關(guān)于西安地鐵進(jìn)線斷路器越級(jí)跳閘問題的研究

靳志方

關(guān)于西安地鐵進(jìn)線斷路器越級(jí)跳閘問題的研究

靳志方

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司西安710000)

分析西安地鐵0.4 kV進(jìn)線斷路器越級(jí)跳閘的原因，提出重新整定變壓器高低壓側(cè)斷路器的保護(hù)定值，確保上下級(jí)匹配;增加0.4 kV母聯(lián)斷路器備自投啟動(dòng)程序的閉鎖條件;增加設(shè)置變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)等3種解決方案。進(jìn)而對(duì)方案的實(shí)現(xiàn)方式以及存在的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，最終給出安全可靠的、既能從根本上解決0.4 kV進(jìn)線斷路器越級(jí)跳閘又不影響0.4 kV母聯(lián)斷路器備自投的方案，結(jié)果表明，該方案能有效提高0.4 kV供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。

軌道交通;越級(jí)跳閘;母聯(lián)斷路器;縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù);備自投;閉鎖

1 研究背景

0.4 kV低壓斷路器越級(jí)跳閘，嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常供電。2014年2月10日，西安地鐵2號(hào)線一車站變電所0.4 kV低壓開關(guān)柜室內(nèi)由于屋頂結(jié)構(gòu)縫漏水，造成0.4 kV低壓開關(guān)柜Ⅰ段母排短路，0.4 kVⅠ段進(jìn)線斷路器(801)未先跳閘，而越級(jí)到1號(hào)動(dòng)力變高壓側(cè)35 kV斷路器(104 A)跳閘，造成0.4 kV低壓開關(guān)柜啟動(dòng)母聯(lián)備自投程序，在故障未切除的情況下，0.4 kV母聯(lián)斷路器(803)合閘，將故障波及到?jīng)]有發(fā)生故障的Ⅱ段，同理造成2號(hào)動(dòng)力變高壓側(cè)35 kV(104 B)跳閘，導(dǎo)致全站0.4 kV供電系統(tǒng)失電，嚴(yán)重影響了地鐵的正常運(yùn)營(yíng)秩序。

2 越級(jí)跳閘原因分析

分析0.4 kV低壓斷路器越級(jí)跳閘的原因，首先要了解地鐵的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、0.4 kV母聯(lián)斷路器備自投邏輯關(guān)系、斷路器本身特性，分析相關(guān)斷路器的定值設(shè)置等，為解決方案提供依據(jù)。

2.1 西安地鐵2號(hào)線供電系統(tǒng)

西安地鐵采用110/35 kV兩級(jí)電壓集中供電方式，在行政中心、會(huì)展中心設(shè)2座地下式主變電站，每座主變電站各帶3個(gè)供電分區(qū)，供電分區(qū)內(nèi)經(jīng)35 kV環(huán)網(wǎng)電纜將車站變電所環(huán)串成供電網(wǎng)絡(luò);在第三供電分區(qū)末端所設(shè)置35 kV聯(lián)絡(luò)開關(guān)與第四供電分區(qū)末端所相連，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主站之間的聯(lián)系［1］。

每個(gè)車站變電所35 kV氣體絕緣開關(guān)柜(GIS，gas insulated switchgear)一次主接線采用單母線分段，0.4 kV低壓開關(guān)柜一次主接線亦采用單母線分段，主接線方式如圖1所示。35 kV GIS采用西門子8DA10開關(guān)柜;35/0.4 kV動(dòng)力變壓器采用順特干式變壓器;0.4 kV低壓開關(guān)柜進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器均采用ABB E系列斷路器。

圖1 典型地鐵車站降壓變電所主接線方式［2］

2.2 0.4 kV低壓開關(guān)備自投程序邏輯分析

0.4 kV低壓開關(guān)備自投程序:控制字投入/退出(當(dāng)?shù)毓裥盘?hào)燈亮表示退出、信號(hào)燈滅表示投入)，通過軟件實(shí)現(xiàn);當(dāng)?shù)赝度?退出把手，采用硬件控制，當(dāng)兩種方式均為投入時(shí)，備自投功能才能投入，否則不啟動(dòng)備自投［3］。此種設(shè)計(jì)使在電力監(jiān)控終端和設(shè)備都能進(jìn)行備自投的投入與退出，增加了系統(tǒng)的靈活性。備自投功能啟動(dòng)滿足條件:控制字投入、投入/退出(把手)投入;I(Ⅱ)段失壓，Ⅱ(I)段有壓;進(jìn)線斷路器801、802合閘位［4］，此時(shí)母聯(lián)斷路器803備自投程序啟動(dòng):分801(802)，分三級(jí)負(fù)荷總開關(guān)901、902，合803，整個(gè)備自投程序完成。備自投程序啟動(dòng)邏輯如圖2所示。

圖2 0.4 kV母聯(lián)斷路器803備自投啟動(dòng)邏輯

2.3 保護(hù)定值情況分析

變壓器高壓側(cè)35 kV斷路器104A、104B設(shè)置電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、零序過電流保護(hù)、輕過負(fù)荷保護(hù)(告警功能)［5］;0.4 kV進(jìn)線斷路器801、802設(shè)置短延時(shí)保護(hù)、長(zhǎng)延時(shí)(過載)保護(hù)、接地保護(hù)，母聯(lián)斷路器803設(shè)置短延時(shí)保護(hù)、長(zhǎng)延時(shí)(過載)保護(hù)［6］。

104A(104B)電流速斷(50):I1=144 A，T1=0.1 s［5］; 801(802)短延時(shí)電流:I2=5.1In=12 750 A(脫扣器額定電流:2 500 A)，時(shí)間T2=0.2 s;803短延時(shí)電流: I3=5.1In=12 750(脫扣器額定電流:2 500 A)，時(shí)間T3=0.2 s［6］。變壓器檔位在1檔，變比為:35×1.05/0.4 =91.875，因此將I2、I3的整定值12 750 A折算到35 kV側(cè)的電流值為138.8 A，此值與104A(104B)的整定值144 A幾乎相等;0.4 kV進(jìn)線斷路器801(802)的時(shí)間T2=0.2 s，803的時(shí)間T3=0.2 s，T1＜T2、T1＜T3，因此0.4 kV低壓開關(guān)柜發(fā)生故障時(shí)，從定值設(shè)置角度分析發(fā)生越級(jí)跳閘是正?，F(xiàn)象。

在2月10日越級(jí)跳閘事故中，35 kV斷路器保護(hù)報(bào)文顯示104A的動(dòng)作值電流為260 A，時(shí)間為108 ms;動(dòng)作值260 A＞I1=144 A，時(shí)間108 ms＞T1=100 ms，104A跳閘屬于正?，F(xiàn)象;260 A折算到0.4 kV側(cè)電流值為23 887.5 A，23 887.5 A＞I2=12 750 A，但時(shí)間108 ms＜T2=200 ms，因此801未跳閘也屬于正?，F(xiàn)象;由于104A斷路器跳閘，使1號(hào)動(dòng)力變壓器失壓(Ⅰ段失壓)，滿足母聯(lián)斷路器(803)備自投啟動(dòng)條件，801分閘，901分閘、902分閘、803合閘，由于Ⅰ段的母排短路點(diǎn)未消除，同理，越級(jí)跳閘使104B斷路器跳閘，使2號(hào)動(dòng)力變壓器失壓(Ⅱ段失壓)，至此，1號(hào)、2號(hào)動(dòng)力變壓器同時(shí)失壓，退出運(yùn)行。這次事故的發(fā)生，正是由于上下級(jí)電流速斷的值、與動(dòng)作時(shí)間不匹配造成的。

3 解決方案

3.1 方案1:重新整定變壓器高低壓側(cè)定值，確保上下級(jí)匹配

35/0.4 kV變壓器為干式變壓器，高壓側(cè)主保護(hù)為溫度保護(hù)、電流速斷保護(hù)，后備保護(hù)為過流保護(hù)、輕過負(fù)荷保護(hù)(報(bào)警);電流速斷保護(hù)是反應(yīng)電流增大而瞬時(shí)動(dòng)作的保護(hù)，對(duì)變壓器及其引出線上各種形式的短路進(jìn)行保護(hù)。電流速斷保護(hù)的整定計(jì)算按躲開變壓器負(fù)荷側(cè)出口出點(diǎn)短路時(shí)的最大短路電流來整定［7］。

按照文獻(xiàn)［8-9］的變壓器保護(hù)整定原則，高壓側(cè)電流速斷保護(hù)定值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，低壓側(cè)0.4 kV斷路器短延時(shí)保護(hù)不匹配。

按整定原則低壓側(cè)0.4 kV進(jìn)線斷路器801、802保護(hù)定值整定為:短延時(shí)保護(hù)電流值由原來的I2=5.1In =12 750 A整定為現(xiàn)在的I2'=3.4In=8 500 A，時(shí)限由原來的T2=0.2 s整定為現(xiàn)在的T2'=0.1 s，其他保護(hù)及整定值均不變;母聯(lián)斷路器803保護(hù)值整定為:短延時(shí)保護(hù)電流值由原來的I2=5.1In=12 750 A整定為現(xiàn)在的3In=7 500 A，時(shí)限由原來的T3=0.2 s改為現(xiàn)在T3'=0.1 s;瞬時(shí)保護(hù)I4投入，電流I4=3.3 In=8 250 A，T4=0。此時(shí)，在母排短路的情況下，801(802)與104A (104B)的速斷電流值均能夠達(dá)到，T1=T2'=0.1 s，理論上，104A(104B)、801(802)同時(shí)跳閘，不滿足母聯(lián)備自投程序邏輯;如果801(802)先跳閘，104A(104B)未跳閘，不滿足母聯(lián)備自投程序邏輯;如果104A(104B)先跳閘，801 (802)未跳閘，則滿足母聯(lián)備自投啟動(dòng)條件，合803，將Ⅰ段(Ⅱ段)的故障波及到Ⅱ段(Ⅰ段)，由于803的I4投入，理論上803先動(dòng)作跳閘，不會(huì)造成全所失壓的情況，但由于0.1 s的級(jí)差太小(一般級(jí)差設(shè)置0.5 s)，所以仍存在越級(jí)跳閘的隱患。

3.2 方案2:增加設(shè)置備自投啟動(dòng)的閉鎖條件

目前，地鐵車站變電所各級(jí)用電設(shè)備電源均取自0.4 kV低壓開關(guān)柜，重要負(fù)荷如通信、信號(hào)、FAS(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))等均從0.4 kV低壓開關(guān)柜Ⅰ段、Ⅱ段分別取一路電源，任意一段退出運(yùn)行，不影響重要設(shè)備的正常運(yùn)行，也不影響正常的行車秩序。因此，根據(jù)在故障情況下從允許退出一段設(shè)備供電的角度出發(fā)解決越級(jí)跳閘問題，也未嘗不失為一種解決方案。

由0.4 kV低壓開關(guān)母聯(lián)備自投的程序原理，可以有兩個(gè)方式實(shí)現(xiàn)閉鎖備自投的途徑:閉鎖信號(hào)直接輸入到母聯(lián)備自投PLC(可編程邏輯控制器);閉鎖信號(hào)退出母聯(lián)備自投控制字。

3.2.1 閉鎖信號(hào)直接輸入到母聯(lián)備自投PLC

在0.4 kV母聯(lián)備自投PLC中設(shè)置閉鎖關(guān)系，當(dāng)1號(hào)(2號(hào))動(dòng)力變壓器高壓側(cè)35 kV斷路器104A (104B)發(fā)生速斷動(dòng)作時(shí)，給0.4 kV低壓開關(guān)母聯(lián)備自投PLC中輸入一個(gè)閉鎖信號(hào)，備自投程序判斷此信號(hào)存在(此故障信號(hào)保持，復(fù)位后才能消失)，閉鎖啟動(dòng)備自投程序。此方案需要修改0.4 kV低壓開關(guān)母聯(lián)備自投PLC程序。

3.2.2 閉鎖信號(hào)退出母聯(lián)備自投控制字

在電力監(jiān)控(PSCADA)中設(shè)置閉鎖關(guān)系，當(dāng)1號(hào)(2號(hào))動(dòng)力變壓器35 kV斷路器104A(104B)發(fā)生速斷動(dòng)作后，給0.4 kV低壓開關(guān)母聯(lián)備自投控制字輸入一個(gè)閉鎖信號(hào)，使母聯(lián)備自投撤出運(yùn)行，同樣也能不啟動(dòng)備自投。此方案僅在電力監(jiān)控中進(jìn)行，不涉及設(shè)備本體程序的改動(dòng)，可操作性很強(qiáng)，對(duì)其他設(shè)備的干擾也最小。

通過兩種實(shí)現(xiàn)方式對(duì)比得知，閉鎖信號(hào)退出母聯(lián)備自投控制字是比較合理、簡(jiǎn)便、安全可靠的方式。此方案唯一缺點(diǎn)是:當(dāng)35 kV動(dòng)力變壓器、電纜等出現(xiàn)故障，引起104A、104B速斷保護(hù)動(dòng)作跳閘時(shí)，0.4 kV母聯(lián)斷路器備自投不能正常投入運(yùn)行。但此時(shí)，另外一段還能正常供電，專業(yè)人員趕到現(xiàn)場(chǎng)如果確認(rèn)是由變壓器、電纜等發(fā)生故障后引起的，可以和電調(diào)聯(lián)系，由電調(diào)將母聯(lián)斷路器803合閘，恢復(fù)兩段同時(shí)供電;同時(shí)由電調(diào)投入0.4 kV低壓開關(guān)母聯(lián)備自投控制字，為下一次動(dòng)作做好準(zhǔn)備。

此方案避免了由于越級(jí)跳閘，導(dǎo)致全站失壓的可能性，保證了一段設(shè)備故障后，另一段設(shè)備能夠正常供電，可維持重要負(fù)荷的供電，是運(yùn)營(yíng)過程中可以接受的方案。

3.3 方案3:增加設(shè)置變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

根據(jù)變壓器的配置原則:應(yīng)裝設(shè)反應(yīng)變壓器繞組和引出線的多相短路及繞組匝間短路的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)或電流速斷保護(hù)作為主保護(hù)，瞬時(shí)動(dòng)作于斷開各側(cè)斷路器［10］。目前變壓器高壓側(cè)35 kV斷路器電流速斷保護(hù)與低壓側(cè)0.4 kV斷路器的短延時(shí)保護(hù)不匹配，按以上原則，可以設(shè)置變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，同時(shí)將高壓側(cè)35kV斷路器電流速斷保護(hù)退出運(yùn)行，這樣可以從根本上解決越級(jí)跳閘的問題。

縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)，動(dòng)作靈敏、無延時(shí)、不存在上下級(jí)配合的問題:當(dāng)0.4 kV低壓開關(guān)柜出現(xiàn)短路故障時(shí)，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)不啟動(dòng)(見圖3)，801(802)短延時(shí)達(dá)到整定值，進(jìn)線斷路器801(802)跳閘，由于此時(shí)達(dá)不到104A(104B)斷路器的過流時(shí)限，104A(104B)不跳閘，1號(hào)(2號(hào))動(dòng)力變壓器正常運(yùn)行，因此0.4kV低壓開關(guān)檢測(cè)到Ⅰ段(Ⅱ段)有壓(失壓條件判斷在0.4 kV進(jìn)線斷路器的進(jìn)線側(cè)，即靠近變壓器側(cè))，不滿足0.4 kV低壓開關(guān)柜母聯(lián)備自投啟動(dòng)條件，母聯(lián)斷路器803不會(huì)自動(dòng)合閘，不會(huì)將故障段波及到正常供電的另外一段;當(dāng)變壓器出現(xiàn)短路故障或者電纜故障時(shí)(見圖4)，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，將35 kV斷路器104A(104B)、0.4 kV進(jìn)線斷路器801(802)跳開，此時(shí)1號(hào)(2號(hào))動(dòng)力變壓器退出運(yùn)行，0.4 kV低壓開關(guān)柜設(shè)備是完好的，應(yīng)該啟動(dòng)0.4 kV母聯(lián)斷路器備自投程序，由于此時(shí)不滿足圖2中的條件，因此需要對(duì)邏輯程序進(jìn)行修改見圖5。縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)根據(jù)故障點(diǎn)出現(xiàn)位置的不同有選擇性地跳開相應(yīng)的開關(guān)，解決了越級(jí)跳閘問題，確保了設(shè)備安全可靠供電。

圖3 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)范圍外發(fā)生故障

圖4 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障

目前35 kV斷路器保護(hù)、0.4 kV進(jìn)線斷路器無差動(dòng)保護(hù)功能，需要增加縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)單元;35 kV開關(guān)柜室與0.4 kV低壓開關(guān)柜室有一定距離，建議兩個(gè)差動(dòng)保護(hù)單元采用光纖進(jìn)行通信;對(duì)目前的0.4 kV母聯(lián)斷路器803備自投啟動(dòng)條件需要進(jìn)行修改。如在既有設(shè)備上進(jìn)行改造，施工難度較大，無單獨(dú)差動(dòng)流互，而且保護(hù)單元也不易在柜面進(jìn)行安裝。在新線建設(shè)中，設(shè)計(jì)單位進(jìn)行充分考慮，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)不能滿足選擇性動(dòng)作要求、存在越級(jí)跳閘現(xiàn)象的站點(diǎn)，要增設(shè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)單元，避免出現(xiàn)兩路同時(shí)失壓的嚴(yán)重后果。

圖5 投入縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)后0.4 kV母聯(lián)斷路器803備自投啟動(dòng)邏輯

4 結(jié)語

通過分析0.4 kV進(jìn)線斷路器越級(jí)跳閘的原因及3種解決方案得出:

方案1通過對(duì)全站動(dòng)力、照明負(fù)荷進(jìn)行重新核算，重新整定0.4 kV進(jìn)線斷路器、母聯(lián)斷路器等的定值，理論上可行，但時(shí)限差值太小(0.1 s)，越級(jí)跳閘問題不能徹底解決，仍存在兩路同時(shí)失壓的隱患，但此方案僅對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行調(diào)整，最容易實(shí)現(xiàn)，且不需要投入改造資金;方案2從嚴(yán)格意義說雖不能解決越級(jí)跳閘的問題，但確保了在短路故障的情況下，有一路電源正常供電，能滿足正常運(yùn)營(yíng)的需要，此方案也較容易實(shí)現(xiàn)，而且投入改造資金不大;方案3能徹底解決越級(jí)跳閘問題，又不影響0.4 kV母聯(lián)備自投啟動(dòng)，但此方案改造難度較大，投入的改造資金也較大，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3種解決方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇。

［1］靳志方.西安地鐵二號(hào)線主變站電氣主接線方式的探討［J］.機(jī)電信息，2011，9(291):14.

［2］于偉松，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2008:415-420.

［3］地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50157—2013［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

［4］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院.西安市地鐵二號(hào)線北客站至?xí)怪行亩巫冸娝瓮ㄓ脠D［G］.西安，2011:40-52.

［5］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院.供電系統(tǒng)AC35 kV繼電保護(hù)整定值通知單［G］.西安，2014:14.

［6］西安市地下鐵道有限責(zé)任公司.供電系統(tǒng)維修培訓(xùn)教材［G］.西安，2012:35-40.

［7］賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2010:17-40.

［8］黃德勝，張巍.地下鐵道供電［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009:32-42.

［9］許建安，王風(fēng)華.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007:143-170.

［10］倪濤.地鐵供電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定配合研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2012.

(編輯:郝京紅)

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，工程師，從事軌道交通供電系統(tǒng)研究，jack_20090501@163.com