數字通信保護應用于航站樓10kV供電系統的可行性分析

鐘素梅 閆 石

數字通信保護應用于航站樓10kV供電系統的可行性分析

鐘素梅1閆 石2

（1. 深圳市地鐵運營集團有限公司，廣東 深圳 518000； 2. 深圳市機場（集團）有限公司，廣東 深圳 518103）

針對傳統分段式電流保護在航站樓10kV供電系統應用中存在速動段無保護范圍、故障切除時間長等問題，提出一種采用允許式動作邏輯的電流保護，該保護在傳統分段式電流保護的基礎上優化配置、整定，并借助數字通信技術實現全線故障速切的功能。本文闡述保護在不同工況下的動作邏輯，分析其速動性、選擇性、可靠性，并建議保護采用IEC 61850/面向通用對象的變電站事件（GOOSE）通信方式。

航站樓；10kV供電系統；繼電保護；數字通信保護；允許式動作邏輯

0 引言

國內機場航站樓10kV供電系統具有配電級數多、供電半徑短的特點，傳統的分段式保護難以兼顧選擇性和速動性，較難滿足其電能質量、供電可靠性的高要求。本文提出一種基于數字通信技術的允許式動作邏輯電流保護，為航站樓10kV供電系統提供全線故障速切功能。

1 航站樓10kV供電系統繼電保護的特點

航站樓通常設置若干10kV中心變電站、分變電站，10kV側均采用單母分段接線，分變電站從中心變電站的不同段母線分別引入2路10kV電源，中心變電站從機場110kV變電站的不同段母線分別引入2路10kV電源[1-4]，形成閉環接線、但開環的運行方式。航站樓10kV供電系統接線如圖1所示。

由于供電半徑很短，且受接地變壓器及接地電阻的影響，各級10kV母線的單相接地短路電流水平幾乎相同，三相短路電流水平也差別不大。繼電保護裝置僅能依靠時間級差實現有選擇性地切除故障，但受110kV變壓器10kV側保護動作時間的限制，上、下級電流保護按0.3s時間級差整定可能難以配合。電流Ⅰ段保護因線路長度太短而沒有保護范圍，故障只能由電流Ⅱ段保護切除。故障的延時切除，對電氣設備不利，可能導致母線大量甩負荷，對電壓暫降敏感的行李處理系統、自動人行步道等設備也會受到影響[5]。

圖1 航站樓10kV供電系統接線

2 數字通信保護的原理

理論和實踐證明，基于信息交換和比較的數字通信保護，可以實現有選擇性地快速切除故障，如應用于輸變電系統中的縱聯保護、配電系統中的廣域式保護、建筑電氣系統中的級間選擇連鎖技 術[6-7]。國內某些機場10kV配置線路差動保護，但不能反應相鄰元件的故障，不能作相鄰元件的后備保護，有一定局限性。在航站樓10kV供電系統中應用的數字通信保護相對簡單，它無需考慮保護的方向性，相鄰保護之間僅需進行開關量的交換與比較。根據對信息的利用方式，分為閉鎖式動作邏輯和允許式動作邏輯兩種。

閉鎖式保護即上級電流保護在動作時間內收到下級電流保護的閉鎖信號后閉鎖保護，否則在故障持續時間達到動作時間后動作出口[8]。允許式保護即上級電流保護啟動并收到下級電流保護的允許信號后，判斷為區內故障進而動作出口。由于閉鎖式保護的原理導致上級電流保護無法作為下級電流保護的后備，必須配置失靈保護，而允許式保護則不需要，其動作邏輯更簡單；發生區外故障時，閉鎖信號丟失會導致保護誤動，而允許信號丟失不會導致保護誤動，其安全性、可靠性更高。

3 允許式保護的配置及整定

航站樓10kV供電系統故障如圖2所示，保護點11、12為10kV變壓器繼電保護裝置，配置相間及零序電流Ⅰ、Ⅲ段保護。相間短路電流Ⅰ段按躲過0.4kV側出口最大短路電流整定，動作時間按40ms整定以防止避雷器動作引起保護誤動；相間短路電流Ⅲ段按躲過最大負荷電流并與0.4kV側保護配合整定，對0.4kV側出口最小兩相短路電流有規定的靈敏度，動作時間按0.4s整定。零序電流Ⅰ段按20%～40%的額定電流整定，動作時間與相間短路電流Ⅰ段相同；零序電流Ⅲ段按10%～20%的額定電流整定，動作時間與相間短路電流Ⅲ段相同。

圖2 航站樓10kV供電系統故障

保護點7、8為出線繼電保護裝置，保護點56、78為母線分段繼電保護裝置，保護點5、6、9、10為進線繼電保護裝置，均配置相間短路電流Ⅱ、Ⅲ段保護及零序電流Ⅲ段保護。考慮終端變電站中進線繼電保護裝置只反應母線故障，進線繼電保護裝置與其上級出線繼電保護裝置的整定值相同。相間短路電流Ⅱ段按對本線路末端有規定的靈敏度并與下級電流保護的Ⅰ或Ⅱ段配合整定；相間短路電流Ⅲ段按躲過最大負荷電流并與下級電流保護的Ⅲ段配合整定，對本線路末端及下級元件末端有規定的靈敏度。零序電流Ⅲ段按躲過本線路最大電容電流，對本線路經電阻單相接地故障有規定的靈敏度并與下級電流保護的Ⅲ段配合整定。考慮母線并列運行屬于特殊運行方式，為簡化整定，母線分段保護的電流整定值與其上級進線保護的相同。如圖2中保護點8、10的整定值相同，按與保護點12配合整定。保護點78的電流整定值與保護點9、10中較大者相同。考慮彈簧操動機構斷路器、采用傅里葉全波算法的微機保護的性能及110kV變壓器的10kV側保護動作時間限制，時間級差按0.2s整定[9]。各級繼電保護裝置的相間短路電流Ⅲ段與零序電流Ⅲ段的動作時間相同。各繼電保護裝置動作時間見表1。

表1 保護動作時間

10kV變壓器繼電保護裝置作為10kV系統末端保護，僅向其上級繼電保護裝置發送信號，而不接收信號。其余繼電保護裝置則接收下級繼電保護裝置的信號，向上級繼電保護裝置發送信號。10kV變壓器電流保護Ⅰ、Ⅲ段均參與數字通信保護，其余線路電流保護由靈敏度高的Ⅲ段參與數字通信保護，電流Ⅱ段作為后備保護。

進線、出線、母線分段保護動作邏輯分別如圖3～圖5所示。從圖3～圖5可知，允許信號是保護動作的加速信號，傳輸的是區內故障信息。延時一即保護加速動作時間，其大小與通信方式的類型、性能有關[10-12]，若按40ms整定，還可防止避雷器動作引起的保護誤動。延時二即保護Ⅲ段動作時間。進線繼電保護裝置動作出口后向其上級出線繼電保護裝置發送加速動作出口信號能防止進線電流保護出現死區與進線斷路器拒動導致的故障延時切除。

圖3 進線保護動作邏輯

圖4 出線保護動作邏輯

圖5 母線分段保護動作邏輯

4 允許式保護的動作

4.1 母線分列運行時保護的動作

1）圖2中K1故障（10kV/0.4kV變壓器故障），保護點12延時0.4s跳閘。保護點78不動作。保護點10啟動后未收到保護點12的未啟動信號，斷路器延時0.8s跳閘及閉鎖備自投。保護點8啟動后未收到保護點10的未啟動信號，斷路器延時0.8s跳閘。保護點56不動作。保護點6啟動后未收到保護點8的未啟動信號，斷路器延時1.2s跳閘及閉鎖備自投。

2）圖2中K2故障（10kV母線故障），保護點10啟動并在收到保護點11、12、78的未啟動跳閘信號后，斷路器延時40ms向保護點8發送進線保護動作出口信號，并跳閘及閉鎖備自投。保護點8啟動并在收到保護點10的信號后，斷路器無延時跳閘。保護點56不動作。保護點6啟動未收到保護點8的未啟動信號，斷路器延時1.2s跳閘及閉鎖備 自投。

3）圖2中K3故障（10kV線路故障），保護點8啟動并在收到保護點10的未啟動信號后，斷路器延時40ms跳閘。保護點56不動作。保護點6啟動未收到保護點8的未啟動信號，斷路器延時1.2s跳閘及閉鎖備自投。

上述分析為故障僅導致電流保護Ⅲ段動作，若故障電流能使電流保護Ⅰ、Ⅱ段動作，則保護動作時間縮短，母線分列運行時保護動作時間見表2。

表2 母線分列運行時保護動作時間

4.2 母線并列運行時保護的動作

若B1母帶B2母并列運行，保護點56會啟動，分析與4.1節類同，各保護動作時間見表3。

表3 母線并列運行時保護動作時間

4.3 通信故障時保護的動作

由于允許式信號是使繼電保護裝置加速動作的信號，無論是發生區內故障還是區外故障，允許信號的丟失都不會導致保護裝置誤動，只是無法加速而按原有分段式保護的動作時間配合，仍然滿足選擇性的要求。

5 通信方式

通信方式是實現繼電保護裝置全線故障速切的關鍵。IEC 61850/面向通用對象的變電站事件（general object oriented substation events, GOOSE）通信方式在電力系統已有廣泛的應用，其先進性與可靠性已得到驗證，并積累了成熟的經驗，形成技術標準。實現方式為過程層GOOSE網絡、站控層網絡獨立配置，每個變電站配置2臺GOOSE交換機，分別構成A、B網。繼電保護裝置的兩個獨立接口通過光纖分別接入A、B網絡，實現裝置之間GOOSE網絡的連通，進行信息交換和比較[13-14]。

6 結論

1）基于數字通信技術的允許式保護的速動性與瞬時速斷保護相當，可以快速切除故障，并能作為相鄰元件的后備保護。

2）允許式電流保護的邏輯、配置簡單，各段保護之間僅進行開關量信息的交換、比較，也無需考慮電流保護的方向性。

3）允許式電流保護具有較高的安全性、可靠性，通信故障不會導致其誤動，只是導致故障延時切除，不會造成嚴重后果。

4）與傳統保護配置相比，基于數字通信技術的允許式保護需增加硬件配置，相應投資需增加。

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Feasibility analysis of digital communication protection applied to 10kV power system in airport terminal

ZHONG Sumei1YAN Shi2

(1. Shenzhen Metro Operation Group Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518000;2. Shenzhen Airport (Group) Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518103)

As the instantaneous protection zone of sectional over-current protection is none and time of faults clearing is long in 10kV power system of airport terminal, a over-current protection with operational logic of permitting is proposed based on improvement of sectional over-current protection, which supports fast protection for whole transmission lines by the information exchange between protections. Its speed, selectivity and reliability are analyzed by operational logic of faults, and communication scheme of IEC 61850/ general object oriented substation events (GOOSE) is suggested.

airport terminal; 10kV power system; relay protection; digital communication pro- tection; operational logic of permitting

2022-07-14

2022-07-29

鐘素梅（1986—），女，工程師，從事地鐵供電設備運行與維護技術管理工作。