上海軌道交通9號線變電所變壓器開關(guān)的保護(hù)匹配

郭 志

(上海軌道交通維護(hù)保障中心供電分公司,200233,上海∥工程師)

上海軌道交通9號線的整個供電系統(tǒng)是由主變電所和牽引、降壓混合變電所等構(gòu)成的主供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。主變電所通過110 k V電纜與地區(qū)供電系統(tǒng)的主變電所連接,并通過變電所內(nèi)110/35 k V的主變壓器為地鐵供電系統(tǒng)提供電源。而在整個中壓供電系統(tǒng)內(nèi),由35 k V環(huán)網(wǎng)電纜將電能送至各牽引、降壓變電所,通過電力變壓器給降壓變電所提供400 V電源,用于站內(nèi)的照明以及站廳和站臺設(shè)備的正常工作電源。在牽引變電所內(nèi)通過整流機組將35 k V變換為直流 1 500 V供給接觸網(wǎng)線路,為地鐵車輛提供運行所需電力。

1 繼電保護(hù)的匹配問題

1.1 問題的引出

在繼電保護(hù)的設(shè)置中,一般應(yīng)保證在切除故障設(shè)備時,對系統(tǒng)其他正常運行設(shè)備的影響范圍應(yīng)盡量小。因此,繼電保護(hù)最基本的匹配原則是保證裝置動作的選擇性。即在設(shè)備出現(xiàn)過電流的情況下,能夠可靠地將故障設(shè)備斷開,同時又能有效地保證其他設(shè)備的正常運行。上海軌道交通9號線開通試運行時,火災(zāi)、消防設(shè)備維護(hù)人員在對火災(zāi)事故工況進(jìn)行模擬演練過程中,發(fā)現(xiàn)降壓變電所的動力變壓器35 k V開關(guān)在事故風(fēng)機啟動的情況下,繼電保護(hù)裝置的反時限過流動作導(dǎo)致該變電所的所有400 V設(shè)備失電。而保護(hù)裝置的正確動作特性,應(yīng)該是在事故風(fēng)機出現(xiàn)負(fù)載過流情況下,所內(nèi)400 V開關(guān)應(yīng)能先于上級設(shè)備開關(guān)動作,從而避免降壓變電所一側(cè)母線全部失電而使設(shè)備風(fēng)機在事故工況下無法正常啟動的情況。

為此,筆者對該類情況進(jìn)行了統(tǒng)計和梳理,對該類問題進(jìn)行了相應(yīng)的研究,并為此找出該問題的解決方案。

1.2 繼電保護(hù)匹配問題分析

在供電系統(tǒng)設(shè)計的初始階段,設(shè)計人員對9號線動力變壓器400 V開關(guān)保護(hù)裝置的型號無法確認(rèn),對400 V側(cè)開關(guān)保護(hù)裝置沒有設(shè)置反時限保護(hù)。400 V開關(guān)保護(hù)裝置PR112反時限L級[1]過載保護(hù)作為開關(guān)本體的一種框架保護(hù),其保護(hù)動作具有反時限特性,并且動作延時時間較長,對系統(tǒng)負(fù)載變化的動作靈敏度較低。為此,針對變壓器35 k V側(cè)保護(hù)動作這一問題,對該類設(shè)備的匹配問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

由于線路上的各降壓變電所負(fù)載大小不同,各所變壓器容量的配備也不相同,其范圍從 1 000 kVA到315 kVA不等。因此,需要對各種容量變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)反時限保護(hù)進(jìn)行計算,以找出產(chǎn)生該類問題的原因。

在動力變壓器35 k V側(cè)保護(hù)裝置7SJ62的反時限過流曲線為IEC Normal曲線[2]。該曲線的計算公式如下:

式中:

t——保護(hù)裝置的動作延時;

α——系數(shù),0.02;

T——時間倍數(shù)整定;

K — —常數(shù),0.14;

I——35 kV側(cè)保護(hù)裝置CT二次電流強度;

Ip——動作電流強度整定值。

根據(jù)式(1),可計算出在動力變壓器35 kV側(cè)開關(guān)反時限過電流保護(hù)裝置的動作延時t。對于500 k VA的變壓器,其35 kV側(cè)CT(電流互感器)變比為100∶1 400,側(cè)開關(guān)脫扣電流I e=800 A,CT的一次額定電流I n=1 000 A。35 k V側(cè)反時限保護(hù)的設(shè)定值為:I p=0.13 A,T=0.5 s。

通過變壓器高低壓側(cè)變比換算,得到400 V側(cè)實際電流值相對于400 V開關(guān)脫扣電流I e=800 A的倍數(shù)與35 k V開關(guān)動作延時t的圖形(見圖1)。

圖1 變壓器35 k V進(jìn)線開關(guān)反時限保護(hù)曲線

在上海軌道交通9號線試運行中,該容量變壓器35 kV側(cè)開關(guān)曾出現(xiàn)先于ABB 400 V開關(guān)保護(hù)動作的情況。因此筆者對400 V開關(guān)的反時限 L級保護(hù)進(jìn)行計算。計算條件如下:開關(guān)的脫扣電流I e=800 A,CT的額定電流I n為1 000 A。

根據(jù)PR112P裝置L級保護(hù)計算公式,在短路電流 If＜12In條件下:

式中:

t1——繼電裝置L級保護(hù)的設(shè)定時間;

C1——保護(hù)設(shè)定值參數(shù)。

在算例中,t1=12 s,C1=I e/I n=800/1 000=0.8。通過取不同的計算電流,利用式(2)的計算結(jié)果如圖2。

圖2 變壓器400 V出線側(cè)反時限保護(hù)曲線

結(jié)合以上變壓器35 kV高壓側(cè)和400 V低壓側(cè)保護(hù)的動作特性,其動作對比圖形曲線如圖3所示。

從圖3可以看出,在負(fù)載電流增大或動力變壓器負(fù)載側(cè)出現(xiàn)故障電流的情況下,變壓器高壓側(cè)開關(guān)保護(hù)動作曲線較低壓側(cè)開關(guān)靈敏度高,兩開關(guān)動作特性不匹配,無法滿足繼電保護(hù)選擇性的要求[3]。

圖3 反時限保護(hù)曲線特性對比

2 繼電保護(hù)的匹配調(diào)整

根據(jù)以上的計算方法,對9號線供電系統(tǒng)的降壓變電所繼電保護(hù)裝置的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行計算,發(fā)現(xiàn)在各類容量的變壓器中,315～630 kVA容量范圍的變壓器均存在以上所述的開關(guān)動作特性不匹配情況。因此,需要對400 V側(cè)保護(hù)裝置的動作特性進(jìn)行研究,以避免繼電保護(hù)失去選擇性。通過分析計算,采用400 V開關(guān)的S級保護(hù)(t=100 t2/C22,其中t2為繼電裝置S級保護(hù)的設(shè)定時間,C2=I f/I n)來與35 k V側(cè)反時限保護(hù)曲線匹配。

對于500 kVA容量的變壓器,該S級保護(hù)的設(shè)定參數(shù)t2=0.9。通過計算可以得到400 V側(cè)保護(hù)曲線如圖4所示。

將以上結(jié)果匯總,可以得到調(diào)整前、后400 V側(cè)動作曲線和35 k V側(cè)動作曲線的對比圖形(見圖5所示)。

圖4 S級保護(hù)反時限保護(hù)曲線

圖5 調(diào)整前后的高、低壓側(cè)保護(hù)曲線

調(diào)整后的降壓變電所功能性試驗表明:該調(diào)整方案能夠滿足現(xiàn)有設(shè)備的運行需求,在降壓變電所大負(fù)載輸出時能正常運行,在設(shè)備出現(xiàn)故障的情況下能夠準(zhǔn)確、靈敏地斷開故障點,使變壓器能安全可靠地運行;同時也能保證變電所出現(xiàn)故障時系統(tǒng)能正確動作、切斷故障點,以保證其他電氣設(shè)備的正常運行。

3 結(jié)語

本文對上海軌道交通9號線降壓變電所在運行過程中出現(xiàn)的動力變壓器高、低壓繼電保護(hù)的整定匹配進(jìn)行了介紹,對保護(hù)設(shè)定的合理性進(jìn)行了討論,特別對開關(guān)反時限保護(hù)的設(shè)定進(jìn)行了詳細(xì)的計算。根據(jù)計算結(jié)果,分析了引起繼電保護(hù)動作的具體原因,并提出了相應(yīng)的繼電保護(hù)匹配調(diào)整方案。

調(diào)整后進(jìn)行的相關(guān)試驗結(jié)果表明,所提出的方案有效地解決了反時限保護(hù)匹配的問題,可為今后相關(guān)設(shè)備在運行過程中可能遇到問題的解決方案提供參考,以保證地鐵供電系統(tǒng)設(shè)備的正常運行,提高供電系統(tǒng)運行的安全性。

[1]鄭國興.智能配電系統(tǒng)斷路器與智能電力儀表的配合[J].低壓電器,2007(4):67.

[2]張建平,姚紅興.7SJ62型微機繼保裝置在老式開閉所改造中的應(yīng)用[J].電氣開關(guān),2005(1):41.

[3]賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].3版.北京:中國電力出版社,1994.