地鐵中壓供電系統(tǒng)零序保護(hù)整定探討

史 丹

0 引言

目前國內(nèi)大多數(shù)城市地鐵采用集中供電方式，新建110/35 kV主變電所，35 kV側(cè)一般為小電阻接地系統(tǒng)，35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)連接。針對(duì)線路上發(fā)生的單相接地短路，設(shè)置縱差保護(hù)作為主保護(hù)，零序過電流保護(hù)作為后備保護(hù)。針對(duì)變電所內(nèi)變壓器饋線回路發(fā)生單相接地短路，設(shè)置零序過電流保護(hù)。近年來隨著信息技術(shù)的發(fā)展，部分地鐵線路通過配置數(shù)字通信過電流保護(hù)判斷故障區(qū)域，滿足保護(hù)選擇性。

關(guān)于零序保護(hù)的整定值，目前設(shè)計(jì)單位整定原則并不一致，整定方法模糊不清，主要采用“經(jīng)驗(yàn)值”，給供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定隱患。本文首先建立地鐵環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)單相接地短路等效電路模型，理論分析零序電流保護(hù)的整定計(jì)算；通過某地鐵線路一次倒閘操作過程中發(fā)生的單相接地故障分析，進(jìn)一步說明零序保護(hù)整定中需要注意的問題，可為設(shè)計(jì)人員提供一定參考。

1 環(huán)網(wǎng)零序保護(hù)整定

零序保護(hù)的動(dòng)作電流應(yīng)滿足以下3個(gè)條件[1]：（1）應(yīng)可靠躲過線路的電容電流；（2）滿足線路單相接地故障靈敏度要求；（3）與上、下級(jí)開關(guān)零序電流保護(hù)定值配合。

為了滿足以上條件，一般零序電流保護(hù)定值較低，為了避免誤動(dòng)作，地鐵線路上的零序保護(hù)僅設(shè)置Ⅰ段零序過電流保護(hù)。線路上由于采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一個(gè)供電分區(qū)內(nèi)連接多個(gè)變電所，零序電流保護(hù)定值無法逐級(jí)配合。目前很多城市地鐵線路配置數(shù)字通信過電流保護(hù)[2]，可以判斷故障區(qū)域，不需要再逐級(jí)設(shè)置時(shí)間級(jí)差保證跳閘的選擇性。

在正常運(yùn)行方式下，地鐵1個(gè)主所通常會(huì)為2個(gè)供電分區(qū)供電，每個(gè)分區(qū)內(nèi)有4、5個(gè)變電所，如圖1所示，A1～A3和B1～B2為每條線路連接的變電所名稱，數(shù)量僅為示意。

圖1 地鐵主所供電示意圖

假設(shè)在A2變電所出線線路末端發(fā)生單相對(duì)地短路，系統(tǒng)等值電路如圖2所示。由于地鐵110/35 kV主變壓器二次側(cè)一般為三角形接線，是通過接地變壓器連接接地電阻構(gòu)成小電阻系統(tǒng)，在三角形接線中零序電流無法流通至主變壓器一次側(cè)，因此零序等值電路中無需考慮系統(tǒng)阻抗。圖中，XS為系統(tǒng)阻抗，XT為變壓器阻抗，ZL為線路正序阻抗，ZL0為線路零序阻抗，R為系統(tǒng)接地小電阻值，為相電壓，、、分別為短路點(diǎn)正序、負(fù)序和零序電壓。

圖2 單相對(duì)地短路時(shí)等值電路

正序和負(fù)序短路阻抗（變壓器和線路負(fù)序阻抗與正序相同）：

零序阻抗：

單相對(duì)地短路電流：

以某市一地鐵線路實(shí)際參數(shù)為例，取基準(zhǔn)容量Sb為100 MV·A，基準(zhǔn)電壓Ub為37 kV，最小運(yùn)行方式下，系統(tǒng)短路容量S按1 000 MV·A考慮，主變壓器容量ST為 40 MV·A，電壓百分比ukn取12.5%，接地電阻額定電流1 000 A，電阻20 Ω，線路正負(fù)序單位阻抗取(0.061 8 + j0.117 4) Ω/km，零序阻抗為(0.956 1 + j0.767 5) Ω/km[3]，最長的一個(gè)供電分區(qū)內(nèi)線路長度為8 km。

由以上計(jì)算可知，單相對(duì)地短路電流值受接地電阻值影響較大，受線路長度的影響較小。地鐵線路在應(yīng)急支援供電方式下，即1座主變電所給全線負(fù)荷供電時(shí)，支援線路長度長，零序保護(hù)整定應(yīng)按照應(yīng)急支援方式下可能的最長線路進(jìn)行核算，靈敏度系數(shù)Ksen取2。針對(duì)該工程，最長線路近25 km，同理計(jì)算可得單相接地短路電流為631 A。則零序保護(hù)動(dòng)作值：

同時(shí)，零序保護(hù)動(dòng)作值還應(yīng)躲過線路電容電流，可靠系數(shù)Kk取1.5。當(dāng)線路A發(fā)生單相對(duì)地短路故障時(shí)，非故障線路流過電纜電容對(duì)地電流，在非故障線路首端的零序電流為正常運(yùn)行時(shí)電纜電容電流的3倍[4～6]。同樣需要按照應(yīng)急支援供電方式下最長電纜線路考慮，利用式（4）進(jìn)行計(jì)算：

其中：Un為線路電壓；fn為線路頻率；C為每公里的電容值，電纜線路可取250 nF/km；l為線路長度。

當(dāng)線路長度為25 km時(shí)，代入式（4）可得：3Ic= 119 A，Iop≥Kk×3Ic= 178.5 A。

此外，還需考慮當(dāng)發(fā)生非金屬性單相對(duì)地短路，短路電流較小時(shí)的靈敏度，線路末端的零序電流保護(hù)整定值不宜過大，一般取0.2～0.3倍額定接地電流[7]。因此，針對(duì)該地鐵線路，選取零序保護(hù)動(dòng)作值180 A為合適的。

綜上所述，針對(duì)地鐵供電系統(tǒng)線路上的零序保護(hù)整定，當(dāng)采用數(shù)字電流保護(hù)時(shí)，全線路零序保護(hù)動(dòng)作電流值可采用統(tǒng)一值，但需要根據(jù)應(yīng)急支援運(yùn)行方式下最長線路進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)。當(dāng)未采用數(shù)字電流保護(hù)時(shí)，則需要根據(jù)每段線路長度分別計(jì)算，且在不同運(yùn)行方式下需設(shè)定不同的定值。

2 饋線零序保護(hù)整定

2.1 變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相對(duì)地短路

地鐵供電系統(tǒng)中每座變電所 35 kV母線連接變壓器高壓側(cè)均為三角形接線，低壓側(cè)的零序電流無法流通至高壓側(cè)，因此在35 kV變壓器饋線上設(shè)置的零序過流保護(hù)僅能保護(hù)到變壓器高壓側(cè)。一般情況下，35 kV母線至變壓器這段電纜長度不超過30 m，在整定值上無法與線路環(huán)網(wǎng)零序定值完全區(qū)分，可利用數(shù)字過電流保護(hù)判定故障區(qū)域或通過時(shí)間級(jí)差予以區(qū)分。

2.2 變壓器低壓側(cè)發(fā)生單相對(duì)地短路

當(dāng)變壓器低壓側(cè)發(fā)生單相對(duì)地短路時(shí)，以配電變壓器為例，當(dāng)配電變壓器與400 V開關(guān)柜分層布置，中間通過母線槽連接時(shí)，當(dāng)母線槽發(fā)生單相對(duì)地短路，35 kV饋線保護(hù)裝置無法檢測到零序電流，此時(shí)只能依靠35 kV饋線過電流保護(hù)。因此，在進(jìn)行35 kV饋線過電流保護(hù)整定時(shí)，需要對(duì)變壓器低壓側(cè)發(fā)生單相對(duì)地短路時(shí)的短路電流進(jìn)行校驗(yàn)。

3 典型事故案例分析

某市一地鐵線路在運(yùn)營調(diào)試期間發(fā)生一起400 V母線槽接地故障引起的跳閘事故。該線路局部供電系統(tǒng)如圖3所示（省略部分變電所）。

圖3 某地鐵線路局部供電系統(tǒng)

3.1 事故過程

該地鐵線路在運(yùn)營調(diào)試期間，主變電所2尚未具備供電條件，因此變電所B的聯(lián)絡(luò)開關(guān)102A和102B為合閘狀態(tài)，由主變電所1為全線負(fù)荷供電。事故發(fā)生當(dāng)晚，由于需對(duì)主變電所1的Ⅰ段和Ⅱ段35 kV線路分別進(jìn)行停電檢修作業(yè)，為了保證線路上負(fù)荷不失電，對(duì)線路進(jìn)行了倒閘操作。事故發(fā)生前，主變電所1的35 kV Ⅰ段母線停電，Ⅱ段母線帶電，變電所A的101B和103開關(guān)在合閘狀態(tài)。事故發(fā)生過程中，倒閘操作如表1所示（部分操作缺少時(shí)間記錄）。

表1 倒閘操作記錄

大約在1：28時(shí)，變電所C和D的Ⅱ段失電，低壓400 V側(cè)由于Ⅱ段進(jìn)線失壓跳閘，備自投自動(dòng)投入，由 400 V Ⅰ段電源為所有低壓負(fù)荷供電。在該過程中，變電所D的Ⅰ段配電變壓器與400 V進(jìn)線開關(guān)柜之間的母線槽發(fā)生接地短路故障，產(chǎn)生大量煙霧，但變電所D的104A并未動(dòng)作，而是變電所C的122 A零序保護(hù)出口跳閘。

3.2 事故原因分析

變電所D的104A和變電所C的122A保護(hù)裝置故障前后部分報(bào)文如表2和表3所示。IA，IB，IC和VAB，VBC，VCA分別為由電流互感器和電壓互感器采集到的一次側(cè)相電流和線電壓，Ig為由保護(hù)裝置計(jì)算得到的零序電流。104A作為變壓器保護(hù)開關(guān)，設(shè)置速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)以及零序電流保護(hù)。速斷電流整定一次值為 400 A，過電流保護(hù)整定一次值為150 A，過負(fù)荷保護(hù)整定一次值為 30 A，過負(fù)荷報(bào)警不跳閘，零序過電流保護(hù)整定一次值為100 A。

表2 變電所D的104A保護(hù)開關(guān)報(bào)文記錄

表3 變電所C的122A保護(hù)裝置報(bào)文記錄

表2和表3記錄時(shí)間均為各自保護(hù)裝置事件記錄時(shí)間，由于在調(diào)試階段，尚未完成設(shè)備統(tǒng)一對(duì)時(shí)，因此不同保護(hù)裝置的時(shí)間記錄存在時(shí)間誤差。

從表2中可知，約在01：28：29，Ⅱ段失電，400 V備自投合閘后，出現(xiàn)過電流，A相和C相電流為32 A，B相電流1 A，接近為0。配電變壓器采用DYn11接線型式，利用對(duì)稱分量法分析可知，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生C相接地短路時(shí)，高壓側(cè)B相電流為0，A相電流和C相電流值相等[8，9]，因此可以判定，在故障初期，低壓側(cè)母線槽 C相發(fā)生接地故障。隨后，故障發(fā)展成兩相、三相接地，短路電流也逐漸增大，01：28：29：552時(shí)檢測到C相電流超過整定值150 A，過電流保護(hù)跳閘延時(shí)設(shè)定為0.5 s，故障電流未達(dá)到時(shí)間定值時(shí)，變電所 C的122A先觸發(fā)保護(hù)跳閘，因此本所 104A未動(dòng)作。在此期間，104A高壓側(cè)計(jì)算的零序過電流Ig一直為0。

事故后對(duì)故障母線槽進(jìn)行拆解查看，發(fā)現(xiàn)最外側(cè)裸銅PE地排與緊鄰C相絕緣銅排電擊穿點(diǎn)周邊存在母線絕緣層擠壓跡象，銅排從外側(cè)向內(nèi)分別為E、C、B、A、N相依次排列，受損程度依次減輕。

從表3中可知，約在 01：28：29，變電所 C的122A出現(xiàn)三相不平衡電流，導(dǎo)致零序電流超過整定值100 A，此時(shí)由于出線101A和102A均未檢測到過流，因此保護(hù)裝置判定為母線故障，閉鎖出線開關(guān)動(dòng)作，母線保護(hù)延時(shí)為0.1 s，達(dá)到延時(shí)后，保護(hù)出口跳閘。

由于配電變壓器采用DYn11接線型式，變電所 D的配電變壓器低壓側(cè)發(fā)生單相接地短路時(shí)，在高壓側(cè)不會(huì)產(chǎn)生零序電流。在事故過后，斷開變電所D的104A斷路器，對(duì)變電所D的122A重新送電合閘時(shí)，122A再次產(chǎn)生較大的零序電流，但持續(xù)時(shí)間未超過0.1 s，沒有引起故障跳閘。因此可以判定，變電所C的122A故障跳閘和變電所D的母線槽單相接地短路故障相互之間沒有必然聯(lián)系。由于事故發(fā)生時(shí)收集到的信息較少，無法判斷122A沖擊電流和零序電流產(chǎn)生的具體原因。

3.3 電流整定值分析

由上述事故分析可知，對(duì)于變壓器低壓側(cè)至400 V進(jìn)線柜之間的這段線路，當(dāng)發(fā)生單相對(duì)地短路時(shí)，高壓側(cè)斷路器設(shè)置的零序保護(hù)無法檢測。因此，高壓側(cè)104A過電流保護(hù)的保護(hù)范圍應(yīng)一直延續(xù)到400 V進(jìn)線開關(guān)的上口，同時(shí)還需要考慮對(duì)單相接地故障的靈敏度。

上述案例中，變電所D的配電變壓器和400 V開關(guān)柜分層布置，中間通過母線槽連接，母線槽長度接近20 m。高壓側(cè)短路容量按300 MV·A考慮，配電變壓器容量為1 250 kV·A，變壓器阻抗電壓百分比為6%。通過計(jì)算或查圖集可得，在母線槽末端發(fā)生單相對(duì)地短路時(shí)，短路電流約為23 kA，折算到高壓側(cè)約為228 A。104 A斷路器過流整定值為150 A，滿足單相對(duì)地短路的靈敏度要求。但在事故發(fā)生初期，單相對(duì)地可能發(fā)生的是高電阻接地故障，故障電流小，無法達(dá)到整定值。

4 結(jié)論

本文全面分析了地鐵供電系統(tǒng)零序保護(hù)的整定計(jì)算方法。針對(duì)環(huán)網(wǎng)線路的零序保護(hù)，在考慮不同運(yùn)行方式下，可以按照最長線路工況下的單相短路電流進(jìn)行整定，在保證躲過電纜電容電流的情況下，使得整定電流盡量小，以保證在發(fā)生高電阻單相接地短路時(shí)的靈敏性要求。針對(duì)變壓器饋線回路設(shè)定的零序保護(hù)，無法保護(hù)變壓器低壓側(cè)的接地故障，而應(yīng)采用過流保護(hù)作為變壓器低壓側(cè)單相接地故障的主保護(hù)。通常配電變壓器饋線回路過電流的整定由于需要考慮與下級(jí)AC 400 V進(jìn)線開關(guān)短路短延時(shí)的保護(hù)配合，過流定值設(shè)置偏大，當(dāng)變壓器低壓側(cè)出線回路距離較長時(shí)，尤其需要校驗(yàn)線路末端發(fā)生單相對(duì)地短路時(shí)變壓器饋線過電流保護(hù)的靈敏度。如果靈敏度無法滿足要求，則需要考慮其他附加措施，例如在變壓器低壓側(cè)的線路上單獨(dú)設(shè)置零序電流互感器。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中也應(yīng)盡量將變壓器與下級(jí)進(jìn)線開關(guān)柜就近設(shè)置，避免出現(xiàn)較長的連接電纜或母線槽，從而減小事故發(fā)生機(jī)率。