地铁供电系统中低压开关继电保护匹配分析

● 广州地铁集团有限公司 陈 艳

地铁供电系统由中压供电系统、牵引供电系统及动力照明信号供电系统构成，其电能取自于城市电网。其中，动力照明信号系统是保障地铁正常可靠运行的重要系统之一，为地铁各类机电设备供电，包括车站及车辆段等辖区的照明、通风空调、各类水泵以及各类大型机械。其供电方式是通过35/0.4kV或33/0.4kV动力变压器将35kV或33kV（以下简称“中压”）变换为0.4kV（以下简称“低压”）供给下层一、二、三类负荷。在运行中，如果中压馈线开关与低压进线开关存在继电保护整定值上下级不匹配的问题，在发生负荷侧的短路故障，或者由于隧道风机、冷机等启动电流较大的负荷同时启动导致电流达到保护整定值时，将造成越级跳闸扩大故障范围的情况。实际上，由于中压系统和低压系统的设计和设备供应商往往不是同一家，所以极易忽视上下级继电保护整定值的匹配问题。

1 继电保护在匹配方面存在的问题

某地铁变电所有2台干式动力变压器，额定容量均为315kVA，短路阻抗百分数均为6%。目前，33kV馈线开关设置的保护主要有电流速断保护和过电流保护，其保护范围为动力变压器的高低压侧，主要保护动力变压器短路、接地故障等。低压进线开关设置的保护有短路瞬时保护、短延时保护和长延时保护，其保护范围为下级电机等负荷的短路故障等，整定值设置需躲过其启动电流最大值。电流速断保护与短路瞬时保护需要匹配，过电流保护与短延时保护也需要匹配，现场整定值如表1所示。

表1 某地铁变电所主要类型保护整定值

由表1可见，电流速断保护与短路瞬时保护在电流值和延时时间都能较好地配合，而过电流保护与短延时保护无法配合，在电流值上会存在越级跳闸的风险。当短路电流上升到866～2880A之间，短路电流持续时间超过0.35s时，33kV馈线开关的过电流保护将会动作跳闸，而0.4kV进线开关不会动作，造成一段越级跳闸，跳闸后若0.4kV母联自投投入，将导致另一段也越级跳闸，最终将导致整个变电所0.4kVⅠ段和Ⅱ段都失压的后果。

2 继电保护定值理论计算方法

2.1 中压馈线开关保护整定

2.1.1 电流速断保护

电流速断保护是动力变压器高压绕组、引出线套管以及馈线中压电缆相间故障的主保护。需躲过变压器0.4kV出口三相短路故障，同时需躲过变压器空载合闸时的励磁涌流，一般励磁涌流为5～10In，二者取大者为整定值。保护灵敏系数不小于2.0，时限T=0.1～0.2s。按躲过动力变压器低压侧三相短路的短路电流整定，即最大运行方式下，变压器低压侧三相短路时，流过高压侧（保护安装处）的短路电流。忽略上一级系统短路阻抗，最大三相短路电流见式（1）：

式中：In1为高压侧额定电流，Uk%为阻抗电压百分数。整定值见式（2）：

式中：Krel为可靠系数，用于电流速断保护时，一般取1.2或 1.5。

按躲过动力变压器励磁涌流整定，整定值见式（3）：

式中：Kx为励磁涌流系数，一般取5～10。

取Io1和Io2两者的最大值为整定值Io。

保护装置的灵敏度系数，按最小运行方式下，变压器高压侧发生两相短路时，流过高压侧（保护装置安装处）的超瞬态电流校验。

最小运行方式下网架示意图如图1所示，该方式下，忽略上一级系统短路阻抗，计算高压侧两相短路电流需要考虑110kV主变压器和中压环网电缆的等效电抗。

动力变压器高压侧发生三相短路时，流过高压侧的两相短路电流见式（4）：

式中：xb为主变压器的等效电抗，x1为中压环网电缆的等效电抗。

图1 最小运行方式下网架示意图

灵敏度系数：

当灵敏度系数＞2，表明整定值满足灵敏度校验。

2.1.2 过电流保护

过电流保护按躲过变压器最大负荷电流整定，动作时间与变压器低压侧进线开关动作时间相配合。时限T=T0.4kV+0.1s。

整定值见式（6）：

保护装置的灵敏系数，按最小运行方式下，变压器低压侧发生两相短路时，流过高压侧（保护装置安装处）的稳态电流校验。

灵敏度系数：

当灵敏度系数＞1.5，表明整定值满足灵敏度校验。

2.2 低压进线开关保护整定

2.2.1 短路瞬时保护

按变压器低压侧三相短路整定，与高压侧和低压馈线保护配合，瞬时短路定值需低于变压器高压侧电流速断保护整定值，计算时以灵敏度基准，同时考虑与馈线的配合，时限 T=0～0.1s。

按0.4kV母线发生两相短路电流，保护的灵敏度系数大于或等于2进行整定。

两相短路电流见式（9）

在中国跨境电商的发展过程中，由于其涉及的环节较多，在每个环节都会产生相对应的退换货情况，而跨境物流周期长，在其中隐藏存在多种风险，货品的丢失、 海关和商检的风险、错误的配送地址等问题，大大制约了退货和换货。再者，在中国跨境物流中缺乏完善的退货通道，难以实现退换货。

式中：In2为低压侧额定电流，Uk%为阻抗电压百分数。整定值见式（10）：

式中：ksen≥2。

2.2.2 短延时保护

与高压侧和低压馈线保护配合，大于或等于馈线回路中最大整定值的 1.3 倍，时限 T=0.25～0.4s。

整定值见式（11）：

式中：m为过电流倍数，一般可取2～5；Krel为可靠系数，一般可取 1.3。

同时考虑与低压馈线保护的配合，则

式中：Isdk为低压馈线保护定值，Isdk应躲过设备最大启动电流，整定值见式（13）：

式中：Krel为可靠系数，一般可取1.3；Ipk为设备最大启动电流。

2.3 整定电流匹配系数

整定电流匹配系数是指中压馈线开关与低压进线开关需相互匹配的保护整定电流的比值。

对中压开关的电流速断保护和低压开关的短路瞬时保护，整定电流匹配系数：

对中压开关的过电流保护和低压开关的短延时保护，整定电流匹配系数：

可见，为避免低压开关保护需动作的情况下拒动而中压保护越级动作，θ必须大于1。因此，θ可用于表示中压馈线开关保护与低压进线开关保护的匹配情况。

3 算例分析

根据以上理论计算方法，对某地铁变电所中压馈线开关与低压进线开关的继电保护定值进行计算，并将理论计算结果与原有情况进行对比，如表2所示。

综合对比电流速断保护和短路瞬时保护可见，理论计算相对原有配置情况来说，短路瞬时保护的灵敏度、33kV馈线开关与0.4kV进线开关上下级匹配程度较高（θ=2.77）。 但是，现有配置情况同样符合匹配要求（θ=1.44＞1），因此尚可不用更改原有定值。

综合对比过电流保护和短延时保护可见，原有情况33kV馈线开关与0.4kV进线开关保护定值不匹配（θ=0.3），需要进行更改。过电流保护和短延时保护定值可按照理论计算结果进行更改。

表2 某地铁变电所继电保护定值原有情况与理论计算对比

4 结束语

本文阐述了某地铁变电所33kV馈线开关和0.4kV进线开关主要继电保护类型的现有配置情况和存在的匹配问题；探讨了电流速断保护、过电流保护、短路瞬时保护和短延时保护的理论计算方法，并提出整定电流匹配系数用于表示中压馈线开关保护与低压进线开关保护的匹配情况；对某地铁变电所中压馈线开关与低压进线开关的继电保护定值进行计算，并将理论计算结果与原有情况进行对比，提出整改建议。