魏 昕

0 引言

地鐵車站低壓配電系統(tǒng)承擔了為車站及兩端各半個區(qū)間的動力照明設備提供電能的重要任務，并保證動力照明設備配電的安全、可靠。一般通過設置過流保護斷路器實現(xiàn)線路的短路保護、過負荷保護以及接地故障保護，從而防止因間接接觸帶電體而導致人身電擊或線路故障導致過熱造成損壞甚至火災等情況的發(fā)生，斷路器的保護整定是低壓配電系統(tǒng)設計中不可忽視的一個環(huán)節(jié)。

由于地鐵低壓配電系統(tǒng)自身的一些特點，如斷路器設置級數(shù)較多、用電負荷種類多且相對集中、受中壓環(huán)網(wǎng)整定值的限制等情況，造成斷路器級間配合以及整定值的選取困難。而且地鐵項目的整定問題涉及專業(yè)較多（供電系統(tǒng)專業(yè)、降壓變電所專業(yè)、車站動力照明專業(yè)等），往往由多家不同設計單位承擔，協(xié)調(diào)工作量大且難以統(tǒng)一標準。針對上述情況，本文將對地鐵低壓配電系統(tǒng)中各級斷路器的保護配合及整定原則進行分析、討論。

1 地鐵低壓配電系統(tǒng)

地鐵低壓配電系統(tǒng)包括降壓變電所和動力照明配電系統(tǒng)2 部分，系統(tǒng)主接線如圖1所示。

降壓變電所將中壓電源經(jīng)配電變壓器降為低 壓AC 380 / 220 V后，供軌道交通沿線車站的動力、照明設備使用。降壓變電所0.4 kV 側(cè)采用單母線分段接線方式，設0.4 kV 母聯(lián)斷路器，母聯(lián)設置備用電源手動/自動投入裝置。并根據(jù)需要設置照明及三級負荷小母線，便于火災工況下切除非消防負荷回路。正常運行方式下，母聯(lián)斷路器處于斷開狀態(tài)；當一路進線電源失電時，母聯(lián)投入，另一路進線電源帶全部一二級負荷。0.4 kV 側(cè)接地方式采用TN-S 制。

為提高供電可靠性，地鐵低壓配電系統(tǒng)采用放射式為主、樹干式為輔的配電原則。機電設備及照明用電負荷按其不同的用途和重要性分為一、二、三級負荷。對于不同等級的用電負荷，其配電方式也不同。

2 斷路器整定時的選擇性要求

當?shù)蛪号潆娤到y(tǒng)發(fā)生非正常過電流時，保護設置應盡可能快速切除故障，并盡可能把故障范圍縮減到最小。為滿足保護的選擇性要求，上下級斷路器的過流保護整定應滿足以下要求：

（1）若上下級都采用非選擇型斷路器，該配合無法保證選擇性，應盡量加大上下級斷路器之間整定電流的級差。

（2）若上下級都采用選擇型斷路器，只要上級斷路器的短延時大于下級斷路器的短延時，即滿足式（1），就可保證兩級之間的選擇性。

式中，tsd、t′sd分別為上下級斷路器短延時動作時間整定值，Isd、I′sd分別為上下級斷路器短延時電流整定值；Δt 為時間級差，一般取0.1 s，1.2 為可靠系數(shù)。

若延時時間上無法配置級差，則上級斷路器的短延時過電流整定值要與下級斷路器的瞬時保護整定值相配合，即

式中，I′i為下級開關瞬時保護電流整定值。

圖1 地鐵低壓配電系統(tǒng)主接線圖

同時，上級斷路器的瞬時保護整定值Ii還應躲過下級斷路器安裝處的最大三相短路電流。

（3）若上級采用選擇型斷路器，下級為非選擇型斷路器，且瞬時短路保護能夠保護線路全長，只要進行正確整定，即可保證選擇性；若下級斷路器的瞬時短路保護無法保護線路全長，由長延時作后備保護時，上級斷路器的短延時過電流整定值也要與下級斷路器的瞬時保護整定值相配合。

3 影響整定的因素

低壓斷路器的整定計算及保護配合并不復雜，但在工程實際中，以下因素對整定過程有影響：

（1）配電變壓器（下文簡稱配電變）高壓側(cè)開關整定值。配電變高壓側(cè)開關主要保護配電變及由開關柜母線引至配電變的電纜，0.4 kV 進線斷路器作為其下級開關，必須考慮兩者之間的保護配合。在低壓斷路器的整定過程中，動作整定值一般從負荷端至電源端逐級整定，而時間整定值從電源端向負荷端進行考慮，最后就可能造成0.4 kV 進線斷路器整定值與配電變高壓側(cè)整定值不匹配。

（2）涉及專業(yè)多。除了與高壓側(cè)的配合，地鐵低壓配電系統(tǒng)又分為降壓變電所和車站動力照明2 個專業(yè)，在進行整定時，各專業(yè)之間相互提資、相互影響，配合工作量大。而且各專業(yè)往往由不同的設計單位承擔，也為工作協(xié)調(diào)帶來了不便。

（3）保護配合級數(shù)多。地鐵低壓配電系統(tǒng)中低壓斷路器設置級數(shù)較多且相對集中，如0.4 kV進線斷路器、母聯(lián)斷路器、三級負荷總開關、0.4 kV饋線開關、部分配電箱（柜）電源開關等，各級斷路器之間都滿足選擇性是非常困難的。

4 保護配合問題分析

一般來說，上下級斷路器保護應具有選擇性，從而滿足快速查找故障點、及時維修和恢復供電的管理要求，下面就結(jié)合整定工作中遇到的普遍性問題逐級進行分析。

（1）0.4 kV 進線斷路器與配電變高壓側(cè)的保護配合。配電變高壓側(cè)一般設速斷、定時限過流、反時限過負荷、零序等過流保護，而0.4 kV 進線一般設長延時和短延時過流保護，其中短延時整定值要與高壓側(cè)定時限過流整定值相配合，長延時整定值要與高壓側(cè)反時限過負荷保護相配合。整定時需注意：

a.目前地鐵中配電變均采用D,yn11 接線，D,yn11 接線變壓器低壓側(cè)發(fā)生不同形式短路時，高壓側(cè)電流的分布情況如表1所示。

表1 D,yn11 接線變壓器高壓側(cè)各相短路電流分布情況表

由表1可見，無論低壓側(cè)發(fā)生何種短路故障，高壓側(cè)均有故障電流流過，因此要滿足選擇性，高壓側(cè)定時限過流保護動作時間宜大于0.4 kV 進線短延時過流保護動作時間。若前者動作時間小于后者，則故障時高壓側(cè)開關先于低壓側(cè)跳閘，0.4 kV母聯(lián)因無法檢測到故障跳閘信號而自投到故障線路上，這是不合理的。若受條件限制，將兩者動作時間調(diào)成一樣也是可行的，兩開關同時跳閘不會擴大故障影響范圍，也避免了上述情況的發(fā)生。

b.不少設計中對0.4 kV 進線開關長延時時間參數(shù)的整定多按照經(jīng)驗值，忽視了與高壓側(cè)反時限過電流保護的配合，可能會導致配電變高壓側(cè)開關先于0.4 kV 進線開關動作。對于該問題，只需根據(jù)高壓側(cè)反時限動作特性曲線，調(diào)整0.4 kV 進線開關長延時的時間參數(shù)，使0.4 kV 側(cè)動作曲線靠近并低于高壓側(cè)反時限曲線，從而既保證開關選擇性，又使配電變?nèi)萘康玫匠浞掷谩?/p>

c.0.4 kV 進線開關短延時電流整定值不宜過大。若0.4 kV 進線短延時電流整定值過高，高壓側(cè)斷路器定時限過電流保護整定值也被迫提高，既降低了保護本身的靈敏度，也使高壓側(cè)反時限過電流保護范圍擴大，為了與配電變過載曲線相匹配，反時限曲線必然被拉低，從而使變壓器容量得不到充分利用。根據(jù)工程經(jīng)驗，0.4 kV 進線開關短延時整定值不宜超過配電變壓器額定電流的3 倍。

（2）0.4 kV 進線、母聯(lián)與饋線斷路器之間的保護配合。若0.4 kV 饋出線短路故障造成進線斷路器誤動作，勢必造成故障范圍擴大，因此它們之間的選擇性是非常重要的。

目前，0.4 kV 進線、母聯(lián)斷路器均采用選擇型斷路器，而0.4 kV 饋線斷路器中選擇型和非選擇型均有采用，選擇型斷路器與非選擇型斷路器之間的保護配合是比較容易實現(xiàn)的，而選擇型斷路器之間的配合主要體現(xiàn)在短延時的整定上，且應盡量滿足式（1）的整定要求。建議短延時動作時間按如下整定：0.4 kV 進線斷路器、母聯(lián)斷路器分別設為0.4 s 和0.3 s，而0.4 kV 饋線斷路器整定值不超過0.2 s，這樣在整定計算時將很容易實現(xiàn)上下級之間的選擇性。同時要求配電變高壓側(cè)開關的定時限過電流保護動作時間不小于0.4 s，一般來說，中壓環(huán)網(wǎng)對配電變高壓側(cè)開關進行整定時要滿足這一要求并不難。若0.4 kV 進線斷路器還配置了接地故障保護，由于整定值較低，其動作時間應大于 0.4 kV 饋線開關中短延時或接地故障保護動作時間的最大值。

0.4 kV 進線斷路器、母聯(lián)斷路器和各饋出線斷路器均安裝在低壓開關柜內(nèi)，連接母排長度較短，為保證選擇性，0.4 kV 進線斷路器、母聯(lián)斷路器不宜設瞬時保護。目前進線、母聯(lián)斷路器均采用框架式，而饋線開關一般采用塑殼式，在有條件保證選擇性的情況下，如利用斷路器的能量選擇性，進線斷路器和母聯(lián)斷路器可在一處設置瞬時保護裝置，若進線斷路器設瞬時保護裝置，可保證母線故障時進線斷路器迅速動作；母聯(lián)斷路器設瞬時保護裝置，主要是考慮當母聯(lián)自投到故障線路上時，母聯(lián)斷路器迅速跳閘。

三級負荷總開關位于進線開關與三級負荷回路饋線開關之間，保護范圍小且上下級配合困難，短延時（若設）時間設定值可與下級饋線開關中短延時最大動作時間一致，電流整定值可在滿足保護靈敏度要求的情況下取較大值，盡量保證與上下級開關的選擇性。

（3）0.4 kV 饋線斷路器與下一級開關的保護配合。0.4 kV 低壓開關柜的饋出開關和下一級開關是否考慮保護的選擇性，與低壓配電形式有關，分2 種情況進行討論：

a.若0.4 kV 饋線對應配電箱（柜）的進線開關為負荷開關，則其下一級開關為配電箱出線回路開關，應按照選擇性的原則進行整定。有新建工程設計中，0.4 kV 饋線開關全部采用選擇型斷路器，該設計方便與下級開關的配合，但增大了投入成本。

b.由于地鐵運營管理的需要，環(huán)控進線柜、冷水機組電源箱等設備的進線開關一般采用斷路器，該情況下若考慮0.4 kV 饋線開關與下一級電源開關的選擇性，往往比較困難。尤其是當回路容量較大時，0.4 kV 饋線開關與下一級電源開關均設短延時作為短路保護，在動作時間無法配置級差的情況下，為保證選擇性，整定值需滿足式（2），這就造成短延時整定值過大。如某地下車站，配電變?nèi)萘繛? 250 kV·A，按上述原則整定，0.4 kV 進線開關短延時整定值達到9 000 A，高壓側(cè)保護很難與之配合。

考慮到以上配電回路均采用放射式，即0.4 kV低壓開關柜饋出開關與下級電源開關是一對一的關系，即使發(fā)生越級或上下級同時跳閘的情況，故障影響范圍也并沒有擴大。建議對于該情況，可不考慮上下級的保護選擇性，只要將上下級斷路器之間電流整定值稍微拉開。而且過于強調(diào)與下級電源開關的級聯(lián)關系也會相應地增大饋出電纜的截面，造成資金浪費。此外在今后的低壓配電系統(tǒng)方案設計時，可考慮在配電箱（柜）電源進線處統(tǒng)一采用負荷開關，從根本上解決該問題。

5 結(jié)論

在低壓斷路器過流保護整定過程中，上下級配合是必須要考慮的問題，同時也為斷路器的整定工作帶來一些困難。通過對地鐵低壓配電系統(tǒng)中各級斷路器的配合問題進行逐級分析，提出了以下觀點和建議，可供今后的工程設計參考。

（1）0.4 kV 進線開關短延時電流整定值不宜過大，建議不超過配電變壓器額定電流的3 倍，且動作時限不應大于高壓側(cè)定時限過電流保護動作時限。

（2）為保證選擇性，0.4 kV 進線斷路器、母聯(lián)斷路器、饋線斷路器（若設）的短延時動作時限應設置級差，可分別設為0.4、0.3 和0.2 s。

（3）0.4 kV 進線、母聯(lián)斷路器不宜設瞬時保護裝置，當有條件滿足選擇性時，可在其中一處設置。

（4）為方便保護配合，0.4 kV 饋線開關可全部采用選擇型斷路器。

（5）在不擴大故障影響范圍的情況下，0.4 kV饋線斷路器整定時可不優(yōu)先考慮與下一級電源開關（斷路器）的保護選擇性，只要將上下級斷路器的電流整定值稍微拉開。并建議用負荷開關代替該級斷路器。

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