上海軌道交通9號線變電所變壓器開關的保護匹配

郭 志

(上海軌道交通維護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是由主變電所和牽引、降壓混合變電所等構成的主供電網絡結構。主變電所通過110 k V電纜與地區供電系統的主變電所連接,并通過變電所內110/35 k V的主變壓器為地鐵供電系統提供電源。而在整個中壓供電系統內,由35 k V環網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,用于站內的照明以及站廳和站臺設備的正常工作電源。在牽引變電所內通過整流機組將35 k V變換為直流 1 500 V供給接觸網線路,為地鐵車輛提供運行所需電力。

1 繼電保護的匹配問題

1.1 問題的引出

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

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

1.2 繼電保護匹配問題分析

在供電系統設計的初始階段,設計人員對9號線動力變壓器400 V開關保護裝置的型號無法確認,對400 V側開關保護裝置沒有設置反時限保護。400 V開關保護裝置PR112反時限L級[1]過載保護作為開關本體的一種框架保護,其保護動作具有反時限特性,并且動作延時時間較長,對系統負載變化的動作靈敏度較低。為此,針對變壓器35 k V側保護動作這一問題,對該類設備的匹配問題進行了詳細的分析。

由于線路上的各降壓變電所負載大小不同,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和低壓側開關反時限保護進行計算,以找出產生該類問題的原因。

在動力變壓器35 k V側保護裝置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——保護裝置的動作延時;

α——系數,0.02;

T——時間倍數整定;

K — —常數,0.14;

I——35 kV側保護裝置CT二次電流強度;

Ip——動作電流強度整定值。

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

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

圖1 變壓器35 k V進線開關反時限保護曲線

在上海軌道交通9號線試運行中,該容量變壓器35 kV側開關曾出現先于ABB 400 V開關保護動作的情況。因此筆者對400 V開關的反時限 L級保護進行計算。計算條件如下:開關的脫扣電流I e=800 A,CT的額定電流I n為1 000 A。

根據PR112P裝置L級保護計算公式,在短路電流 If＜12In條件下:

式中:

t1——繼電裝置L級保護的設定時間;

C1——保護設定值參數。

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)的計算結果如圖2。

圖2 變壓器400 V出線側反時限保護曲線

結合以上變壓器35 kV高壓側和400 V低壓側保護的動作特性,其動作對比圖形曲線如圖3所示。

從圖3可以看出,在負載電流增大或動力變壓器負載側出現故障電流的情況下,變壓器高壓側開關保護動作曲線較低壓側開關靈敏度高,兩開關動作特性不匹配,無法滿足繼電保護選擇性的要求[3]。

圖3 反時限保護曲線特性對比

2 繼電保護的匹配調整

根據以上的計算方法,對9號線供電系統的降壓變電所繼電保護裝置的參數設定進行計算,發現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動作特性不匹配情況。因此,需要對400 V側保護裝置的動作特性進行研究,以避免繼電保護失去選擇性。通過分析計算,采用400 V開關的S級保護(t=100 t2/C22,其中t2為繼電裝置S級保護的設定時間,C2=I f/I n)來與35 k V側反時限保護曲線匹配。

對于500 kVA容量的變壓器,該S級保護的設定參數t2=0.9。通過計算可以得到400 V側保護曲線如圖4所示。

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

圖4 S級保護反時限保護曲線

圖5 調整前后的高、低壓側保護曲線

調整后的降壓變電所功能性試驗表明:該調整方案能夠滿足現有設備的運行需求,在降壓變電所大負載輸出時能正常運行,在設備出現故障的情況下能夠準確、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故障時系統能正確動作、切斷故障點,以保證其他電氣設備的正常運行。

3 結語

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的動力變壓器高、低壓繼電保護的整定匹配進行了介紹,對保護設定的合理性進行了討論,特別對開關反時限保護的設定進行了詳細的計算。根據計算結果,分析了引起繼電保護動作的具體原因,并提出了相應的繼電保護匹配調整方案。

調整后進行的相關試驗結果表明,所提出的方案有效地解決了反時限保護匹配的問題,可為今后相關設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設備的正常運行,提高供電系統運行的安全性。

[1]鄭國興.智能配電系統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用[J].電氣開關,2005(1):41.

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