民用機(jī)場供配電網(wǎng)與繼電保護(hù)優(yōu)化技術(shù)研究

雷澤宇 康 維

（國家電網(wǎng)陜西省電力有限公司西咸新區(qū)供電公司，陜西西安 712000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展全面步入小康社會，“十四五”時期民用航空在國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的戰(zhàn)略作用必將更加凸顯。到2035年民用運(yùn)輸機(jī)場預(yù)計(jì)將達(dá)到400個左右，相關(guān)規(guī)劃建議加快建設(shè)交通強(qiáng)國，維護(hù)供電和交通等基礎(chǔ)設(shè)施的安全；提出交通先行、適度超前，向注重質(zhì)量和效益轉(zhuǎn)變，構(gòu)建安全的現(xiàn)代化綜合交通體系；要解決行業(yè)快速發(fā)展需求和基礎(chǔ)保障能力不足的突出矛盾，重點(diǎn)補(bǔ)齊基礎(chǔ)設(shè)施、專業(yè)技術(shù)人員等核心資源短板，大幅提升有效供給能力[1]。電力是便捷高效清潔的能源，是保障機(jī)場正常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，無論是航空管制、導(dǎo)航、通信、氣象、助航燈光系統(tǒng)設(shè)施、安全檢查設(shè)備還是航顯等重要場所，均離不開穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。本文從民用機(jī)場供配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和繼電保護(hù)現(xiàn)狀出發(fā)，分析、提出了改進(jìn)措施和建議，有利于保障機(jī)場用電的穩(wěn)定和可靠[2]。

1 民用機(jī)場供配電系統(tǒng)現(xiàn)狀概述

目前，大部分機(jī)場供配電系統(tǒng)是從電網(wǎng)公司引入兩路獨(dú)立電源，部分一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷外引一路應(yīng)急電源。兩路獨(dú)立電源接入機(jī)場中心變電站或開閉站，作為機(jī)場總的電源部分。各個區(qū)域開閉站從中心變不同母線引入兩路電源，各區(qū)域的配電室從附近開閉站引入兩路獨(dú)立電源[3-4]。

機(jī)場中心變電站高壓側(cè)和低壓側(cè)一般為單母線分段接線，正常運(yùn)行時分段開關(guān)熱備用，每回進(jìn)線或主變均能承擔(dān)全部負(fù)荷；當(dāng)一回電源進(jìn)線失電或故障時，備用電源自動投入裝置跳開失電或故障進(jìn)線，合上分段開關(guān)恢復(fù)正常供電[5-6]。區(qū)域開閉站通常為單母線分段接線，正常運(yùn)行時分段開關(guān)熱備用，每回進(jìn)線可承擔(dān)全部負(fù)荷；當(dāng)一回電源進(jìn)線失電或故障時，備用電源自動投入裝置跳開失電或故障進(jìn)線，合上分段開關(guān)恢復(fù)正常供電。配電室采用線變組方式時低壓0.4 kV采用單母線分段接線，正常運(yùn)行分段開關(guān)熱備用，每回進(jìn)線變壓器組可承擔(dān)全部負(fù)荷；配電室采用單母線分段接線，正常運(yùn)行時分段開關(guān)熱備用，每回進(jìn)線可承擔(dān)全部負(fù)荷，低壓0.4 kV采用單母線分段接線，正常運(yùn)行時分段開關(guān)熱備用，每臺變壓器組可承擔(dān)全部低壓負(fù)荷[7]。基于上述供配電網(wǎng)架構(gòu)，繼電保護(hù)一般按照如下方式配置：

（1）機(jī)場中心變110 kV線路與對側(cè)配合配置光纖縱差保護(hù)，110 kV母線配置專用母線差動保護(hù)，110 kV主變配置差動保護(hù)、各側(cè)后備保護(hù)和非電量保護(hù)，10 kV出線配置速斷、過流保護(hù)。

（2）開閉站進(jìn)線和出線配置速斷、過流保護(hù)，變壓器配置速斷過流和零序保護(hù)。

（3）配電所進(jìn)線和出線配置速斷、過流保護(hù)，變壓器配置速斷過流和零序保護(hù)，線變組接線方式的變壓器由上級開關(guān)保護(hù)實(shí)現(xiàn)速斷、過流保護(hù)。

2 供配電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

隨著新能源技術(shù)發(fā)展，根據(jù)四型機(jī)場的建設(shè)需求和民航節(jié)能減排規(guī)劃，為提升機(jī)場終端用能清潔化水平，持續(xù)推進(jìn)機(jī)場保障設(shè)施設(shè)備“油改電”，推廣使用飛機(jī)地面靜變電源、飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組、新能源車、使用低能耗產(chǎn)品的末端設(shè)備，民用機(jī)場對供配電系統(tǒng)供電可靠性和供電質(zhì)量提出了更高更嚴(yán)格的需求。根據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)資料，大型國際機(jī)場發(fā)生故障停電造成的影響和損失十分重大。國內(nèi)外曾有多起機(jī)場停電事故原因都是供電電纜故障、主要電力設(shè)施故障，造成機(jī)場全面或局部停電，影響機(jī)場正常運(yùn)行。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)機(jī)場供配電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)案例，提出以下建設(shè)方案。

2.1 機(jī)場多中心變電站方案

大部分機(jī)場根據(jù)規(guī)模用電容量需求，采用建設(shè)一座中心變電站作為全場電源，接入兩回獨(dú)立電源進(jìn)線，對特別重要一級負(fù)荷配備應(yīng)急電源的模式。對于航站樓體量大、航班密度高、客流量大的樞紐機(jī)場、干線機(jī)場，這種模式下一旦發(fā)生中心變電站全站失電，僅靠自備應(yīng)急電源難以保證機(jī)場持續(xù)可靠運(yùn)行，將造成航站樓癱瘓甚至機(jī)場關(guān)閉，導(dǎo)致空域管理困難、相關(guān)備用機(jī)場容量快速飽和等一系列聯(lián)鎖問題[8]。因此在后續(xù)建設(shè)中，對于樞紐機(jī)場、干線機(jī)場應(yīng)升級完善機(jī)場中心變電站的受供電網(wǎng)架，宜考慮單個中心變電站出現(xiàn)全站失電的極端情況，采用建設(shè)多個中心變電站的模式，提高全場供配電可靠性。

目前機(jī)場當(dāng)?shù)爻鞘须娋W(wǎng)公司都配備有大容量應(yīng)急發(fā)電車，機(jī)場中心變電站或者重要負(fù)荷中心開閉站在建設(shè)時宜考慮預(yù)留備用間隔與應(yīng)急發(fā)電車對接，作為機(jī)場供配電系統(tǒng)遭受嚴(yán)重故障突發(fā)事件時的應(yīng)急處置備用措施，可及時緩解有應(yīng)急發(fā)電車而無法接入使用的尷尬局面。

2.2 開閉站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案一

開閉站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案一如圖1所示。開閉站主接線方式采用雙開關(guān)站雙電源雙環(huán)網(wǎng)接線，每座開關(guān)站都采用雙電源單母線分段接線方式，兩座開關(guān)站之間設(shè)置兩回聯(lián)絡(luò)線。

圖1 開閉站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案一

采用此種接線方式的開閉站，在極端情況下可實(shí)現(xiàn)N-3方式運(yùn)行，具備非常強(qiáng)的供電可靠性和運(yùn)行方式的靈活性。若只需滿足正常N-2運(yùn)行方式，4回進(jìn)線平均負(fù)載率最大上限50%即可滿足要求，這與目前機(jī)場供配電系統(tǒng)線路負(fù)載率保持一致；在出現(xiàn)極端N-3情況時，可通過自動減載措施切除可靠性要求較低的三級負(fù)荷，保證高可靠性供電負(fù)荷的正常運(yùn)行；亦可在出現(xiàn)N-2運(yùn)行時，通過調(diào)整運(yùn)行方式切除低可靠性負(fù)荷，以便在N-3故障時維持開閉站的正常供電。本方案比單母線分段接線方式增加了兩回進(jìn)線和配套一、二次設(shè)備，增加了一定的建設(shè)投資費(fèi)用，但極大地提高了特、一級重要負(fù)荷在極端故障情況下的供電可靠性，提升了樞紐機(jī)場、干線機(jī)場應(yīng)對極端故障情況的供電保障能力。

2.3 開閉站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案二

開閉站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案二如圖2所示。開閉站采用單母三分段接線方式，電源采用兩用一備的供電方式。

圖2 開閉站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化方案二

采用此種接線方式的開閉站，可實(shí)現(xiàn)在N-2故障情況下的正常運(yùn)行。在正常情況下，每個主供回路各帶50%負(fù)荷；在兩個主供電源相繼發(fā)生故障或停電時，備用電源回路可以承擔(dān)主供電源的所有負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)N-2的運(yùn)行方式，提升供配電的可靠性。此方案比單母線分段接線方式增加了一回進(jìn)線和配套一、二次設(shè)備，增加了少量的建設(shè)投資費(fèi)用，但提高了一、二級負(fù)荷在兩路主供電源同時故障情況下的供電可靠性，提升了機(jī)場應(yīng)對大部分故障情況的供電保障能力。

綜上，在民用機(jī)場建設(shè)發(fā)展的過程中，樞紐機(jī)場和干線機(jī)場用電負(fù)荷越來越大，在順應(yīng)節(jié)能減排趨勢下機(jī)場的終端用電設(shè)備也越來越多，通過建設(shè)多中心變電站、優(yōu)化開閉站的電氣主接線、預(yù)留應(yīng)急發(fā)電車電源接口等措施，可以為機(jī)場提供更加完善的供配電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而保障機(jī)場供電安全，提升機(jī)場的電力故障應(yīng)急響應(yīng)能力。

3 繼電保護(hù)配置優(yōu)化

繼電保護(hù)能在電氣元件發(fā)生故障時自動快速有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)受到破壞，保障其他無故障部分迅速恢復(fù)正常運(yùn)行，在技術(shù)上應(yīng)滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性要求。選擇性可縮小停電范圍，速動性可縮短故障時間并降低故障元件的損壞程度，從選擇性和速動性出發(fā)優(yōu)化完善線路、母線等主要電氣設(shè)備主保護(hù)，精準(zhǔn)選擇并快速切除故障部分，有利于備用電源自動投入等設(shè)備動作恢復(fù)供電，提高供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這些特性可以極大地提高樞紐機(jī)場、干線機(jī)場的供配電網(wǎng)繼電保護(hù)性能，滿足此類機(jī)場供配電運(yùn)行可靠性要求。

3.1 線路主保護(hù)配置光纖電流差動保護(hù)裝置

民用機(jī)場110 kV中心變電站到10 kV開閉站、10 kV開閉站到10 kV配電所之間10 kV電纜長度從300～400 m到4～5 km不等，現(xiàn)場敷設(shè)方式主要有管廊、纜溝和排管等。一次系統(tǒng)圖如圖3所示，K11～K15處線路保護(hù)存在多層級配合。

圖3 供配電網(wǎng)一次系統(tǒng)圖

按典型方式整定，K11處過流Ⅱ段時間tⅡ-K11=0.3 s；K12處過流Ⅱ段需與K11處配合，級差為0.3 s，即tⅡ-K12=0.6 s；K13處過流Ⅱ段需與K12處配合，級差為0.3 s，即tⅡ-K13=0.9 s；K14處過流Ⅱ段需與K13處配合，級差為0.3 s，即tⅡ-K14=1.2 s；K15處過流Ⅰ段需與K14處過流Ⅱ段配合，級差為0.3 s，即tⅠ-K15=1.5 s；K15處過流Ⅱ段需與K15過流Ⅰ段配合，級差為0.3 s，即tⅡ-K15=1.8 s。線路層級多，給多級延時過流保護(hù)的時間配合整定帶來較大困難，上級電網(wǎng)保護(hù)的速動性難以保證。線路速斷保護(hù)按照可靠系數(shù)KK=1.3整定，不能覆蓋全線，線路區(qū)外故障依靠上級延時過流保護(hù)動作，擴(kuò)大了故障范圍，不利于快速切除故障；按照規(guī)程全線電纜的線路保護(hù)不宜采用自動重合閘，無法實(shí)現(xiàn)保護(hù)故障跳閘情況下自恢復(fù)功能。樞紐機(jī)場和干線機(jī)場等民用機(jī)場的供配電網(wǎng)層級多、架構(gòu)復(fù)雜、供電可靠性要求高，根據(jù)繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程規(guī)定，有必要配置光纖電流差動保護(hù)作為主保護(hù)，帶時限的過電流保護(hù)為后備保護(hù)，如圖4所示。

在K13和K14分別裝設(shè)光纖電流差動保護(hù)裝置采集K13和K14處的電流、電壓和開關(guān)等信號，兩個裝置之間采用光纖通信。光纖電流差動保護(hù)裝置在K13與K14之間發(fā)生線路故障時能通過采集計(jì)算兩側(cè)電流判斷為線路保護(hù)區(qū)內(nèi)故障，快速切除兩側(cè)開關(guān)，隔離故障線路，縮小故障范圍，減少故障短路電流對10 kV電纜的破壞，提高了保護(hù)選擇性；保護(hù)出口動作時間≤35 ms，提高了線路主保護(hù)的快速性，利于下級備用電源自動投入設(shè)備及時恢復(fù)斷電區(qū)域的供電，縮短了停電時間，保障了供配電網(wǎng)的供電可靠性。同時，線路配置光纖電流差動保護(hù)利于縮短延時過流保護(hù)級差時間配合，提高了線路后備保護(hù)的性能。

3.2 母線配置獨(dú)立母線保護(hù)裝置

主變低壓側(cè)K15處延時過流保護(hù)跳閘時間tⅠ-K15=1.5 s作為低壓側(cè)母線的主保護(hù)，延時過長、速動性差，存在燒毀一次開關(guān)柜的案例和風(fēng)險(xiǎn)；在低壓側(cè)并列運(yùn)行方式下發(fā)生母線故障時選擇性差，存在誤切非故障母線保護(hù)誤動的風(fēng)險(xiǎn)，會擴(kuò)大故障范圍，存在影響備用電源自動投入裝置恢復(fù)非故障供電設(shè)備供電的風(fēng)險(xiǎn)隱患。為保證樞紐機(jī)場、干線機(jī)場等民用機(jī)場的供配電網(wǎng)安全和重要負(fù)荷可靠供電，保障主要電力設(shè)備安全，根據(jù)繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程規(guī)定，須快速而有選擇地切除一段或一組母線上的故障。

母線差動保護(hù)裝置采集母線連接的各個開關(guān)電流以及母線電壓等電氣模擬量，通過計(jì)算母線差流，保護(hù)能準(zhǔn)確反映母線保護(hù)區(qū)內(nèi)的各種類型故障并動作跳閘。母線保護(hù)能適應(yīng)被保護(hù)母線的各種運(yùn)行方式，根據(jù)小差電流識別具體故障母線并切除相應(yīng)故障母線斷路器；同時能輸出相應(yīng)母線故障信號閉鎖相關(guān)備用電源自動投入，防止誤投電源、擴(kuò)大事故。母線差動保護(hù)整組動作時間≤15 ms，能快速切除故障，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少設(shè)備在電壓降低情況下的工作時間，減輕一次開關(guān)設(shè)備和主變壓器因母線故障短路電流受到?jīng)_擊的損壞程度。在樞紐機(jī)場和干線機(jī)場等民用機(jī)場的供配電系統(tǒng)配置10 kV母線差動保護(hù)，有利于提高繼電保護(hù)切除故障的選擇性和速動性，有利于降低短路故障電流對設(shè)備的沖擊，降低運(yùn)維成本，有利于提高供配電系統(tǒng)的供電可靠性。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合民用機(jī)場的發(fā)展和規(guī)劃、機(jī)場供電可靠性需求，基于機(jī)場的供配電網(wǎng)現(xiàn)狀，探討了從建設(shè)多中心變電站、優(yōu)化開閉站網(wǎng)架、預(yù)留應(yīng)急發(fā)電車電源接口，到完善配置10 kV線路光纖電流差動保護(hù)和母線差動保護(hù)二次方案，提出了供配電網(wǎng)架構(gòu)和繼電保護(hù)配置的優(yōu)化建議，有利于提升機(jī)場供配電網(wǎng)自動化水平和應(yīng)急響應(yīng)能力，補(bǔ)齊民用機(jī)場供配電的基礎(chǔ)設(shè)施和核心資源的技術(shù)短板，大幅提升有效供給能力，保障樞紐機(jī)場、干線機(jī)場等民用機(jī)場的供配電系統(tǒng)穩(wěn)定和安全。