，导致全站0.4 kV供电系统失电，严重影响了地铁的正常运营秩序。

2 越级跳闸原因分析

分析0.4 kV低压断路器越级跳闸的原因，首先要了解地铁的供电系统设计、0.4 kV母联断路器备自投逻辑关系、断路器本身特性，分析相关断路器的定值设置等，为解决方案提供依据。

2.1 西安地铁2号线供电系统

西安地铁采用110/35 kV两级电压集中供电方式，在行政中心、会展中心设2座地下式主变电站，每座主变电站各带3个供电分区，供电分区内经35 kV环网电缆将车站变电所环串成供电网络;在第三供电分区末端所设置35 kV联络开关与第四供电分区末端所相连，实现两个主站之间的联系［1］。

每个车站变电所35 kV气体绝缘开关柜(GIS，gas insulated switchgear)一次主接线采用单母线分段，0.4 kV低压开关柜一次主接线亦采用单母线分段，主接线方式如图1所示。35 kV GIS采用西门子8DA10开关柜;35/0.4 kV动力变压器采用顺特干式变压器;0.4 kV低压开关柜进线断路器、母联断路器均采用ABB E系列断路器。

图1 典型地铁车站降压变电所主接线方式［2］

2.2 0.4 kV低压开关备自投程序逻辑分析

0.4 kV低压开关备自投程序:控制字投入/退出(当地柜信号灯亮表示退出、信号灯灭表示投入)，通过软件实现;当地投入/退出把手，采用硬件控制，当两种方式均为投入时，备自投功能才能投入，否则不启动备自投［3］。此种设计使在电力监控终端和设备都能进行备自投的投入与退出，增加了系统的灵活性。备自投功能启动满足条件:控制字投入、投入/退出(把手)投入;I(Ⅱ)段失压，Ⅱ(I)段有压;进线断路器801、802合闸位［4］，此时母联断路器803备自投程序启动:分801(802)，分三级负荷总开关901、902，合803，整个备自投程序完成。备自投程序启动逻辑如图2所示。

图2 0.4 kV母联断路器803备自投启动逻辑

2.3 保护定值情况分析

变压器高压侧35 kV断路器104A、104B设置电流速断保护、过电流保护、零序过电流保护、轻过负荷保护(告警功能)［5］;0.4 kV进线断路器801、802设置短延时保护、长延时(过载)保护、接地保护，母联断路器803设置短延时保护、长延时(过载)保护［6］。

104A(104B)电流速断(50):I1=144 A，T1=0.1 s［5］; 801(802)短延时电流:I2=5.1In=12 750 A(脱扣器额定电流:2 500 A)，时间T2=0.2 s;803短延时电流: I3=5.1In=12 750(脱扣器额定电流:2 500 A)，时间T3=0.2 s［6］。变压器档位在1档，变比为:35×1.05/0.4 =91.875，因此将I2、I3的整定值12 750 A折算到35 kV侧的电流值为138.8 A，此值与104A(104B)的整定值144 A几乎相等;0.4 kV进线断路器801(802)的时间T2=0.2 s，803的时间T3=0.2 s，T1＜T2、T1＜T3，因此0.4 kV低压开关柜发生故障时，从定值设置角度分析发生越级跳闸是正常现象。

在2月10日越级跳闸事故中，35 kV断路器保护报文显示104A的动作值电流为260 A，时间为108 ms;动作值260 A＞I1=144 A，时间108 ms＞T1=100 ms，104A跳闸属于正常现象;260 A折算到0.4 kV侧电流值为23 887.5 A，23 887.5 A＞I2=12 750 A，但时间108 ms＜T2=200 ms，因此801未跳闸也属于正常现象;由于104A断路器跳闸，使1号动力变压器失压(Ⅰ段失压)，满足母联断路器(803)备自投启动条件，801分闸，901分闸、902分闸、803合闸，由于Ⅰ段的母排短路点未消除，同理，越级跳闸使104B断路器跳闸，使2号动力变压器失压(Ⅱ段失压)，至此，1号、2号动力变压器同时失压，退出运行。这次事故的发生，正是由于上下级电流速断的值、与动作时间不匹配造成的。

3 解决方案

3.1 方案1:重新整定变压器高低压侧定值，确保上下级匹配

35/0.4 kV变压器为干式变压器，高压侧主保护为温度保护、电流速断保护，后备保护为过流保护、轻过负荷保护(报警);电流速断保护是反应电流增大而瞬时动作的保护，对变压器及其引出线上各种形式的短路进行保护。电流速断保护的整定计算按躲开变压器负荷侧出口出点短路时的最大短路电流来整定［7］。

按照文献［8-9］的变压器保护整定原则，高压侧电流速断保护定值符合标准要求，低压侧0.4 kV断路器短延时保护不匹配。

按整定原则低压侧0.4 kV进线断路器801、802保护定值整定为:短延时保护电流值由原来的I2=5.1In =12 750 A整定为现在的I2'=3.4In=8 500 A，时限由原来的T2=0.2 s整定为现在的T2'=0.1 s，其他保护及整定值均不变;母联断路器803保护值整定为:短延时保护电流值由原来的I2=5.1In=12 750 A整定为现在的3In=7 500 A，时限由原来的T3=0.2 s改为现在T3'=0.1 s;瞬时保护I4投入，电流I4=3.3 In=8 250 A，T4=0。此时，在母排短路的情况下，801(802)与104A (104B)的速断电流值均能够达到，T1=T2'=0.1 s，理论上，104A(104B)、801(802)同时跳闸，不满足母联备自投程序逻辑;如果801(802)先跳闸，104A(104B)未跳闸，不满足母联备自投程序逻辑;如果104A(104B)先跳闸，801 (802)未跳闸，则满足母联备自投启动条件，合803，将Ⅰ段(Ⅱ段)的故障波及到Ⅱ段(Ⅰ段)，由于803的I4投入，理论上803先动作跳闸，不会造成全所失压的情况，但由于0.1 s的级差太小(一般级差设置0.5 s)，所以仍存在越级跳闸的隐患。

3.2 方案2:增加设置备自投启动的闭锁条件

目前，地铁车站变电所各级用电设备电源均取自0.4 kV低压开关柜，重要负荷如通信、信号、FAS(火灾报警系统)等均从0.4 kV低压开关柜Ⅰ段、Ⅱ段分别取一路电源，任意一段退出运行，不影响重要设备的正常运行，也不影响正常的行车秩序。因此，根据在故障情况下从允许退出一段设备供电的角度出发解决越级跳闸问题，也未尝不失为一种解决方案。

由0.4 kV低压开关母联备自投的程序原理，可以有两个方式实现闭锁备自投的途径:闭锁信号直接输入到母联备自投PLC(可编程逻辑控制器);闭锁信号退出母联备自投控制字。

3.2.1 闭锁信号直接输入到母联备自投PLC

在0.4 kV母联备自投PLC中设置闭锁关系，当1号(2号)动力变压器高压侧35 kV断路器104A (104B)发生速断动作时，给0.4 kV低压开关母联备自投PLC中输入一个闭锁信号，备自投程序判断此信号存在(此故障信号保持，复位后才能消失)，闭锁启动备自投程序。此方案需要修改0.4 kV低压开关母联备自投PLC程序。

3.2.2 闭锁信号退出母联备自投控制字

在电力监控(PSCADA)中设置闭锁关系，当1号(2号)动力变压器35 kV断路器104A(104B)发生速断动作后，给0.4 kV低压开关母联备自投控制字输入一个闭锁信号，使母联备自投撤出运行，同样也能不启动备自投。此方案仅在电力监控中进行，不涉及设备本体程序的改动，可操作性很强，对其他设备的干扰也最小。

通过两种实现方式对比得知，闭锁信号退出母联备自投控制字是比较合理、简便、安全可靠的方式。此方案唯一缺点是:当35 kV动力变压器、电缆等出现故障，引起104A、104B速断保护动作跳闸时，0.4 kV母联断路器备自投不能正常投入运行。但此时，另外一段还能正常供电，专业人员赶到现场如果确认是由变压器、电缆等发生故障后引起的，可以和电调联系，由电调将母联断路器803合闸，恢复两段同时供电;同时由电调投入0.4 kV低压开关母联备自投控制字，为下一次动作做好准备。

此方案避免了由于越级跳闸，导致全站失压的可能性，保证了一段设备故障后，另一段设备能够正常供电，可维持重要负荷的供电，是运营过程中可以接受的方案。

3.3 方案3:增加设置变压器纵联差动保护

根据变压器的配置原则:应装设反应变压器绕组和引出线的多相短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护作为主保护，瞬时动作于断开各侧断路器［10］。目前变压器高压侧35 kV断路器电流速断保护与低压侧0.4 kV断路器的短延时保护不匹配，按以上原则，可以设置变压器纵联差动保护，同时将高压侧35kV断路器电流速断保护退出运行，这样可以从根本上解决越级跳闸的问题。

纵联差动保护，动作灵敏、无延时、不存在上下级配合的问题:当0.4 kV低压开关柜出现短路故障时，纵联差动保护不启动(见图3)，801(802)短延时达到整定值，进线断路器801(802)跳闸，由于此时达不到104A(104B)断路器的过流时限，104A(104B)不跳闸，1号(2号)动力变压器正常运行，因此0.4kV低压开关检测到Ⅰ段(Ⅱ段)有压(失压条件判断在0.4 kV进线断路器的进线侧，即靠近变压器侧)，不满足0.4 kV低压开关柜母联备自投启动条件，母联断路器803不会自动合闸，不会将故障段波及到正常供电的另外一段;当变压器出现短路故障或者电缆故障时(见图4)，纵联差动保护动作，将35 kV断路器104A(104B)、0.4 kV进线断路器801(802)跳开，此时1号(2号)动力变压器退出运行，0.4 kV低压开关柜设备是完好的，应该启动0.4 kV母联断路器备自投程序，由于此时不满足图2中的条件，因此需要对逻辑程序进行修改见图5。纵联差动保护根据故障点出现位置的不同有选择性地跳开相应的开关，解决了越级跳闸问题，确保了设备安全可靠供电。

图3 纵联差动保护范围外发生故障

图4 纵联差动保护范围内发生故障

目前35 kV断路器保护、0.4 kV进线断路器无差动保护功能，需要增加纵联差动保护单元;35 kV开关柜室与0.4 kV低压开关柜室有一定距离，建议两个差动保护单元采用光纤进行通信;对目前的0.4 kV母联断路器803备自投启动条件需要进行修改。如在既有设备上进行改造，施工难度较大，无单独差动流互，而且保护单元也不易在柜面进行安装。在新线建设中，设计单位进行充分考虑，对于现场不能满足选择性动作要求、存在越级跳闸现象的站点，要增设纵联差动保护单元，避免出现两路同时失压的严重后果。

图5 投入纵联差动保护后0.4 kV母联断路器803备自投启动逻辑

4 结语

通过分析0.4 kV进线断路器越级跳闸的原因及3种解决方案得出:

方案1通过对全站动力、照明负荷进行重新核算，重新整定0.4 kV进线断路器、母联断路器等的定值，理论上可行，但时限差值太小(0.1 s)，越级跳闸问题不能彻底解决，仍存在两路同时失压的隐患，但此方案仅对保护定值进行调整，最容易实现，且不需要投入改造资金;方案2从严格意义说虽不能解决越级跳闸的问题，但确保了在短路故障的情况下，有一路电源正常供电，能满足正常运营的需要，此方案也较容易实现，而且投入改造资金不大;方案3能彻底解决越级跳闸问题，又不影响0.4 kV母联备自投启动，但此方案改造难度较大，投入的改造资金也较大，应在设计阶段进行设计。

3种解决方案各有优缺点，可以综合考虑现场的实际情况选择。

［1］靳志方.西安地铁二号线主变站电气主接线方式的探讨［J］.机电信息，2011，9(291):14.

［2］于伟松，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用［M］.成都:西南交通大学出版社，2008:415-420.

［3］地铁设计规范:GB 50157—2013［S］.北京:中国建筑工业出版社，2014.

［4］中铁第一勘察设计院.西安市地铁二号线北客站至会展中心段变电所二次通用图［G］.西安，2011:40-52.

［5］中铁第一勘察设计院.供电系统AC35 kV继电保护整定值通知单［G］.西安，2014:14.

［6］西安市地下铁道有限责任公司.供电系统维修培训教材［G］.西安，2012:35-40.

［7］贺家李.电力系统继电保护原理［M］.北京:中国电力出版社，2010:17-40.

［8］黄德胜，张巍.地下铁道供电［M］.北京:中国电力出版社，2009:32-42.

［9］许建安，王风华.电力系统继电保护整定计算［M］.北京:中国水利水电出版社，2007:143-170.

［10］倪涛.地铁供电系统继电保护整定配合研究［D］.北京:北京化工大学，2012.

(编辑:郝京红)

Study on Xi’an Metro Line Circuit Breaker Override Tripping Problem

Jin Zhifang
(Xi’an Metro Operating Company，Xi’an 710000)

By analyzing the reasons of Xi＇an Metro 0.4 kV line circuit breaker override tripping，the fixed value of resetting transformer protection of high and low voltage side of the circuit breaker is proposed，so that the upper and lower levels can be surely matched;blocking conditions of the 0.4 kV circuitbreaker BZT start program are cited;the setting of transformer longitudinal differential protection and other solutions are invited.On this basis，analysis on theways of program realization and the existing advantages and disadvantagesare carried out.Finally，a reliable scheme is presented，which can fundamentally solve the0.4 kV line circuitbreaker override tripping，withoutaffecting the0.4 kV voltage circuitbreaker BZT.It is proved that this scheme can effectively improve the safety，stability，and reliability of0.4 kV power supply system.

rail transit;override tripping;the circuit breaker;longitudinal differential protection;backup automatic switch;interlock

U231.8

A

1672-6073(2016)02-0080-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.018

2015-02-10

2015-03-17

靳志方，男，本科，工程师，从事轨道交通供电系统研究，jack_20090501@163.com