城市轨道交通低压配电继电保护整定方法

王 蛟 张 刚

(1.中交机电工程局有限公司技术中心,430063,武汉;2.武汉地铁集团有限公司建设事业总部,430063,武汉∥第一作者,高级工程师)



城市轨道交通低压配电继电保护整定方法

王 蛟1张 刚2

(1.中交机电工程局有限公司技术中心,430063,武汉;2.武汉地铁集团有限公司建设事业总部,430063,武汉∥第一作者,高级工程师)

分析了城市轨道交通配电变压器各种电流特点,对配电变压器保护配置进行了研究,对各种保护提出了整定方法,对各种保护的保护范围和配合关系进行研究。介绍的保护整定方法可指导新建城市轨道交通工程的设计,也可用于已开通的轨道交通工程的校验。

城市轨道交通; 供电系统; 配电变压器; 保护整定方法

First-author′s address CCCC Mechanical & Electrical Engineering Co., Ltd.,430063,Wuhan,China

在城市轨道交通供电系统中,配电变压器(以下简称“配电变”)用于将中压35 kV电源转变为0.4 kV,为低压设备供电。配电变压器已广泛应用于电力系统配电网络中,但由于城市轨道交通的配电系统负荷和其他民用或者工业负荷相比存在一定的差异,因此整定方法也不同,如沿用民用或工业负荷整定方法将导致保护误动或者拒动[1-4]。

近年来,随着GB/T 30013—2013《城市轨道交通试运营基本条件》的实施,在试运营评审时,依据其8.1.3条要求进行评审:各变电所均应有两路独立可靠的电源供电,一级负荷应确保由两路电源双回路供电,主变电所和牵引变电所的数量应满足负载需要。当有外电源退出,相邻外电源点跨区域供电时仍能满足负载需要和应完成各类电气元件、开关的整定调整,往往需进行事故状态下的供电可靠性试验。在多个项目中均存在因配电变整定不当引发的跳闸隐患。

目前,与供电系统设计相关的文献众多,配电变的整定方法多种多样,有的甚至给出错误的方法,各设计单位所采用的整定原则也不尽相同,关于配电变整定均没有提出合理的方法。因此,对城市轨道交通配电变整定进行研究非常有必要。

1 城市轨道交通配电变电流特点

配电变继电保护整定的目的在于,当变压器正常运行时保护不应动作,当配电变故障时应可靠动作。因此,在开展整定工作之前必须对配电变各种情况下的电流情况进行研究。

1.1 励磁涌流

送电时,变压器由空载状态变为负载状态,其电流由零过渡到负荷电流。当给变压器送电时,会产生较大的冲击电流,然后很快返回到负载电流值。这个冲击电流被称之为励磁涌流,其特点如下:

(1) 涌流含有数值很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波),主要是偶次谐波,变化曲线为尖顶波。

(2) 励磁涌流的衰减常数与铁心的饱和程度有关,饱和程度越深,电抗越小,衰减越快。在开始瞬间,其衰减很快,以后逐渐减慢,经0.5～1.0 s后其值不超过0.25～0.50倍变压器额定电流。

(3) 一般情况下,变压器容量越大,其衰减的持续时间越长,衰减速度比短路电流衰减慢。

(4) 励磁涌流的数值很大,最大可达额定电流的6～13倍。

典型变压器励磁涌流曲线如图1所示。

图1 变压器励磁涌流曲线

变压器容量越大励磁涌流越大,随着时间增加励磁涌流逐渐减小。某工程配电变励磁涌流如表1所示。

根据多个供货商的数据统计,配电变送电时的励磁涌流最大为13In,经过300 ms后衰减至3In以下。

1.2 长时间负荷电流

根据《地铁设计规范》,地下车站用电负荷按其不同的用途和重要性分为三级,地下车站用电负荷以一、二级负荷为主,平均占总负荷的70%～80%。

城市轨道交通车站负荷可以分为两大类:一类属于系统性负荷,与车站的规模和结构基本无关,全线基本一致,主要由电子与计算机类负荷构成,大致为310 kW左右;另一类负荷主要为动力、照明负荷,负荷大小与车站的规模和功能定位有关。

表1 某工程配电变励磁涌流

配电变负荷率与线路运行情况密切相关,一般来说。夏季由于启动了制冷系统,负荷率较其他季节要高,故本文以夏季负荷为基础进行分析。根据对多条线路的设计负荷情况的调研,国内城市轨道交通典型地下车站配电变容量为2×1 000 kVA。某典型站负荷情况如表2所示。

表2 城市轨道交通典型地下车站配电变负荷率

配电变设计负荷率为:正常情况下两台变压器分列运行带全所负荷,负荷率为0.60左右;故障或者检修状态下单台运行带全所一级和二级负荷,负载率最大为1.00。由表2可知,实际负载率远低于设计值。这是因为配电变容量是按照远期高峰小时下单台变压器运行时可能出现的最大负荷选取的,即远期高峰小时下单台变压器运行时发生区间火灾的运行工况。实际运行中,即使是在远期,出现这种运行工况的概率也是极低的。

由此可知,配电变在其寿命周期内大部分时间长期处于低负荷率(0.2左右)运行状态,仅在极端情况下满负载率运行。

1.3 短时冲击过负荷电流

城市轨道交通内动力负荷中有大量电机类负载,其启动电流为短时冲击电流。电机类负载中,较大的为4台隧道风机(代号为TVF)和2台排热风机(代号为TEF)。在风机的某些运行模式下,需要将这6台风机(以下简称“最大风机组”)同时启动,其电流和运行中的其他设备的负荷电流叠加构成最大短时冲击过负荷电流。隧道风机功率一般为90～110 kW,排热风机功率一般为50 kW。隧道风机一般采用软启动,启动电流为3.5Ir(Ir为风机额定电流);排热风机为直接启动,启动电流为8Ir。

按照配电变容量设计原则,单台变压器运行时,给全所一、二级负载供电,隧道风机和排热风机启动后,变压器达到满载,此时,最大短时冲击负荷电流=变压器额定电流-最大风机组运行电流+最大风机组启动电流。经计算,该值为3.28In。即最大风机组启动时,在配电变前断路器上将流过最大为3.28In的最大短时冲击负荷电流。启动电流在启动过程中逐渐衰减为运行电流,其衰减曲线根据风机特性有所差异,一般经过0.4 s后衰减到70%左右,总持续时间为15～20 s。

1.4 低压侧三相短路电流

1.5 低压侧两相短路电流

1.6 低压母线单相短路电流

1.7 低压母线馈线短路

低压馈线短路时其短路电流也会流过配电变前35 kV开关,但对于馈线短路一般由馈线断路器实现主保护,0.4 kV母线进线开关实现后备保护。配电变前35 kV开关各保护整定均已躲开0.4 kV母线进线开关定值。故不再需要考虑馈线短路对配电变整定的影响。

综上所述,配电变保护需要考虑的各种情况下电流特征如表3所示。

表3 配电变电流类型与特性

2 配电变整定方法

2.1 保护配置

设计规程和规范并未对配电变保护配置提出要求,一般设计中参照《工业与民用配电设计手册》,对容量小于2 000 kVA的配电变配备要求为:电流速断保护、带时限的过电流保护、低压侧单相接地保护、过负荷保护和温度保护(本体保护,本文不论述)。此外,在实际工程中往往配备零序保护。

2.2 保护整定

对于变压器保护,在变压器启动、正常运行、过负荷范围内过载运行时不应跳闸,在配电变发生短路故障时应跳闸,在超出过负荷范围过载运行时应跳闸或报警。同时对于Dyn11接线的变压器保护还要兼做低压母线单相接地故障的远后备保护[5-7]。

2.2.1 电流速断保护

电流速断保护作用于变压器保护,以零时限快速启动切除故障,主要针对大电流短路。整定时必须考虑的条件有:为实现保护选择性应躲过低压侧三相短路电流;躲过励磁涌流;躲过最大短时冲击过负荷电流。由上文分析可知,最大的电流是低压侧三相短路时一次侧电流,因此电流速断保护应按照躲过低压侧三相短路一次侧最大电流整定。

保护装置一次动作电流:

式中:

Iop,k——保护装置的动作电流;

Krel——可靠系数,对于微机保护为1.05～1.20;

nTA——电流互感器变比。

保护装置的灵敏系数按系统最小运行方式下保护装置安装处两相短路电流校验。规范要求,保护装置的灵敏系数大于等于2。即:

式中:

2.2.2 过电流保护

过电流保护作用于变压器保护和低压母线后备保护,以一定时限启动,作用于小电流短路。

2.2.2.1 参照民用建筑的整定方法

在众多工程中,过电流保护参照民用建筑用配电变压器整定方法整定。按照躲过变压器最大过负荷电流整定,整定方法如下:

保护装置的一次动作电流:

城市轨道交通配电变负荷特性和普通民用建筑负荷有很大的不同,城市轨道交通负荷具有较大的短时冲击过负荷电流,而普通民用建筑短时冲击过负荷电流较小。因此民用建筑配电变过电流保护整定中过负荷系数Kgh取1.3～1.5,以取得较高的保护灵敏度。如城市轨道交通按该方法整定,过电流整定值将小于变压器启动时励磁涌流和变压器最大短时过负荷电流。正是因为部分工程采用了这种方法,在实际工程中导致配电变送电失败和保护误动。

2.2.2.2 城市轨道交通整定方法

根据城市轨道交通负荷特性,配电变过流整定应躲过以下电流整定:励磁涌流、最大短时冲击过负荷电流、最大长时间负荷电流。

配电变过流保护动作时限一般为0.4 s,根据上文分析可知,在0.4 s时电流值最大的为励磁涌流,电流小于3In。整定方法如下:

保护装置的一次动作电流:

=(3.71～4.23)In

保护装置的灵敏系数按电力系统最小运行方式下,低压侧两相短路时流过高压侧(保护安装处)的短路电流校验。规范要求,保护装置的灵敏系数大于等于1.5。即:

=3.11～2.72≥1.5

式中:

2.2.2.3 低压侧单相接地故障校验

由于低压母线单相接地短路电流较小,当发生短路时0.4 kV进线开关拒动,如此时配电变保护又不启动故障将无法切除。因此,变压器保护必须兼做低压母线单相接地后备保护,对于Dyn11接线变压器由带时限的过电流保护实现。过流保护必须校验低压侧单相接地故障时的灵敏度。规范要求,保护装置的灵敏系数大于等于1.5。即:

2.2.3 过负荷保护

过负荷保护作用于超出过负荷范围过载运行,动作时限较长。保护装置的动作电流应躲过变压器的额定电流。

保护装置一次动作电流:

Iop=In/Kr=1.18In

式中:

Kr——返回系数,取0.85。

过负荷保护动作时限应躲过变压器励磁涌流和变压器最大短时过负荷电流时间,一般取30 s。

此外,过负荷保护应作用于报警,且过负荷报警信号应上送调度端,而并非作用于跳闸。根据城市轨道交通配电变负荷特性,正常运行时配电变负荷率极低(0.2左右)。仅当单台变压器运行且发生列车区间阻塞启动隧道风机和车站排热风机时配电变负荷率才达到设计满负载负荷率。一般而言,配电变发生过负荷的概率极低,如发生过负荷必定是处在单台变压器运行且发生列车区间阻塞组织乘客疏散时,如此时因变压器过负荷切断电源必定造成巨大的人员伤亡。此时,如果发生配电变过负荷应作用于报警,由运营人员在调度端或现场切除部分负载,保证区间疏散用电要求。

2.2.4 零序电流保护

零序保护作用于配电变高压侧和进线电缆单相接地故障。城市轨道交通配电变接线一般均为Dyn11,配电变低压侧及低压母线短路故障并不会在高压侧产生零序电流,仅在以下情况下配电变前35 kV开关会流过零序电流:

(1) 供电系统内35 kV单相接地故障,配电变开关流过其保护范围内元件单相接地电容电流。其大小根据开关以下电缆长度而变化,对于降压所一般在1 A左右,对于跟随所一般在6 A左右。

(2) 配电变高压侧发生单相接地故障。

(3) 35 kV开关至配电变之间发生接地故障,一般为800 A左右(系统限定单相接地电流为1 000 A时)。

对于配电变零序整定时,仅需要躲开其保护范围内元件单相接地电容电流。

保护装置的一次动作电流:

式中:

ICX——被保护线路外部发生单相接地故障时,从被保护元件流出的电容电流。

保护装置的灵敏系数按电力系统最小运行方式下,35 kV开关柜至配电变之间发生单相接地故障最小单相接地短路电流进线校验,该电流一般为800 A左右:因零序保护装置的一次动作电流整定值很低(仅1.2～8.5 A),保护具有非常高的灵敏度。为简化工作,可将零序保护装置的一次动作电流统一整定为10 A。这样保护也具有非常高的灵敏度,对变压器高压侧一次侧单相接地故障也可以有效保护。

为简化工作,动作时限可取和过流保护相同时限。也可以提高一次动作电流并以零时限动作以快速切除故障。

3 保护范围

变压器保护对下级开关,为0.4 kV进线开关实现远后备;对上级开关,利用35 kV进出线开关作为远后备。35 kV进出线、35 kV配电变馈线开关和0.4 kV进线开关在各种故障下的保护范围如表4所示。

表4 保护装置在不同保护类型下的保护范围

4 结语

针对城市轨道交通配电变运行电流特点,本文以某一典型工程为例进行了研究。给出了保护配置、保护范围和整定方法,并对保护的配合关系进行了说明,可以作为其他类似工程的参考。由于各工程情况存在差异,具体到某一工程时候应根据具体情况参照该方法进行计算。对于已经开通的项目,运营单位可根据本文给出的方法推算既有整定值是否合理,如不合理应尽快调整,避免在事故状态下的大范围停电事故。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.电力装置的继电保护和自动装置设计规范:GB 50062—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.继电保护和安全自动装置技术规程:GB 14285—2006[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.干式电力变压器负载导则:GB 17211—1998[S].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[4] 工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

[5] 黄德胜,张巍.地下铁道供电[M].北京:中国电力出版社,2010.

[6] 王靖清,黄书明,黄德胜,等.地下铁道供电[M].北京:中国电力出版社,2010.

[7] 于松伟,杨兴山.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.

Methods for Relay Protection Setting in Low-voltage Distribution Transformer of Urban Rail Transit

WANG Jiao, ZHANG Gang

The characteristics of various kinds of current in power distribution transformer of urban rail transitare analyzed,the protection configuration of power distribution transformer is studied, and the setting method for each protectionis proposed, which is related to the protection range and cooperative relationship for each kind of protection.The method of protection setting in this paper can guide the design of new rail transit construction, also be used for the calibration of already opened engineerings.

urban rail transit; power supply system; power distribution transformer; method of protection setting

U 223.8+2; U 224.4

10.16037/j.1007-869x.2016.08.005

2016-02-15)