城市軌道交通降壓變電所供電能力研究

楊超華 余海斌

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，200070，上海//第一作者,工程師)

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》[1]，城市軌道交通的降壓變電所一般設(shè)有兩臺降壓變壓器，當(dāng)一臺變壓器退出運行時另一臺變壓器應(yīng)能負擔(dān)供電范圍內(nèi)的遠期一、二級負荷。大部分城市軌道交通在開通試運營前會進行消防聯(lián)動試驗，試驗過程中,經(jīng)常發(fā)生由于400 V總進線開關(guān)保護動作，導(dǎo)致整個降壓變電所退出運行的情況，此時防排煙風(fēng)機等無應(yīng)急電源的消防設(shè)備將全部停止工作。上述情況若發(fā)生在運營期間，后果將不堪設(shè)想。本文通過分析降壓變電所的下級負荷特點以及繼電保護設(shè)置，搭建測試模型分析發(fā)生上述情況的原因，并提出解決方案，以確保城市軌道交通降壓變電所的供電能力滿足標準要求。

1 降壓變電所的下級負荷特性分析

城市軌道交通降壓變電所的下級負荷按其對供電可靠性的要求一般分為一級負荷、二級負荷、三級負荷。各級負荷所包含的機電設(shè)備如表1所示。其中:信號、通信、綜合監(jiān)控等弱電系統(tǒng)設(shè)備,以及照明、自動扶梯、站臺門等車站機電設(shè)施設(shè)備正常運行時的負載電流不足以引起400 V總進線開關(guān)保護動作；只有通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的部分防排煙風(fēng)機的功率會大于75 kW，且一旦發(fā)生火災(zāi)這些風(fēng)機會通過旁路直接啟動，啟動電流往往是額定電流的4～7倍。若多臺防排煙風(fēng)機的啟動電流波形疊加,可能會超過400 V總進線開關(guān)保護的整定值。

表1 降壓變電所的下級負荷統(tǒng)計表

2 降壓變電所的繼電保護設(shè)置

城市軌道交通降壓變電所的400 V總進線開關(guān)一般設(shè)有短路瞬動保護、短路短延時保護、過負荷長延時保護、接地保護，這些保護的整定原則如下：

(1) 短路瞬動保護:①整定值接近本段線路末段的最大短路電流，以保證流過本段線路的電流不超過電纜能承受的極限；②應(yīng)考慮與上、下級開關(guān)的短路瞬動保護之間的選擇性配合。

(2) 短路短延時保護:①整定值大于或等于降壓變電所400 V饋線回路中斷路器最大短路瞬動保護整定值的1.2～1.3倍，并考慮一定的時限；②應(yīng)考慮與上、下級開關(guān)的短路短延時保護之間的選擇性配合；③短路短延時保護作為短路瞬動保護拒動時的后備保護，保護范圍一般覆蓋被保護線路全長。

(3) 過負荷長延時保護:①整定值接近降壓變壓器低壓側(cè)的額定電流，并考慮一定的時限；②整定值還應(yīng)躲過最大負荷的啟動尖峰電流及其余負荷的工作電流；③應(yīng)考慮與上、下級開關(guān)的過負荷長延時保護之間的選擇性配合；④過負荷長延時保護作為本段線路主保護拒動時的近后備保護以及下級保護拒動或斷路器拒動時的遠后備保護。

(4) 接地保護:①整定值應(yīng)能保證本段線路發(fā)生任何非金屬性接地短路時都能準確動作，保證靈敏度；②整定值應(yīng)躲過正常工況下最大三相不平衡電流以及在發(fā)生相間短路故障時產(chǎn)生的最大不平衡電流。

上述保護中,短路瞬動保護、短路短延時保護、接地保護一般在短路故障時動作，消防聯(lián)動試驗過程中一般無短路故障，故可以排除。根據(jù)上文分析，在消防聯(lián)動時，大功率防排煙風(fēng)機設(shè)備同時啟動可能會引起過負荷長延時保護動作，為避免這種情況發(fā)生，過負荷長延時保護的整定值應(yīng)躲過最大負荷的啟動尖峰電流及其余負荷的工作電流。但是,當(dāng)多臺大功率防排煙風(fēng)機設(shè)備同時啟動時，可能會超過過負荷長延時保護整定值的極限，此時還需要考慮其他措施。本文將搭建測試模型并以實際案例進行分析說明。

3 降壓變電所供電能力測試的模型

3.1 測試模型

正常情況下，降壓變電所的最大負荷出現(xiàn)在夏季，此時車站空調(diào)制冷及水系統(tǒng)設(shè)備投入運行，該情況假定為模型A。災(zāi)害工況下，降壓變電所的最大負荷一般出現(xiàn)在站臺公共區(qū)火災(zāi)模式或區(qū)間火災(zāi)模式時，此時可能會有多臺隧道風(fēng)機以及排熱風(fēng)機同時啟動，該情況假定為模型B。與模型B相比,模型A的下級負載設(shè)備更多，設(shè)備啟動后的負載電流更大；但由于模型A的所有下級負載均正常啟動，且大功率設(shè)備有軟啟動、變頻等措施降低啟動電流，故模型A的啟動電流遠小于模型B。

綜上所述，降壓變電所供電能力測試的模型建議為：降壓變電所的一臺變壓器退出運行，與此同時觸發(fā)站臺公共區(qū)火災(zāi)模式或區(qū)間火災(zāi)模式，以此考驗降壓變電所的極限供電能力。

3.2 測試流程

(1) 在降壓變電所選擇一個400 V進線回路，停電后在該回路的開關(guān)柜內(nèi)安裝測試儀器；

(2) 調(diào)整供電方式，即一臺降壓變壓器帶全站一、二級負荷；

(3) 檢查環(huán)控設(shè)備初始狀態(tài)后，觸發(fā)站臺火災(zāi)模式或區(qū)間火災(zāi)模式，在車控室通過環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)或綜合監(jiān)控系統(tǒng)觀察火災(zāi)模式的執(zhí)行情況；

(4) 記錄400 V進線處電流波形，同時觀察是否有跳閘情況。

4 案例分析及解決方案

4.1 案例分析

以某城市軌道交通消防聯(lián)調(diào)試驗的實際情況為例，該車站的降壓變壓器容量為1 000 kVA,隧道風(fēng)機容量為132 kW,排熱風(fēng)機容量為37 kW；執(zhí)行站臺公共區(qū)火災(zāi)模式時會有4臺隧道風(fēng)機、2臺排熱風(fēng)機同時啟動。車站的主要繼電保護設(shè)置如表2所示。

表2 某車站繼電保護參數(shù)統(tǒng)計表

該車站單臺隧道風(fēng)機的工頻啟動電流峰值約為1 520 A，是額定電流的7倍左右，啟動電流持續(xù)時間約為4 s(如圖1所示)。400 V總進線處第1段波形的電流峰值約為4 300 A,持續(xù)時間約為5 s；第二段波形的電流峰值約為1 644 A,持續(xù)時間約為2 s；第三段波形的電流峰值約為2 412 A、持續(xù)時間約為4 s(如圖2所示)。三段啟動電流波形與400 V進線開關(guān)的繼電保護整定值相比較可以發(fā)現(xiàn),不會引起保護動作。

由于防排煙風(fēng)機對應(yīng)的風(fēng)閥開啟時間存在隨機性，導(dǎo)致了防排煙風(fēng)機的啟動時間不一致，故出現(xiàn)圖2所示的三段啟動電流波形。如果三段啟動電流波形碰巧重疊，那么可能超過過負荷長延時保護或短路短延時保護整定值上限，此時還需要考慮其他措施。

圖1 隧道風(fēng)機啟動電流波形

圖2 400 V總進線處電流波形

4.2 解決方案

(1) 過負荷長延時保護的整定值在保護變壓器的前提下盡可能躲過最大負荷的啟動尖峰電流及其余負荷的工作電流。

(2) 當(dāng)多臺大功率防排煙風(fēng)機設(shè)備同時啟動時，啟動尖峰電流及其余負荷的工作電流超過整定值極限，則可考慮通過環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對大功率防排煙風(fēng)機設(shè)備進行錯時啟動。

5 結(jié)語

城市軌道交通降壓變電所的供電能力是否滿足標準要求對今后運營至關(guān)重要,建議在消防聯(lián)動試驗時，考慮增加一臺降壓變壓器退出運行的工況，以充分驗證降壓變電所的供電能力。