地鐵低壓配電系統(tǒng)中保護(hù)配合問題分析

魏 昕

0 引言

地鐵車站低壓配電系統(tǒng)承擔(dān)了為車站及兩端各半個(gè)區(qū)間的動力照明設(shè)備提供電能的重要任務(wù)，并保證動力照明設(shè)備配電的安全、可靠。一般通過設(shè)置過流保護(hù)斷路器實(shí)現(xiàn)線路的短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)以及接地故障保護(hù)，從而防止因間接接觸帶電體而導(dǎo)致人身電擊或線路故障導(dǎo)致過熱造成損壞甚至火災(zāi)等情況的發(fā)生，斷路器的保護(hù)整定是低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)。

由于地鐵低壓配電系統(tǒng)自身的一些特點(diǎn)，如斷路器設(shè)置級數(shù)較多、用電負(fù)荷種類多且相對集中、受中壓環(huán)網(wǎng)整定值的限制等情況，造成斷路器級間配合以及整定值的選取困難。而且地鐵項(xiàng)目的整定問題涉及專業(yè)較多（供電系統(tǒng)專業(yè)、降壓變電所專業(yè)、車站動力照明專業(yè)等），往往由多家不同設(shè)計(jì)單位承擔(dān)，協(xié)調(diào)工作量大且難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。針對上述情況，本文將對地鐵低壓配電系統(tǒng)中各級斷路器的保護(hù)配合及整定原則進(jìn)行分析、討論。

1 地鐵低壓配電系統(tǒng)

地鐵低壓配電系統(tǒng)包括降壓變電所和動力照明配電系統(tǒng)2 部分，系統(tǒng)主接線如圖1所示。

降壓變電所將中壓電源經(jīng)配電變壓器降為低 壓AC 380 / 220 V后，供軌道交通沿線車站的動力、照明設(shè)備使用。降壓變電所0.4 kV 側(cè)采用單母線分段接線方式，設(shè)0.4 kV 母聯(lián)斷路器，母聯(lián)設(shè)置備用電源手動/自動投入裝置。并根據(jù)需要設(shè)置照明及三級負(fù)荷小母線，便于火災(zāi)工況下切除非消防負(fù)荷回路。正常運(yùn)行方式下，母聯(lián)斷路器處于斷開狀態(tài)；當(dāng)一路進(jìn)線電源失電時(shí)，母聯(lián)投入，另一路進(jìn)線電源帶全部一二級負(fù)荷。0.4 kV 側(cè)接地方式采用TN-S 制。

為提高供電可靠性，地鐵低壓配電系統(tǒng)采用放射式為主、樹干式為輔的配電原則。機(jī)電設(shè)備及照明用電負(fù)荷按其不同的用途和重要性分為一、二、三級負(fù)荷。對于不同等級的用電負(fù)荷，其配電方式也不同。

2 斷路器整定時(shí)的選擇性要求

當(dāng)?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)發(fā)生非正常過電流時(shí)，保護(hù)設(shè)置應(yīng)盡可能快速切除故障，并盡可能把故障范圍縮減到最小。為滿足保護(hù)的選擇性要求，上下級斷路器的過流保護(hù)整定應(yīng)滿足以下要求：

（1）若上下級都采用非選擇型斷路器，該配合無法保證選擇性，應(yīng)盡量加大上下級斷路器之間整定電流的級差。

（2）若上下級都采用選擇型斷路器，只要上級斷路器的短延時(shí)大于下級斷路器的短延時(shí)，即滿足式（1），就可保證兩級之間的選擇性。

式中，tsd、t′sd分別為上下級斷路器短延時(shí)動作時(shí)間整定值，Isd、I′sd分別為上下級斷路器短延時(shí)電流整定值；Δt 為時(shí)間級差，一般取0.1 s，1.2 為可靠系數(shù)。

若延時(shí)時(shí)間上無法配置級差，則上級斷路器的短延時(shí)過電流整定值要與下級斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定值相配合，即

式中，I′i為下級開關(guān)瞬時(shí)保護(hù)電流整定值。

圖1 地鐵低壓配電系統(tǒng)主接線圖

同時(shí)，上級斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定值Ii還應(yīng)躲過下級斷路器安裝處的最大三相短路電流。

（3）若上級采用選擇型斷路器，下級為非選擇型斷路器，且瞬時(shí)短路保護(hù)能夠保護(hù)線路全長，只要進(jìn)行正確整定，即可保證選擇性；若下級斷路器的瞬時(shí)短路保護(hù)無法保護(hù)線路全長，由長延時(shí)作后備保護(hù)時(shí)，上級斷路器的短延時(shí)過電流整定值也要與下級斷路器的瞬時(shí)保護(hù)整定值相配合。

3 影響整定的因素

低壓斷路器的整定計(jì)算及保護(hù)配合并不復(fù)雜，但在工程實(shí)際中，以下因素對整定過程有影響：

（1）配電變壓器（下文簡稱配電變）高壓側(cè)開關(guān)整定值。配電變高壓側(cè)開關(guān)主要保護(hù)配電變及由開關(guān)柜母線引至配電變的電纜，0.4 kV 進(jìn)線斷路器作為其下級開關(guān)，必須考慮兩者之間的保護(hù)配合。在低壓斷路器的整定過程中，動作整定值一般從負(fù)荷端至電源端逐級整定，而時(shí)間整定值從電源端向負(fù)荷端進(jìn)行考慮，最后就可能造成0.4 kV 進(jìn)線斷路器整定值與配電變高壓側(cè)整定值不匹配。

（2）涉及專業(yè)多。除了與高壓側(cè)的配合，地鐵低壓配電系統(tǒng)又分為降壓變電所和車站動力照明2 個(gè)專業(yè)，在進(jìn)行整定時(shí)，各專業(yè)之間相互提資、相互影響，配合工作量大。而且各專業(yè)往往由不同的設(shè)計(jì)單位承擔(dān)，也為工作協(xié)調(diào)帶來了不便。

（3）保護(hù)配合級數(shù)多。地鐵低壓配電系統(tǒng)中低壓斷路器設(shè)置級數(shù)較多且相對集中，如0.4 kV進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級負(fù)荷總開關(guān)、0.4 kV饋線開關(guān)、部分配電箱（柜）電源開關(guān)等，各級斷路器之間都滿足選擇性是非常困難的。

4 保護(hù)配合問題分析

一般來說，上下級斷路器保護(hù)應(yīng)具有選擇性，從而滿足快速查找故障點(diǎn)、及時(shí)維修和恢復(fù)供電的管理要求，下面就結(jié)合整定工作中遇到的普遍性問題逐級進(jìn)行分析。

（1）0.4 kV 進(jìn)線斷路器與配電變高壓側(cè)的保護(hù)配合。配電變高壓側(cè)一般設(shè)速斷、定時(shí)限過流、反時(shí)限過負(fù)荷、零序等過流保護(hù)，而0.4 kV 進(jìn)線一般設(shè)長延時(shí)和短延時(shí)過流保護(hù)，其中短延時(shí)整定值要與高壓側(cè)定時(shí)限過流整定值相配合，長延時(shí)整定值要與高壓側(cè)反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)相配合。整定時(shí)需注意：

a.目前地鐵中配電變均采用D,yn11 接線，D,yn11 接線變壓器低壓側(cè)發(fā)生不同形式短路時(shí)，高壓側(cè)電流的分布情況如表1所示。

表1 D,yn11 接線變壓器高壓側(cè)各相短路電流分布情況表

由表1可見，無論低壓側(cè)發(fā)生何種短路故障，高壓側(cè)均有故障電流流過，因此要滿足選擇性，高壓側(cè)定時(shí)限過流保護(hù)動作時(shí)間宜大于0.4 kV 進(jìn)線短延時(shí)過流保護(hù)動作時(shí)間。若前者動作時(shí)間小于后者，則故障時(shí)高壓側(cè)開關(guān)先于低壓側(cè)跳閘，0.4 kV母聯(lián)因無法檢測到故障跳閘信號而自投到故障線路上，這是不合理的。若受條件限制，將兩者動作時(shí)間調(diào)成一樣也是可行的，兩開關(guān)同時(shí)跳閘不會擴(kuò)大故障影響范圍，也避免了上述情況的發(fā)生。

b.不少設(shè)計(jì)中對0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)長延時(shí)時(shí)間參數(shù)的整定多按照經(jīng)驗(yàn)值，忽視了與高壓側(cè)反時(shí)限過電流保護(hù)的配合，可能會導(dǎo)致配電變高壓側(cè)開關(guān)先于0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)動作。對于該問題，只需根據(jù)高壓側(cè)反時(shí)限動作特性曲線，調(diào)整0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)長延時(shí)的時(shí)間參數(shù)，使0.4 kV 側(cè)動作曲線靠近并低于高壓側(cè)反時(shí)限曲線，從而既保證開關(guān)選擇性，又使配電變?nèi)萘康玫匠浞掷谩?/p>

c.0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)短延時(shí)電流整定值不宜過大。若0.4 kV 進(jìn)線短延時(shí)電流整定值過高，高壓側(cè)斷路器定時(shí)限過電流保護(hù)整定值也被迫提高，既降低了保護(hù)本身的靈敏度，也使高壓側(cè)反時(shí)限過電流保護(hù)范圍擴(kuò)大，為了與配電變過載曲線相匹配，反時(shí)限曲線必然被拉低，從而使變壓器容量得不到充分利用。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)短延時(shí)整定值不宜超過配電變壓器額定電流的3 倍。

（2）0.4 kV 進(jìn)線、母聯(lián)與饋線斷路器之間的保護(hù)配合。若0.4 kV 饋出線短路故障造成進(jìn)線斷路器誤動作，勢必造成故障范圍擴(kuò)大，因此它們之間的選擇性是非常重要的。

目前，0.4 kV 進(jìn)線、母聯(lián)斷路器均采用選擇型斷路器，而0.4 kV 饋線斷路器中選擇型和非選擇型均有采用，選擇型斷路器與非選擇型斷路器之間的保護(hù)配合是比較容易實(shí)現(xiàn)的，而選擇型斷路器之間的配合主要體現(xiàn)在短延時(shí)的整定上，且應(yīng)盡量滿足式（1）的整定要求。建議短延時(shí)動作時(shí)間按如下整定：0.4 kV 進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器分別設(shè)為0.4 s 和0.3 s，而0.4 kV 饋線斷路器整定值不超過0.2 s，這樣在整定計(jì)算時(shí)將很容易實(shí)現(xiàn)上下級之間的選擇性。同時(shí)要求配電變高壓側(cè)開關(guān)的定時(shí)限過電流保護(hù)動作時(shí)間不小于0.4 s，一般來說，中壓環(huán)網(wǎng)對配電變高壓側(cè)開關(guān)進(jìn)行整定時(shí)要滿足這一要求并不難。若0.4 kV 進(jìn)線斷路器還配置了接地故障保護(hù)，由于整定值較低，其動作時(shí)間應(yīng)大于 0.4 kV 饋線開關(guān)中短延時(shí)或接地故障保護(hù)動作時(shí)間的最大值。

0.4 kV 進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器和各饋出線斷路器均安裝在低壓開關(guān)柜內(nèi)，連接母排長度較短，為保證選擇性，0.4 kV 進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器不宜設(shè)瞬時(shí)保護(hù)。目前進(jìn)線、母聯(lián)斷路器均采用框架式，而饋線開關(guān)一般采用塑殼式，在有條件保證選擇性的情況下，如利用斷路器的能量選擇性，進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器可在一處設(shè)置瞬時(shí)保護(hù)裝置，若進(jìn)線斷路器設(shè)瞬時(shí)保護(hù)裝置，可保證母線故障時(shí)進(jìn)線斷路器迅速動作；母聯(lián)斷路器設(shè)瞬時(shí)保護(hù)裝置，主要是考慮當(dāng)母聯(lián)自投到故障線路上時(shí)，母聯(lián)斷路器迅速跳閘。

三級負(fù)荷總開關(guān)位于進(jìn)線開關(guān)與三級負(fù)荷回路饋線開關(guān)之間，保護(hù)范圍小且上下級配合困難，短延時(shí)（若設(shè)）時(shí)間設(shè)定值可與下級饋線開關(guān)中短延時(shí)最大動作時(shí)間一致，電流整定值可在滿足保護(hù)靈敏度要求的情況下取較大值，盡量保證與上下級開關(guān)的選擇性。

（3）0.4 kV 饋線斷路器與下一級開關(guān)的保護(hù)配合。0.4 kV 低壓開關(guān)柜的饋出開關(guān)和下一級開關(guān)是否考慮保護(hù)的選擇性，與低壓配電形式有關(guān)，分2 種情況進(jìn)行討論：

a.若0.4 kV 饋線對應(yīng)配電箱（柜）的進(jìn)線開關(guān)為負(fù)荷開關(guān)，則其下一級開關(guān)為配電箱出線回路開關(guān)，應(yīng)按照選擇性的原則進(jìn)行整定。有新建工程設(shè)計(jì)中，0.4 kV 饋線開關(guān)全部采用選擇型斷路器，該設(shè)計(jì)方便與下級開關(guān)的配合，但增大了投入成本。

b.由于地鐵運(yùn)營管理的需要，環(huán)控進(jìn)線柜、冷水機(jī)組電源箱等設(shè)備的進(jìn)線開關(guān)一般采用斷路器，該情況下若考慮0.4 kV 饋線開關(guān)與下一級電源開關(guān)的選擇性，往往比較困難。尤其是當(dāng)回路容量較大時(shí)，0.4 kV 饋線開關(guān)與下一級電源開關(guān)均設(shè)短延時(shí)作為短路保護(hù)，在動作時(shí)間無法配置級差的情況下，為保證選擇性，整定值需滿足式（2），這就造成短延時(shí)整定值過大。如某地下車站，配電變?nèi)萘繛? 250 kV·A，按上述原則整定，0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)短延時(shí)整定值達(dá)到9 000 A，高壓側(cè)保護(hù)很難與之配合。

考慮到以上配電回路均采用放射式，即0.4 kV低壓開關(guān)柜饋出開關(guān)與下級電源開關(guān)是一對一的關(guān)系，即使發(fā)生越級或上下級同時(shí)跳閘的情況，故障影響范圍也并沒有擴(kuò)大。建議對于該情況，可不考慮上下級的保護(hù)選擇性，只要將上下級斷路器之間電流整定值稍微拉開。而且過于強(qiáng)調(diào)與下級電源開關(guān)的級聯(lián)關(guān)系也會相應(yīng)地增大饋出電纜的截面，造成資金浪費(fèi)。此外在今后的低壓配電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮在配電箱（柜）電源進(jìn)線處統(tǒng)一采用負(fù)荷開關(guān)，從根本上解決該問題。

5 結(jié)論

在低壓斷路器過流保護(hù)整定過程中，上下級配合是必須要考慮的問題，同時(shí)也為斷路器的整定工作帶來一些困難。通過對地鐵低壓配電系統(tǒng)中各級斷路器的配合問題進(jìn)行逐級分析，提出了以下觀點(diǎn)和建議，可供今后的工程設(shè)計(jì)參考。

（1）0.4 kV 進(jìn)線開關(guān)短延時(shí)電流整定值不宜過大，建議不超過配電變壓器額定電流的3 倍，且動作時(shí)限不應(yīng)大于高壓側(cè)定時(shí)限過電流保護(hù)動作時(shí)限。

（2）為保證選擇性，0.4 kV 進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器、饋線斷路器（若設(shè)）的短延時(shí)動作時(shí)限應(yīng)設(shè)置級差，可分別設(shè)為0.4、0.3 和0.2 s。

（3）0.4 kV 進(jìn)線、母聯(lián)斷路器不宜設(shè)瞬時(shí)保護(hù)裝置，當(dāng)有條件滿足選擇性時(shí)，可在其中一處設(shè)置。

（4）為方便保護(hù)配合，0.4 kV 饋線開關(guān)可全部采用選擇型斷路器。

（5）在不擴(kuò)大故障影響范圍的情況下，0.4 kV饋線斷路器整定時(shí)可不優(yōu)先考慮與下一級電源開關(guān)（斷路器）的保護(hù)選擇性，只要將上下級斷路器的電流整定值稍微拉開。并建議用負(fù)荷開關(guān)代替該級斷路器。

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