地铁35kV备自投的分析
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深圳市机场（集团）有限公司、深圳市地铁集团有限公司的研究人员闫石、钟素梅，在2020年第1期《电气技术》杂志上撰文，根据地铁35kV供电系统的特点，对主变电所、35kV变电所的备自投方式、动作逻辑、整定计算进行分析。对主变电所备自投与接地变保护的配合、35kV变电所备自投经线路差动保护起动及配置反应母线故障的保护闭锁备自投、配置备自投后加速保护等工程实践中存在的问题进行分析，并提出相应的改进措施以提高供电系统的可靠性。
1 35kV供电系统
备自投装置（简称备自投）是保证供电系统连续可靠供电的重要设备之一，在地铁35kV供电系统中被大量应用。备自投的配置、动作逻辑与系统接线、运行方式有着密切关系。
地铁35kV供电系统采用环网接线，如图1所示，3～5个35kV变电所链接成1个供电分区，每个供电分区从110kV主变电所引入2路电源。
110kV主变电所、35kV变电所的35kV侧均采用单母分段接线。由于35kV线路均采用电缆，系统电容电流较大，导致系统单相接地故障时产生的过电压可达相电压的4倍，并且故障电流过大，容易发展成相间短路故障，严重威胁供电系统的安全运行。
为此，地铁主变电所均采用35kV母线经接地变中性点电阻接地的运行方式，以降低单相接地时非故障相工频过电压，抑制弧光接地过电压。
2 备自投方式
2.1 主变电所备自投方式
DL/T584规程要求：“低电阻接地系统必须且只能有一个中性点接地，当接地变压器或中性点电阻失去时，供电变压器的同级断路器必须同时打开”。若35kV母线并列运行，采用进线备自投方式，备自投动作跳301（302）断路器必须同时联跳311（321）断路器，合300断路器后再合321（311）断路器。
而35kV母线分列运行，采用分段备自投方式，备自投动作只需跳301（302）断路器同时联跳311（321）断路器，合300断路器。分段备自投的动作逻辑简单易行，无需对接地变使用自动合闸，更为可靠，并且系统始终有中性点接地运行，不存在中性点接地的短暂切换。
图1 35kV供电系统
35kV母线并列运行，主变低后备保护动作第一时限跳300断路器以缩小故障范围，第二时限跳301（302）断路器。而35kV母线分列运行，主变低后备保护动作第一时限跳301（302）断路器，第二时限跳主变两侧断路器，更利于继电保护快速切除主变35kV侧近端故障。
2.2 35kV变电所备自投方式
若35kV母线并列运行，采用进线备自投方式，主变电所的312（322）与B—E变电所的300、303（304）及F变电所的300共10级保护要逐级配合。地铁35kV线路通常供电半径短，各变电所母线处短路电流水平差别不明显，上、下级保护仅能依靠动作时间配合实现保护有选择性地切除故障。
若10级保护满足动作时间上的配合，时间级差按0.3s整定，主变低后备保护动作时间肯定超过2s，在主变35kV侧近端故障时，这对主变非常不利，也不满足规程要求；反之，上、下级保护配合困难，失去选择性。
若35kV母线分列运行，采用分段备自投方式，则只需主变电所的312（322）与B—E变电所的303（304）共5级逐级保护，上、下级保护能够配合，且主变低后备保护动作时间在2s以内，能满足规程要求。
3 主变电所备自投动作逻辑及整定
110kV主变电所、35kV变电所35kV侧元件不完全相同，其继电保护配置、运行方式也不完全相同，导致分段备自投的动作逻辑也不同，但对动作逻辑的基本要求是一致的，都是由充电条件、起动条件、放电条件组成，如图2—图4所示。
3.1 动作逻辑
主变电所分段备自投的充电条件（与逻辑）：301断路器合位；302断路器合位；300断路器分位；Ⅰ母三相有压、Ⅱ母三相有压；经延时后充电完成。
图2 充电条件
Ⅰ母失压起动条件（与逻辑）：充电完成；Ⅰ母三相无压；Ⅰ母进线三相无流；Ⅱ母三相有压。备自投起动后经延时跳301断路器，合300断路器。
Ⅱ母失压起动条件（与逻辑）：充电完成；Ⅱ母三相无压；Ⅱ母进线三相无流；Ⅰ母三相有压。备自投起动后经延时跳302断路器，合300断路器。
备自投按上述动作逻辑动作后，将导致并列运行的母线上有2台接地变同时运行，不满足DL/T584规程要求。此时发生接地故障，接地故障电流变大，易使设备损坏[3]。所以，备自投跳301（302）断路器的同时联跳311（321）断路器。
放电条件（或逻辑）：300断路器合位；手跳301断路器；手跳302断路器；Ⅰ、Ⅱ母三相均无压；300断路器弹簧未储能；电压互感器（PT）断线；PT二次空开跳闸；保护闭锁。
Ⅰ、Ⅱ母三相均无压闭锁备自投是为避免2路电源同时消失，备自投动作造成电源恢复供电时，负荷全部由1路电源供电，引起过负荷。
图3 起动条件
图4 放电条件
为防止备自投动作于故障，反应35kV母线相间故障的主变低后备保护和反应35kV母线接地故障的接地变零序电流保护应闭锁备自投，但接地变相间电流保护起动备自投，以满足DL/T584规程要求。接地变相间电流保护跳311（321）断路器同时联跳301（302）断路器，通过起动备自投来提高供电可靠性。
主变高后备保护对35kV母线故障也有灵敏度，但其动作后不闭锁备自投。主要考虑到母线故障，低后备保护拒动，由高后备保护切除故障的多重故障概率很低，优先保证供电可靠性。一旦备自投动作于故障，则由备自投后加速保护切除故障。
3.2 整定值计算
根据DL/T 584—2017《3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程》的要求，低电压元件应在母线失压后可靠动作，在故障切除后可靠返回，为缩小低电压元件动作范围，低电压定值一般整定为0.15～0.3倍额定电压。有压元件应能在母线电压正常时可靠动作，而在母线电压低到不允许备自投动作时可靠返回，电压定值一般整定为0.6～0.7倍额定电压。有、无流值一般均整定为0.04倍的进线CT二次额定电流。
备自投跳闸时间应大于主变低后备保护与接地变零序电流保护闭锁备自投时间较长者，并躲过电容器低电压保护动作时间。为避免系统中上级设备的单一故障造成备自投的大面积动作，上、下级备自投的动作时间按由上至下的原则逐级配合。若主变110kV侧有备自投，还应大于110kV备自投的动作时间。
备自投合闸经跳闸时间延时，考虑弹簧储能操作机构断路器的分闸时间一般小于60～80ms，延时取0.1s。
4 35kV变电所备自投动作逻辑及整定
4.1 动作逻辑
35kV变电所分段备自投的充电条件、起动条件、放电条件与主变电所分段备自投相同，只是不需要联跳任何断路器，闭锁备自投的保护有所不同。
若备自投经线路差动保护起动，其优点是上、下级备自投的动作时间不需要配合，所有35kV变电所备自投的动作时间一样；其缺点是1个供电分区内除上级变电所的一段母线故障时，将导致下级变电所同段母线均失电。例如，若图1中C变电所的Ⅰ（Ⅱ）母故障，线路差动保护不动作，D、E、F变电所的备自投不起动，其Ⅰ（Ⅱ）母均失电，停电范围扩大。
若上级电源故障导致变电所失电，则由上级变电所的备自投动作。若变电所的线路差动保护动作，变电所备自投起动后判别301（302）断路器已在分位，则经短延时空跳301（302）断路器后延时合300断路器。
若变电所母线故障，由于无母线保护，故障由电源侧303（304）保护切除，备自投动作于故障，所以变电所的301（302）应配置一段方向指向母线的电流保护，该保护仅闭锁备自投不跳闸。
4.2 整定值计算
母线有、无压值，有、无流值，备自投合闸延时的整定与主变电所的相同。
备自投跳闸时间应大于闭锁备自投的301（302）保护的动作时间，并与上级备自投的动作时间配合。备自投加速跳301（302）断路器的短延时以1～1.5s为宜。备自投动作时间太短，若电动机使工作母线残压较高，备自投动作时将产生冲击电流和冲击力矩，损坏电气设备。
在小电阻接地系统中，延时电流速断保护、零序电流Ⅰ段保护按对本线路末端故障有灵敏度整定。所以，301（302）闭锁备自投保护的动作时间与电源侧303（304）延时电流速断保护、零序电流Ⅰ段保护的动作时间相同，电流定值按对母线故障的灵敏度大于电源侧303（304）延时电流速断保护、零序电流Ⅰ段保护对母线故障的灵敏度整定。
5 备自投后加速保护
当备自投动作于故障时，由备自投后加速保护加速跳闸。电流定值对母线有足够的灵敏度，并可靠躲过最大负荷电流。35kV变电所备自投后加速保护的电流定值与301（302）闭锁备自投保护的电流定值相同即可。主变电所备自投后加速保护动作时间按0.2s整定，以提高投入成功率。
35kV变电所备自投后加速保护动作时间按0.1～0.2s整定，与电源侧303（304）保护相配合。备自投后加速保护逻辑如图5所示。
图5 备自投后加速保护逻辑
6 结论
1）110kV主变电所备自投应采用分段备自投方式，相较进线备自投方式的动作逻辑更简单、可靠，在备自投动作时系统始终有中性点接地运行，不存在中性点接地的切换，且更利于继电保护快速切除主变35kV侧近端故障。
2）110kV主变电所备自投动作逻辑应与接地变的保护、运行方式相配合。接地变零序电流保护动作后应可靠闭锁备自投，防止备自投动作于故障。接地变相间电流保护动作后起动备自投，以提高供电可靠性。备自投动作后应保证系统只能有一个中性点接地。
3）35kV变电所备自投应采用分段备自投方式，相较进线备自投方式更利于一个供电分区内上、下级保护的配合，使保护有选择性地切除故障，且能缩短主变低后备保护的动作时间。
4）35kV变电所备自投不应经线路差动保护起动，以防止因一个供电分区内上级变电所母线故障时，备自投无法起动导致的停电范围扩大。
5）为防止35kV变电所备自投动作于母线故障，应配置一段方向指向母线的电流保护，该保护仅闭锁备自投不跳闸。