姜 朝 曦

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092］

0 引 言

市政隧道工程的供配電系統(tǒng)與其他工程相比要求較高,需保障其各重要負(fù)荷供電系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性及安全性。如果在運(yùn)行過(guò)程中大面積斷電,可能會(huì)對(duì)人民的生命安全和公共財(cái)產(chǎn)造成較大損失。因此,各級(jí)保護(hù)裝置的動(dòng)作特性應(yīng)具有良好的選擇性配合,配電的電氣設(shè)備應(yīng)按照預(yù)先規(guī)定的動(dòng)作順序進(jìn)行有選擇的開(kāi)斷工作,絕不允許出現(xiàn)越級(jí)脫扣現(xiàn)象,避免擴(kuò)大事故影響范圍造成損失。

1 工程概述

某城市隧道全長(zhǎng)約2.3 km,道路等級(jí)為城市快速路,主路設(shè)計(jì)速度80 km·h-1,標(biāo)準(zhǔn)段雙向6車(chē)道。沿隧道全線共設(shè)置3處變電所,分別內(nèi)設(shè)兩臺(tái)SCB14-1 250 kVA,10±2×2.5%/0.4 kV變壓器。變壓器聯(lián)結(jié)組別Dyn11,短路阻抗Uk=6%,為隧道內(nèi)動(dòng)力及照明負(fù)荷供電。隧道內(nèi)主要負(fù)荷為射流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、峒口雨水泵、最低點(diǎn)廢水泵等,供電距離最遠(yuǎn)約為600 m。變電所低壓系統(tǒng)接地形式為T(mén)N-S。

以1號(hào)變電所為例,該變電所內(nèi)兩臺(tái)SCB14-1 250 kVA變壓器出線采用ACB-2 500 A保護(hù),兩臺(tái)變壓器各帶隧道1臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)(單臺(tái)250 kW,效率0.94),采用控制與保護(hù)器件(CPS)保護(hù),星三角起動(dòng)方式,供電距離為150 m,電纜型號(hào)采用2(WDZA-YJY-4×150+1×70)。單臺(tái)變壓器其余負(fù)荷約為500 kW。試運(yùn)行階段測(cè)試風(fēng)機(jī)時(shí),軸流風(fēng)機(jī)合閘后變壓器10 kV側(cè)斷路器跳閘,0.4 kV側(cè)斷路器未動(dòng)作。供電示意圖如圖1所示。

圖1 供電示意圖

2 故障分析

10 kV真空斷路器跳閘可能有如下原因:① 線路有接地或短路故障,接地或短路保護(hù)動(dòng)作;② 大功率設(shè)備起動(dòng)時(shí)尖峰電流造成高壓線路涌流過(guò)大,上下級(jí)斷路器配合有誤,造成速斷跳閘;③ 電流互感器電流比過(guò)小,與實(shí)際負(fù)荷電流比不匹配。下面從設(shè)計(jì)角度對(duì)上述幾種可能進(jìn)行分析和計(jì)算。

2.1 接地和短路故障排除

切斷軸流風(fēng)機(jī)電源后,分別對(duì)兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)的直流電阻和絕緣電阻進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)異常情況。直流電阻正常說(shuō)明軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部完整,未因機(jī)械應(yīng)力引起斷線、脫焊或接觸不良。絕緣電阻正常說(shuō)明軸流風(fēng)機(jī)導(dǎo)電部分并未收到異物、受潮、絕緣擊穿及熱老化等缺陷影響。確認(rèn)設(shè)備正常后,對(duì)10 kV斷路器QF1合閘,變壓器正常運(yùn)行,不帶其他負(fù)載,單臺(tái)星三角起動(dòng)軸流風(fēng)機(jī)后,電機(jī)起動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)一切正常,高、低壓斷路器未動(dòng)作,且10 kV繼電保護(hù)未顯示接地及短路故障,可以排除因接地或短路故障引起的保護(hù)動(dòng)作情況。

2.2 高低壓斷路器選擇性配合校驗(yàn)

大功率軸流風(fēng)機(jī)起動(dòng)時(shí),電機(jī)存在較大的轉(zhuǎn)差率,因此會(huì)存在較大的起動(dòng)電流,進(jìn)而造成電網(wǎng)波動(dòng)。當(dāng)電壓波動(dòng)超過(guò)斷路器設(shè)定值時(shí)會(huì)造成斷路器跳閘,因此先應(yīng)排除軸流風(fēng)機(jī)起動(dòng)是否會(huì)造成斷路器失壓跳閘。如母線電壓滿足規(guī)范要求,則應(yīng)進(jìn)一步判斷電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流是否會(huì)引起高、低壓斷路器速斷或過(guò)載跳閘。當(dāng)變壓器容量≥800 kVA時(shí),一般采用帶反時(shí)限保護(hù)的高壓斷路器柜的方式,可以通過(guò)斷路器直接對(duì)整定值進(jìn)行調(diào)節(jié),低壓側(cè)通常情況下會(huì)選擇智能式帶短路的延時(shí)開(kāi)關(guān),最后判斷其與高壓側(cè)配合情況是否合理,從而起到選擇性保護(hù)目的,避免越級(jí)動(dòng)作,擴(kuò)大事故范圍。

(1) 0.4 kV母線失壓校驗(yàn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]公式并做適當(dāng)變型,電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線壓降校驗(yàn)式如下。

母線短路容量:

(1)

起動(dòng)回路的計(jì)算容量:

(2)

母線電壓相對(duì)值:

(3)

式中:Ssc——最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)短路容量,取200 MVA;

QL——預(yù)接負(fù)荷的無(wú)功功率;

us——電源母線電壓相對(duì)值,取1.05;

Uav——網(wǎng)絡(luò)平均電壓,取0.4 kV;

SrT——變壓器額定容量,取1.25 MVA;

uk%——變壓器的電抗相對(duì)值,取為阻抗電壓相對(duì)值;

X1——線路電抗(對(duì)于銅芯線:≤150 mm2,X1取(18.3/S)l);

SstM——電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)容量,MVA,其值為kstSrM。

代入數(shù)據(jù)后:

X1=0.009 15;

SscB=18.87 MVA;

Sst=1.24 MVA;

QL=0.375 Mvar;

ustB=0.918。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]第2.2.2條,電動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí),不宜低于額定電壓的90%;電動(dòng)機(jī)不頻繁起動(dòng)時(shí),不宜低于額定電壓的85%。計(jì)算結(jié)果為91.8%滿足要求,變壓器低壓側(cè)斷路器不會(huì)因母線失壓跳閘,設(shè)計(jì)選型合理。

(2) 0.4 kV斷路器尖峰電流校驗(yàn)。

0.4 kV斷路器定時(shí)限過(guò)電流脫扣器的整定電流應(yīng)能躲過(guò)短時(shí)出現(xiàn)的尖峰負(fù)荷電流,其瞬時(shí)過(guò)電流脫扣器的整定電流應(yīng)躲過(guò)配電線路的尖峰電流。根據(jù)文獻(xiàn)[1]中公式進(jìn)行如下校驗(yàn):

Iset2≥Kset2[IstM1+IC(n-1)]

(4)

Iset3≥Kset3[I′stM1+IC(n-1)]

(5)

式中:Iset2——定時(shí)限弱電流脫扣器的整定電流;

Kset2、Kset3——分別為定時(shí)限、瞬時(shí)可靠系數(shù)取1.2;

IstM1——線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流,星三角起動(dòng)取4倍電動(dòng)機(jī)額定電流IrM;

I′stM1——線路中最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的全起動(dòng)電流,取IstM1的2.5倍;

IC(n-1)——除起動(dòng)電流最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)以外的線路計(jì)算電流。

代入數(shù)據(jù)后:

IrM=505 A;

Iset2=7 500 A;

Iset3=25 000 A;

Kset2[IstM1+IC(n-1)]=3 624 A;

Kset3[I′stM1+IC(n-1)]=7 260 A。

由計(jì)算結(jié)果可知,滿足校驗(yàn)條件,0.4 kV斷路器能夠躲過(guò)軸流風(fēng)機(jī)起動(dòng)時(shí)尖峰電流。

(3) 10 kV斷路器尖峰電流校驗(yàn)。

當(dāng)變壓器容量≥800 kVA時(shí),一般采用帶反時(shí)限保護(hù)的高壓斷路器柜的方式,可以通過(guò)斷路器直接對(duì)整定值進(jìn)行調(diào)節(jié),10 kV側(cè)斷路器一般由供電部門(mén)負(fù)責(zé)整定,為了避免用電設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載或涌流對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響,往往將10 kV出線開(kāi)關(guān)整定為變壓器額定電流的1.5倍,延時(shí)時(shí)間為0.3～0.5 s。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中公式并做適當(dāng)修改,接有多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的配電回路,只考慮1臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的尖峰電流為

Ist=(KIrM)max+IC(n-1)

(6)

其中,(KIrM)max為起動(dòng)電流與額定電流差別最大的一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流;K為起動(dòng)電流倍數(shù),籠型電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)取7倍,星三角起動(dòng)時(shí)取4倍。

代入數(shù)據(jù)后:

Ist=3 020 A。

折算到高壓側(cè)電流為120.8 A。

變壓器額定電流為72 A,10 kV斷路器速斷整定電流為108 A,因此,可判斷10 kV斷路器越級(jí)跳閘。

2.3 電流互感器變比校驗(yàn)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),部分10 kV斷路器跳閘可能是因?yàn)榫C保設(shè)置不合理引起的。檢查綜合保護(hù)裝置內(nèi)部參數(shù)設(shè)置,10 kV饋線斷路器采用VS1真空斷路器,過(guò)電流跳閘值預(yù)設(shè)為變壓器額定電流1.5倍,即108 A、標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限時(shí)間為0.3 s,預(yù)設(shè)電流互感器變比為500/5。實(shí)際安裝中,10 kV環(huán)網(wǎng)柜饋線回路電流互感器變比為150/5。由計(jì)算可知,電機(jī)起動(dòng)時(shí)變壓器高壓側(cè)電流為120.8 A,此時(shí)按實(shí)際安裝的150/5的電流互感器二次側(cè)流過(guò)電流為4.03 A,而輸入綜保裝置卻按照500/5變比進(jìn)行計(jì)算,其過(guò)載保護(hù)整定值為1.08 A,相差4倍會(huì)引起過(guò)載動(dòng)作跳閘。

3 解決方案

大功率電機(jī)起動(dòng)造成10 kV斷路器越級(jí)跳閘,在排除接地及短路故障后,事故原因往往是起動(dòng)尖峰電流過(guò)大或綜保設(shè)置引起的。針對(duì)本工程的故障分析結(jié)果,解決方案如下:

(1) 大功率風(fēng)機(jī)起動(dòng)時(shí),應(yīng)盡量減小其起動(dòng)電流。消防負(fù)荷可考慮利用不含電力電子元器件的軟起動(dòng)器或星三角降壓起動(dòng)。非消防負(fù)荷可考慮變頻起動(dòng)等方式,進(jìn)一步降低尖峰電流。

(2) 根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇合理的10 kV斷路器參數(shù)。實(shí)際的速斷動(dòng)作電流及時(shí)間整定應(yīng)既能躲開(kāi)大功率電機(jī)的起動(dòng)尖峰電流,又能使跳閘故障不頻繁發(fā)生。在參數(shù)選擇上,可以考慮整定值適當(dāng)向上擴(kuò)大一檔或通過(guò)時(shí)間差來(lái)保障不出現(xiàn)越級(jí)跳閘的現(xiàn)象。

(3) 運(yùn)維人員在驗(yàn)收調(diào)試階段需仔細(xì)核查。要查看綜保設(shè)定是否和設(shè)定單相同,特別注意各元器件的參數(shù)是否一致。若綜保變比和CT變比不一致,在CT變比選型安裝正確的情況下,重新設(shè)定綜保變比。

(4) 規(guī)范試運(yùn)行階段相關(guān)人員的操作方式。試運(yùn)行階段在調(diào)試風(fēng)機(jī)時(shí),往往會(huì)同時(shí)開(kāi)啟大部分風(fēng)機(jī),會(huì)造成很大的起動(dòng)尖峰電流。以本項(xiàng)目為例,操作人員應(yīng)模擬實(shí)際運(yùn)行工況下大功率風(fēng)機(jī)起動(dòng)時(shí)既有負(fù)荷的情況,避免同時(shí)全部起動(dòng)射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī),確保電流不超過(guò)繼電器的額定電流設(shè)定值。

4 結(jié) 語(yǔ)

市政隧道工程的供配電系統(tǒng)考慮其項(xiàng)目特點(diǎn)和影響范圍等因素,在供電系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性及安全性上有著嚴(yán)格要求。本文結(jié)合已實(shí)施工程案例,從設(shè)計(jì)角度對(duì)隧道軸流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)越級(jí)跳閘原因進(jìn)行探究,逐一計(jì)算排查分析故障原因,對(duì)今后10 kV側(cè)越級(jí)跳閘事故排查有一定啟發(fā)作用。