關于西安地鐵進線斷路器越級跳閘問題的研究

靳志方

關于西安地鐵進線斷路器越級跳閘問題的研究

靳志方

(西安市地下鐵道有限責任公司運營分公司西安710000)

分析西安地鐵0.4 kV進線斷路器越級跳閘的原因，提出重新整定變壓器高低壓側斷路器的保護定值，確保上下級匹配;增加0.4 kV母聯斷路器備自投啟動程序的閉鎖條件;增加設置變壓器縱聯差動保護等3種解決方案。進而對方案的實現方式以及存在的優缺點進行分析，最終給出安全可靠的、既能從根本上解決0.4 kV進線斷路器越級跳閘又不影響0.4 kV母聯斷路器備自投的方案，結果表明，該方案能有效提高0.4 kV供電系統的安全性、穩定性、可靠性。

軌道交通;越級跳閘;母聯斷路器;縱聯差動保護;備自投;閉鎖

1 研究背景

0.4 kV低壓斷路器越級跳閘，嚴重影響了設備的正常供電。2014年2月10日，西安地鐵2號線一車站變電所0.4 kV低壓開關柜室內由于屋頂結構縫漏水，造成0.4 kV低壓開關柜Ⅰ段母排短路，0.4 kVⅠ段進線斷路器(801)未先跳閘，而越級到1號動力變高壓側35 kV斷路器(104 A)跳閘，造成0.4 kV低壓開關柜啟動母聯備自投程序，在故障未切除的情況下，0.4 kV母聯斷路器(803)合閘，將故障波及到沒有發生故障的Ⅱ段，同理造成2號動力變高壓側35 kV(104 B)跳閘，導致全站0.4 kV供電系統失電，嚴重影響了地鐵的正常運營秩序。

2 越級跳閘原因分析

分析0.4 kV低壓斷路器越級跳閘的原因，首先要了解地鐵的供電系統設計、0.4 kV母聯斷路器備自投邏輯關系、斷路器本身特性，分析相關斷路器的定值設置等，為解決方案提供依據。

2.1 西安地鐵2號線供電系統

西安地鐵采用110/35 kV兩級電壓集中供電方式，在行政中心、會展中心設2座地下式主變電站，每座主變電站各帶3個供電分區，供電分區內經35 kV環網電纜將車站變電所環串成供電網絡;在第三供電分區末端所設置35 kV聯絡開關與第四供電分區末端所相連，實現兩個主站之間的聯系［1］。

每個車站變電所35 kV氣體絕緣開關柜(GIS，gas insulated switchgear)一次主接線采用單母線分段，0.4 kV低壓開關柜一次主接線亦采用單母線分段，主接線方式如圖1所示。35 kV GIS采用西門子8DA10開關柜;35/0.4 kV動力變壓器采用順特干式變壓器;0.4 kV低壓開關柜進線斷路器、母聯斷路器均采用ABB E系列斷路器。

圖1 典型地鐵車站降壓變電所主接線方式［2］

2.2 0.4 kV低壓開關備自投程序邏輯分析

0.4 kV低壓開關備自投程序:控制字投入/退出(當地柜信號燈亮表示退出、信號燈滅表示投入)，通過軟件實現;當地投入/退出把手，采用硬件控制，當兩種方式均為投入時，備自投功能才能投入，否則不啟動備自投［3］。此種設計使在電力監控終端和設備都能進行備自投的投入與退出，增加了系統的靈活性。備自投功能啟動滿足條件:控制字投入、投入/退出(把手)投入;I(Ⅱ)段失壓，Ⅱ(I)段有壓;進線斷路器801、802合閘位［4］，此時母聯斷路器803備自投程序啟動:分801(802)，分三級負荷總開關901、902，合803，整個備自投程序完成。備自投程序啟動邏輯如圖2所示。

圖2 0.4 kV母聯斷路器803備自投啟動邏輯

2.3 保護定值情況分析

變壓器高壓側35 kV斷路器104A、104B設置電流速斷保護、過電流保護、零序過電流保護、輕過負荷保護(告警功能)［5］;0.4 kV進線斷路器801、802設置短延時保護、長延時(過載)保護、接地保護，母聯斷路器803設置短延時保護、長延時(過載)保護［6］。

104A(104B)電流速斷(50):I1=144 A，T1=0.1 s［5］; 801(802)短延時電流:I2=5.1In=12 750 A(脫扣器額定電流:2 500 A)，時間T2=0.2 s;803短延時電流: I3=5.1In=12 750(脫扣器額定電流:2 500 A)，時間T3=0.2 s［6］。變壓器檔位在1檔，變比為:35×1.05/0.4 =91.875，因此將I2、I3的整定值12 750 A折算到35 kV側的電流值為138.8 A，此值與104A(104B)的整定值144 A幾乎相等;0.4 kV進線斷路器801(802)的時間T2=0.2 s，803的時間T3=0.2 s，T1＜T2、T1＜T3，因此0.4 kV低壓開關柜發生故障時，從定值設置角度分析發生越級跳閘是正常現象。

在2月10日越級跳閘事故中，35 kV斷路器保護報文顯示104A的動作值電流為260 A，時間為108 ms;動作值260 A＞I1=144 A，時間108 ms＞T1=100 ms，104A跳閘屬于正常現象;260 A折算到0.4 kV側電流值為23 887.5 A，23 887.5 A＞I2=12 750 A，但時間108 ms＜T2=200 ms，因此801未跳閘也屬于正常現象;由于104A斷路器跳閘，使1號動力變壓器失壓(Ⅰ段失壓)，滿足母聯斷路器(803)備自投啟動條件，801分閘，901分閘、902分閘、803合閘，由于Ⅰ段的母排短路點未消除，同理，越級跳閘使104B斷路器跳閘，使2號動力變壓器失壓(Ⅱ段失壓)，至此，1號、2號動力變壓器同時失壓，退出運行。這次事故的發生，正是由于上下級電流速斷的值、與動作時間不匹配造成的。

3 解決方案

3.1 方案1:重新整定變壓器高低壓側定值，確保上下級匹配

35/0.4 kV變壓器為干式變壓器，高壓側主保護為溫度保護、電流速斷保護，后備保護為過流保護、輕過負荷保護(報警);電流速斷保護是反應電流增大而瞬時動作的保護，對變壓器及其引出線上各種形式的短路進行保護。電流速斷保護的整定計算按躲開變壓器負荷側出口出點短路時的最大短路電流來整定［7］。

按照文獻［8-9］的變壓器保護整定原則，高壓側電流速斷保護定值符合標準要求，低壓側0.4 kV斷路器短延時保護不匹配。

按整定原則低壓側0.4 kV進線斷路器801、802保護定值整定為:短延時保護電流值由原來的I2=5.1In =12 750 A整定為現在的I2'=3.4In=8 500 A，時限由原來的T2=0.2 s整定為現在的T2'=0.1 s，其他保護及整定值均不變;母聯斷路器803保護值整定為:短延時保護電流值由原來的I2=5.1In=12 750 A整定為現在的3In=7 500 A，時限由原來的T3=0.2 s改為現在T3'=0.1 s;瞬時保護I4投入，電流I4=3.3 In=8 250 A，T4=0。此時，在母排短路的情況下，801(802)與104A (104B)的速斷電流值均能夠達到，T1=T2'=0.1 s，理論上，104A(104B)、801(802)同時跳閘，不滿足母聯備自投程序邏輯;如果801(802)先跳閘，104A(104B)未跳閘，不滿足母聯備自投程序邏輯;如果104A(104B)先跳閘，801 (802)未跳閘，則滿足母聯備自投啟動條件，合803，將Ⅰ段(Ⅱ段)的故障波及到Ⅱ段(Ⅰ段)，由于803的I4投入，理論上803先動作跳閘，不會造成全所失壓的情況，但由于0.1 s的級差太小(一般級差設置0.5 s)，所以仍存在越級跳閘的隱患。

3.2 方案2:增加設置備自投啟動的閉鎖條件

目前，地鐵車站變電所各級用電設備電源均取自0.4 kV低壓開關柜，重要負荷如通信、信號、FAS(火災報警系統)等均從0.4 kV低壓開關柜Ⅰ段、Ⅱ段分別取一路電源，任意一段退出運行，不影響重要設備的正常運行，也不影響正常的行車秩序。因此，根據在故障情況下從允許退出一段設備供電的角度出發解決越級跳閘問題，也未嘗不失為一種解決方案。

由0.4 kV低壓開關母聯備自投的程序原理，可以有兩個方式實現閉鎖備自投的途徑:閉鎖信號直接輸入到母聯備自投PLC(可編程邏輯控制器);閉鎖信號退出母聯備自投控制字。

3.2.1 閉鎖信號直接輸入到母聯備自投PLC

在0.4 kV母聯備自投PLC中設置閉鎖關系，當1號(2號)動力變壓器高壓側35 kV斷路器104A (104B)發生速斷動作時，給0.4 kV低壓開關母聯備自投PLC中輸入一個閉鎖信號，備自投程序判斷此信號存在(此故障信號保持，復位后才能消失)，閉鎖啟動備自投程序。此方案需要修改0.4 kV低壓開關母聯備自投PLC程序。

3.2.2 閉鎖信號退出母聯備自投控制字

在電力監控(PSCADA)中設置閉鎖關系，當1號(2號)動力變壓器35 kV斷路器104A(104B)發生速斷動作后，給0.4 kV低壓開關母聯備自投控制字輸入一個閉鎖信號，使母聯備自投撤出運行，同樣也能不啟動備自投。此方案僅在電力監控中進行，不涉及設備本體程序的改動，可操作性很強，對其他設備的干擾也最小。

通過兩種實現方式對比得知，閉鎖信號退出母聯備自投控制字是比較合理、簡便、安全可靠的方式。此方案唯一缺點是:當35 kV動力變壓器、電纜等出現故障，引起104A、104B速斷保護動作跳閘時，0.4 kV母聯斷路器備自投不能正常投入運行。但此時，另外一段還能正常供電，專業人員趕到現場如果確認是由變壓器、電纜等發生故障后引起的，可以和電調聯系，由電調將母聯斷路器803合閘，恢復兩段同時供電;同時由電調投入0.4 kV低壓開關母聯備自投控制字，為下一次動作做好準備。

此方案避免了由于越級跳閘，導致全站失壓的可能性，保證了一段設備故障后，另一段設備能夠正常供電，可維持重要負荷的供電，是運營過程中可以接受的方案。

3.3 方案3:增加設置變壓器縱聯差動保護

根據變壓器的配置原則:應裝設反應變壓器繞組和引出線的多相短路及繞組匝間短路的縱聯差動保護或電流速斷保護作為主保護，瞬時動作于斷開各側斷路器［10］。目前變壓器高壓側35 kV斷路器電流速斷保護與低壓側0.4 kV斷路器的短延時保護不匹配，按以上原則，可以設置變壓器縱聯差動保護，同時將高壓側35kV斷路器電流速斷保護退出運行，這樣可以從根本上解決越級跳閘的問題。

縱聯差動保護，動作靈敏、無延時、不存在上下級配合的問題:當0.4 kV低壓開關柜出現短路故障時，縱聯差動保護不啟動(見圖3)，801(802)短延時達到整定值，進線斷路器801(802)跳閘，由于此時達不到104A(104B)斷路器的過流時限，104A(104B)不跳閘，1號(2號)動力變壓器正常運行，因此0.4kV低壓開關檢測到Ⅰ段(Ⅱ段)有壓(失壓條件判斷在0.4 kV進線斷路器的進線側，即靠近變壓器側)，不滿足0.4 kV低壓開關柜母聯備自投啟動條件，母聯斷路器803不會自動合閘，不會將故障段波及到正常供電的另外一段;當變壓器出現短路故障或者電纜故障時(見圖4)，縱聯差動保護動作，將35 kV斷路器104A(104B)、0.4 kV進線斷路器801(802)跳開，此時1號(2號)動力變壓器退出運行，0.4 kV低壓開關柜設備是完好的，應該啟動0.4 kV母聯斷路器備自投程序，由于此時不滿足圖2中的條件，因此需要對邏輯程序進行修改見圖5。縱聯差動保護根據故障點出現位置的不同有選擇性地跳開相應的開關，解決了越級跳閘問題，確保了設備安全可靠供電。

圖3 縱聯差動保護范圍外發生故障

圖4 縱聯差動保護范圍內發生故障

目前35 kV斷路器保護、0.4 kV進線斷路器無差動保護功能，需要增加縱聯差動保護單元;35 kV開關柜室與0.4 kV低壓開關柜室有一定距離，建議兩個差動保護單元采用光纖進行通信;對目前的0.4 kV母聯斷路器803備自投啟動條件需要進行修改。如在既有設備上進行改造，施工難度較大，無單獨差動流互，而且保護單元也不易在柜面進行安裝。在新線建設中，設計單位進行充分考慮，對于現場不能滿足選擇性動作要求、存在越級跳閘現象的站點，要增設縱聯差動保護單元，避免出現兩路同時失壓的嚴重后果。

圖5 投入縱聯差動保護后0.4 kV母聯斷路器803備自投啟動邏輯

4 結語

通過分析0.4 kV進線斷路器越級跳閘的原因及3種解決方案得出:

方案1通過對全站動力、照明負荷進行重新核算，重新整定0.4 kV進線斷路器、母聯斷路器等的定值，理論上可行，但時限差值太小(0.1 s)，越級跳閘問題不能徹底解決，仍存在兩路同時失壓的隱患，但此方案僅對保護定值進行調整，最容易實現，且不需要投入改造資金;方案2從嚴格意義說雖不能解決越級跳閘的問題，但確保了在短路故障的情況下，有一路電源正常供電，能滿足正常運營的需要，此方案也較容易實現，而且投入改造資金不大;方案3能徹底解決越級跳閘問題，又不影響0.4 kV母聯備自投啟動，但此方案改造難度較大，投入的改造資金也較大，應在設計階段進行設計。

3種解決方案各有優缺點，可以綜合考慮現場的實際情況選擇。

［1］靳志方.西安地鐵二號線主變站電氣主接線方式的探討［J］.機電信息，2011，9(291):14.

［2］于偉松，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用［M］.成都:西南交通大學出版社，2008:415-420.

［3］地鐵設計規范:GB 50157—2013［S］.北京:中國建筑工業出版社，2014.

［4］中鐵第一勘察設計院.西安市地鐵二號線北客站至會展中心段變電所二次通用圖［G］.西安，2011:40-52.

［5］中鐵第一勘察設計院.供電系統AC35 kV繼電保護整定值通知單［G］.西安，2014:14.

［6］西安市地下鐵道有限責任公司.供電系統維修培訓教材［G］.西安，2012:35-40.

［7］賀家李.電力系統繼電保護原理［M］.北京:中國電力出版社，2010:17-40.

［8］黃德勝，張巍.地下鐵道供電［M］.北京:中國電力出版社，2009:32-42.

［9］許建安，王風華.電力系統繼電保護整定計算［M］.北京:中國水利水電出版社，2007:143-170.

［10］倪濤.地鐵供電系統繼電保護整定配合研究［D］.北京:北京化工大學，2012.

(編輯:郝京紅)

Study on Xi’an Metro Line Circuit Breaker Override Tripping Problem

Jin Zhifang
(Xi’an Metro Operating Company，Xi’an 710000)

By analyzing the reasons of Xi＇an Metro 0.4 kV line circuit breaker override tripping，the fixed value of resetting transformer protection of high and low voltage side of the circuit breaker is proposed，so that the upper and lower levels can be surely matched;blocking conditions of the 0.4 kV circuitbreaker BZT start program are cited;the setting of transformer longitudinal differential protection and other solutions are invited.On this basis，analysis on theways of program realization and the existing advantages and disadvantagesare carried out.Finally，a reliable scheme is presented，which can fundamentally solve the0.4 kV line circuitbreaker override tripping，withoutaffecting the0.4 kV voltage circuitbreaker BZT.It is proved that this scheme can effectively improve the safety，stability，and reliability of0.4 kV power supply system.

rail transit;override tripping;the circuit breaker;longitudinal differential protection;backup automatic switch;interlock

U231.8

A

1672-6073(2016)02-0080-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.018

2015-02-10

2015-03-17

靳志方，男，本科，工程師，從事軌道交通供電系統研究，jack_20090501@163.com