數(shù)字通信保護(hù)應(yīng)用于航站樓10kV供電系統(tǒng)的可行性分析

鐘素梅 閆 石

數(shù)字通信保護(hù)應(yīng)用于航站樓10kV供電系統(tǒng)的可行性分析

鐘素梅1閆 石2

（1. 深圳市地鐵運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000； 2. 深圳市機(jī)場(chǎng)（集團(tuán)）有限公司，廣東 深圳 518103）

針對(duì)傳統(tǒng)分段式電流保護(hù)在航站樓10kV供電系統(tǒng)應(yīng)用中存在速動(dòng)段無保護(hù)范圍、故障切除時(shí)間長(zhǎng)等問題，提出一種采用允許式動(dòng)作邏輯的電流保護(hù)，該保護(hù)在傳統(tǒng)分段式電流保護(hù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化配置、整定，并借助數(shù)字通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)全線故障速切的功能。本文闡述保護(hù)在不同工況下的動(dòng)作邏輯，分析其速動(dòng)性、選擇性、可靠性，并建議保護(hù)采用IEC 61850/面向通用對(duì)象的變電站事件（GOOSE）通信方式。

航站樓；10kV供電系統(tǒng)；繼電保護(hù)；數(shù)字通信保護(hù)；允許式動(dòng)作邏輯

0 引言

國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)航站樓10kV供電系統(tǒng)具有配電級(jí)數(shù)多、供電半徑短的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的分段式保護(hù)難以兼顧選擇性和速動(dòng)性，較難滿足其電能質(zhì)量、供電可靠性的高要求。本文提出一種基于數(shù)字通信技術(shù)的允許式動(dòng)作邏輯電流保護(hù)，為航站樓10kV供電系統(tǒng)提供全線故障速切功能。

1 航站樓10kV供電系統(tǒng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)

航站樓通常設(shè)置若干10kV中心變電站、分變電站，10kV側(cè)均采用單母分段接線，分變電站從中心變電站的不同段母線分別引入2路10kV電源，中心變電站從機(jī)場(chǎng)110kV變電站的不同段母線分別引入2路10kV電源[1-4]，形成閉環(huán)接線、但開環(huán)的運(yùn)行方式。航站樓10kV供電系統(tǒng)接線如圖1所示。

由于供電半徑很短，且受接地變壓器及接地電阻的影響，各級(jí)10kV母線的單相接地短路電流水平幾乎相同，三相短路電流水平也差別不大。繼電保護(hù)裝置僅能依靠時(shí)間級(jí)差實(shí)現(xiàn)有選擇性地切除故障，但受110kV變壓器10kV側(cè)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的限制，上、下級(jí)電流保護(hù)按0.3s時(shí)間級(jí)差整定可能難以配合。電流Ⅰ段保護(hù)因線路長(zhǎng)度太短而沒有保護(hù)范圍，故障只能由電流Ⅱ段保護(hù)切除。故障的延時(shí)切除，對(duì)電氣設(shè)備不利，可能導(dǎo)致母線大量甩負(fù)荷，對(duì)電壓暫降敏感的行李處理系統(tǒng)、自動(dòng)人行步道等設(shè)備也會(huì)受到影響[5]。

圖1 航站樓10kV供電系統(tǒng)接線

2 數(shù)字通信保護(hù)的原理

理論和實(shí)踐證明，基于信息交換和比較的數(shù)字通信保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)有選擇性地快速切除故障，如應(yīng)用于輸變電系統(tǒng)中的縱聯(lián)保護(hù)、配電系統(tǒng)中的廣域式保護(hù)、建筑電氣系統(tǒng)中的級(jí)間選擇連鎖技 術(shù)[6-7]。國(guó)內(nèi)某些機(jī)場(chǎng)10kV配置線路差動(dòng)保護(hù)，但不能反應(yīng)相鄰元件的故障，不能作相鄰元件的后備保護(hù)，有一定局限性。在航站樓10kV供電系統(tǒng)中應(yīng)用的數(shù)字通信保護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，它無需考慮保護(hù)的方向性，相鄰保護(hù)之間僅需進(jìn)行開關(guān)量的交換與比較。根據(jù)對(duì)信息的利用方式，分為閉鎖式動(dòng)作邏輯和允許式動(dòng)作邏輯兩種。

閉鎖式保護(hù)即上級(jí)電流保護(hù)在動(dòng)作時(shí)間內(nèi)收到下級(jí)電流保護(hù)的閉鎖信號(hào)后閉鎖保護(hù)，否則在故障持續(xù)時(shí)間達(dá)到動(dòng)作時(shí)間后動(dòng)作出口[8]。允許式保護(hù)即上級(jí)電流保護(hù)啟動(dòng)并收到下級(jí)電流保護(hù)的允許信號(hào)后，判斷為區(qū)內(nèi)故障進(jìn)而動(dòng)作出口。由于閉鎖式保護(hù)的原理導(dǎo)致上級(jí)電流保護(hù)無法作為下級(jí)電流保護(hù)的后備，必須配置失靈保護(hù)，而允許式保護(hù)則不需要，其動(dòng)作邏輯更簡(jiǎn)單；發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，閉鎖信號(hào)丟失會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，而允許信號(hào)丟失不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，其安全性、可靠性更高。

3 允許式保護(hù)的配置及整定

航站樓10kV供電系統(tǒng)故障如圖2所示，保護(hù)點(diǎn)11、12為10kV變壓器繼電保護(hù)裝置，配置相間及零序電流Ⅰ、Ⅲ段保護(hù)。相間短路電流Ⅰ段按躲過0.4kV側(cè)出口最大短路電流整定，動(dòng)作時(shí)間按40ms整定以防止避雷器動(dòng)作引起保護(hù)誤動(dòng)；相間短路電流Ⅲ段按躲過最大負(fù)荷電流并與0.4kV側(cè)保護(hù)配合整定，對(duì)0.4kV側(cè)出口最小兩相短路電流有規(guī)定的靈敏度，動(dòng)作時(shí)間按0.4s整定。零序電流Ⅰ段按20%～40%的額定電流整定，動(dòng)作時(shí)間與相間短路電流Ⅰ段相同；零序電流Ⅲ段按10%～20%的額定電流整定，動(dòng)作時(shí)間與相間短路電流Ⅲ段相同。

圖2 航站樓10kV供電系統(tǒng)故障

保護(hù)點(diǎn)7、8為出線繼電保護(hù)裝置，保護(hù)點(diǎn)56、78為母線分段繼電保護(hù)裝置，保護(hù)點(diǎn)5、6、9、10為進(jìn)線繼電保護(hù)裝置，均配置相間短路電流Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)及零序電流Ⅲ段保護(hù)?？紤]終端變電站中進(jìn)線繼電保護(hù)裝置只反應(yīng)母線故障，進(jìn)線繼電保護(hù)裝置與其上級(jí)出線繼電保護(hù)裝置的整定值相同。相間短路電流Ⅱ段按對(duì)本線路末端有規(guī)定的靈敏度并與下級(jí)電流保護(hù)的Ⅰ或Ⅱ段配合整定；相間短路電流Ⅲ段按躲過最大負(fù)荷電流并與下級(jí)電流保護(hù)的Ⅲ段配合整定，對(duì)本線路末端及下級(jí)元件末端有規(guī)定的靈敏度。零序電流Ⅲ段按躲過本線路最大電容電流，對(duì)本線路經(jīng)電阻單相接地故障有規(guī)定的靈敏度并與下級(jí)電流保護(hù)的Ⅲ段配合整定?？紤]母線并列運(yùn)行屬于特殊運(yùn)行方式，為簡(jiǎn)化整定，母線分段保護(hù)的電流整定值與其上級(jí)進(jìn)線保護(hù)的相同。如圖2中保護(hù)點(diǎn)8、10的整定值相同，按與保護(hù)點(diǎn)12配合整定。保護(hù)點(diǎn)78的電流整定值與保護(hù)點(diǎn)9、10中較大者相同?？紤]彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器、采用傅里葉全波算法的微機(jī)保護(hù)的性能及110kV變壓器的10kV側(cè)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間限制，時(shí)間級(jí)差按0.2s整定[9]。各級(jí)繼電保護(hù)裝置的相間短路電流Ⅲ段與零序電流Ⅲ段的動(dòng)作時(shí)間相同。各繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間見表1。

表1 保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

10kV變壓器繼電保護(hù)裝置作為10kV系統(tǒng)末端保護(hù)，僅向其上級(jí)繼電保護(hù)裝置發(fā)送信號(hào)，而不接收信號(hào)。其余繼電保護(hù)裝置則接收下級(jí)繼電保護(hù)裝置的信號(hào)，向上級(jí)繼電保護(hù)裝置發(fā)送信號(hào)。10kV變壓器電流保護(hù)Ⅰ、Ⅲ段均參與數(shù)字通信保護(hù)，其余線路電流保護(hù)由靈敏度高的Ⅲ段參與數(shù)字通信保護(hù)，電流Ⅱ段作為后備保護(hù)。

進(jìn)線、出線、母線分段保護(hù)動(dòng)作邏輯分別如圖3～圖5所示。從圖3～圖5可知，允許信號(hào)是保護(hù)動(dòng)作的加速信號(hào)，傳輸?shù)氖菂^(qū)內(nèi)故障信息。延時(shí)一即保護(hù)加速動(dòng)作時(shí)間，其大小與通信方式的類型、性能有關(guān)[10-12]，若按40ms整定，還可防止避雷器動(dòng)作引起的保護(hù)誤動(dòng)。延時(shí)二即保護(hù)Ⅲ段動(dòng)作時(shí)間。進(jìn)線繼電保護(hù)裝置動(dòng)作出口后向其上級(jí)出線繼電保護(hù)裝置發(fā)送加速動(dòng)作出口信號(hào)能防止進(jìn)線電流保護(hù)出現(xiàn)死區(qū)與進(jìn)線斷路器拒動(dòng)導(dǎo)致的故障延時(shí)切除。

圖3 進(jìn)線保護(hù)動(dòng)作邏輯

圖4 出線保護(hù)動(dòng)作邏輯

圖5 母線分段保護(hù)動(dòng)作邏輯

4 允許式保護(hù)的動(dòng)作

4.1 母線分列運(yùn)行時(shí)保護(hù)的動(dòng)作

1）圖2中K1故障（10kV/0.4kV變壓器故障），保護(hù)點(diǎn)12延時(shí)0.4s跳閘。保護(hù)點(diǎn)78不動(dòng)作。保護(hù)點(diǎn)10啟動(dòng)后未收到保護(hù)點(diǎn)12的未啟動(dòng)信號(hào)，斷路器延時(shí)0.8s跳閘及閉鎖備自投。保護(hù)點(diǎn)8啟動(dòng)后未收到保護(hù)點(diǎn)10的未啟動(dòng)信號(hào)，斷路器延時(shí)0.8s跳閘。保護(hù)點(diǎn)56不動(dòng)作。保護(hù)點(diǎn)6啟動(dòng)后未收到保護(hù)點(diǎn)8的未啟動(dòng)信號(hào)，斷路器延時(shí)1.2s跳閘及閉鎖備自投。

2）圖2中K2故障（10kV母線故障），保護(hù)點(diǎn)10啟動(dòng)并在收到保護(hù)點(diǎn)11、12、78的未啟動(dòng)跳閘信號(hào)后，斷路器延時(shí)40ms向保護(hù)點(diǎn)8發(fā)送進(jìn)線保護(hù)動(dòng)作出口信號(hào)，并跳閘及閉鎖備自投。保護(hù)點(diǎn)8啟動(dòng)并在收到保護(hù)點(diǎn)10的信號(hào)后，斷路器無延時(shí)跳閘。保護(hù)點(diǎn)56不動(dòng)作。保護(hù)點(diǎn)6啟動(dòng)未收到保護(hù)點(diǎn)8的未啟動(dòng)信號(hào)，斷路器延時(shí)1.2s跳閘及閉鎖備 自投。

3）圖2中K3故障（10kV線路故障），保護(hù)點(diǎn)8啟動(dòng)并在收到保護(hù)點(diǎn)10的未啟動(dòng)信號(hào)后，斷路器延時(shí)40ms跳閘。保護(hù)點(diǎn)56不動(dòng)作。保護(hù)點(diǎn)6啟動(dòng)未收到保護(hù)點(diǎn)8的未啟動(dòng)信號(hào)，斷路器延時(shí)1.2s跳閘及閉鎖備自投。

上述分析為故障僅導(dǎo)致電流保護(hù)Ⅲ段動(dòng)作，若故障電流能使電流保護(hù)Ⅰ、Ⅱ段動(dòng)作，則保護(hù)動(dòng)作時(shí)間縮短，母線分列運(yùn)行時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間見表2。

表2 母線分列運(yùn)行時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

4.2 母線并列運(yùn)行時(shí)保護(hù)的動(dòng)作

若B1母帶B2母并列運(yùn)行，保護(hù)點(diǎn)56會(huì)啟動(dòng)，分析與4.1節(jié)類同，各保護(hù)動(dòng)作時(shí)間見表3。

表3 母線并列運(yùn)行時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

4.3 通信故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作

由于允許式信號(hào)是使繼電保護(hù)裝置加速動(dòng)作的信號(hào)，無論是發(fā)生區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障，允許信號(hào)的丟失都不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)，只是無法加速而按原有分段式保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間配合，仍然滿足選擇性的要求。

5 通信方式

通信方式是實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置全線故障速切的關(guān)鍵。IEC 61850/面向通用對(duì)象的變電站事件（general object oriented substation events, GOOSE）通信方式在電力系統(tǒng)已有廣泛的應(yīng)用，其先進(jìn)性與可靠性已得到驗(yàn)證，并積累了成熟的經(jīng)驗(yàn)，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)方式為過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立配置，每個(gè)變電站配置2臺(tái)GOOSE交換機(jī)，分別構(gòu)成A、B網(wǎng)。繼電保護(hù)裝置的兩個(gè)獨(dú)立接口通過光纖分別接入A、B網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)裝置之間GOOSE網(wǎng)絡(luò)的連通，進(jìn)行信息交換和比較[13-14]。

6 結(jié)論

1）基于數(shù)字通信技術(shù)的允許式保護(hù)的速動(dòng)性與瞬時(shí)速斷保護(hù)相當(dāng)，可以快速切除故障，并能作為相鄰元件的后備保護(hù)。

2）允許式電流保護(hù)的邏輯、配置簡(jiǎn)單，各段保護(hù)之間僅進(jìn)行開關(guān)量信息的交換、比較，也無需考慮電流保護(hù)的方向性。

3）允許式電流保護(hù)具有較高的安全性、可靠性，通信故障不會(huì)導(dǎo)致其誤動(dòng)，只是導(dǎo)致故障延時(shí)切除，不會(huì)造成嚴(yán)重后果。

4）與傳統(tǒng)保護(hù)配置相比，基于數(shù)字通信技術(shù)的允許式保護(hù)需增加硬件配置，相應(yīng)投資需增加。

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Feasibility analysis of digital communication protection applied to 10kV power system in airport terminal

ZHONG Sumei1YAN Shi2

(1. Shenzhen Metro Operation Group Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518000;2. Shenzhen Airport (Group) Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518103)

As the instantaneous protection zone of sectional over-current protection is none and time of faults clearing is long in 10kV power system of airport terminal, a over-current protection with operational logic of permitting is proposed based on improvement of sectional over-current protection, which supports fast protection for whole transmission lines by the information exchange between protections. Its speed, selectivity and reliability are analyzed by operational logic of faults, and communication scheme of IEC 61850/ general object oriented substation events (GOOSE) is suggested.

airport terminal; 10kV power system; relay protection; digital communication pro- tection; operational logic of permitting

2022-07-14

2022-07-29

鐘素梅（1986—），女，工程師，從事地鐵供電設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)管理工作。