广州地铁供电系统的备自投方案及配合分析

分析广州地铁供电系统各电压等级的备自投方案及配合情况，提出了备自投配合存在的问题，并进行了方案优化建议，使得备自投能正确合理地动作，在供电系统出现故障或非正常运行时，最大限度地降低停电影响。

【关键词】供电系统 变压器 电压

1 常用备自投方案

常用的备自投方案有：母联备自投（图1）、进线备自投（图2）、变压器备自投（图3），轨道交通用得比较多的是母联备自投和进线备自投。

2 各电压等级备自投设置方案

目前广州地铁主变电所的主接线一般分为内桥接线及线路变压器组接线两种，如采用内桥接线，为了减少备自投配合的级数，同时也减少备自投合闸对主变压器的冲击，一般110kV母联不设置备自投功能，而由人工根据需要操作母联开关改变运行方式，故轨道交通内不存在110kV电压等级的备自投。

环网变电所33kV变电所备自投的启动条件为只有线路差动保护动作才启动备自投，故环网变电所33kV变电所之间不存在备自投配合。

综合以上分析，广州地铁各电压等级备自投的主接线示意图见图4。

2.1 主变电所33kV备自投（备自投1）

（1）备自投设置方案：主接线采用单母线分段，采用母联备自投方式，33kV母联断路器设自动投入装置；一般由综合控制保护装置实现。

（2）备自投启动条件：110kV线路故障及上级电网故障跳闸造成的33kV母线失压；主变故障联跳33kV进线开关造成的33kV母线失压。区别在于备自投启动时，前者33kV处于合闸位置，后者33kV处于分闸位置。

2.2 环网变电所33kV备自投（备自投2）

（1）备自投设置方案：同3.1主变电所33kV备自投。

（2）备自投启动条件： 33kV进线电缆故障启动差动保护跳闸造成33kV母线失压。

2.3 环网变电所0.4kV备自投（备自投3）

（1）备自投设置方案：主接线采用单母线分段，采用母联备自投方式，一般由设置在母联开关的PLC实现。

（2）备自投启动条件：动力变故障及上级电源故障跳闸造成0.4kV母线失压。

2.4 末端0.38kV备自投（备自投4及备自投4’）

主要有母联备自投及进线备自投两种方式。

2.4.1 母联备自投

（1）备自投设置方案：主接线采用单母线分段，环控一级负荷及变电所交流屏采用此种自投方式，环控一级负荷由设置在母联开关的PLC实现，变电所交流屏由分离元件实现。

（2）备自投启动条件：上级电源故障跳闸造成0.4kV母线失压。

2.4.2 进线备自投

（1）备自投设置方案：主接线采用单母线不分段，末端一级负荷如应急电源装置、信号等弱电系统采用进线备自投设置方案。一般由ATS（双电源切换装置）实现。

（2）备自投启动条件：上级电源故障跳闸造成母线失压。

3 各电压等级备自投配合及时间整定

3.1 配合及时间整定原则

（1）配合原则：为了避免自投频繁动作，减少自投对线路及变压器的冲击，保证自投的选择性，一般应遵循从电源端到末端逐级自投的配合原则，即各级有两个及以上都符合备自投启动条件，只有最靠近电源端的备自投启动成功，其他符合启动条件的备自投延时不够返回，即自投不成功，如环网电缆故障差动保护动作，备自投2～4同时启动，但只有备自投2自投成功。

（2）时间整定原则：根据一般的整定原则，备自投跳进线开关的延时时间按大于本级线路（设备）电源侧后备保护最长动作时间与线路重合闸之和，由于轨道交通供电系统除了直流牵引供电回路，其他配电回路均没有设置重合闸功能；故备自投的动作时间按大于本级线路（设备）电源侧后备保护最长动作时间整定；合闸时间延时时间一般按1s整定。

3.2 备自投时间计算公式

根据备自投的启动条件可知，从进线或母排失压开始到母联开关合闸恢复供电，备自投总时间一般的计算公式见式3-1。

ta=t1+to+t2+tc （式3-1）

式中：

ta：备自投总时间；

t1：备自投延时跳进线开关整定时间，大于本级线路（设备）电源侧后备保护最长动作时间整定。

to：进线开关分闸时间，一般小于30ms；

t2：备自投延时合母联开关整定时间；一般整定为1s。

Tc：母联开关合闸时间，一般为60～100ms。

对于不同的备自投设置方案及启动条件，其计算公式均可根据本公式进行计算。

3.3 各级备自投配合分析

3.3.1环网变电所33kV备自投与主变33kV备自投的配合

由于环网变电所33kV备自投的主要输入启动条件为差动保护动作跳闸，无论上一级电源出现何种故障造成的失压，均不会启动环网变电所33kV备自投，故环网变电所33kV备自投与主变33kV备自投不存在配合关系。

3.3.2环网变电所0.4kV备自投与环网变电所33kV备自投、主变33kV备自投的配合

首先分析靠近最靠近电源侧的主变33kV备自投时间，由于主变电所33kV备自投的启动条件不同，造成启动备自投时进线开关的状态不同，因此备自投的总消耗时间也相应不同。

（1）当110kV线路故障及上级电网故障跳闸造成的33kV母线失压时；33kV进线开关处于合闸位置，备自投总时间ta=t1+to+t2+tc。

（2）当主变故障联跳33kV进线开关造成的33kV母线失压，33kV进线开关处于分闸位置，备自投总时间ta’=t2+tc。

显然，ta ta’，假设环网变电所0.4kV备自投与主变33kV备自投按照ta’时间配合，即备自投3的t1 ta’及t1 ta，当主变故障联跳33kV进线开关造成的33kV母线失压时，就会出现备自投1和备自投3均自投成功的情况，与配合原则相违背。

因此，如出现某一级备自投的启动是有进线开关处于合位及分位两种情况，下一级的备自投按照本级备自投启动时进线开关处于合位的备自投总时间配合。

按照配合原则，环网变电所0.4kV的备自投延时跳进线开关整定时间t1应大于主变33kV备自投及环网变电所33kV备自投的总时间ta中两者较大的时间。

3.3.3末端0.38kV备自投与上级备自投配合

按各级备自投进线配合，至末端备自投可能达到5～6s的备自投时间，由于末端设备的负荷类型较多，对切换的时间要求也不尽相同，因此需要分析末端的负荷情况。

（1）母联备自投。变电所交流屏负荷主要为：给直流电源提供双回路电源，各设备柜的加热及照明。直流电源由在线蓄电池作为后备电源，一般蓄电池放电2h后还需满足变电所操作电源的冲击负荷，所以备自投的时间可不影响直流供电，而各设备柜的加热及照明对失压时间要求不高，所以，变电所交流屏的备自投可与上级备自投配合。

环控一级负荷主要为电动机（风机），电动机的重启动对失压的时间有较严格的要求，因此，建议环控一级负荷的备自投与上级备自投不进行配合。

（2）进线备自投。除变电所交流屏及环控一级负荷的其他末端一级负荷采用该种备自投方式，一般采用ATS（双电源自动转换开关）装置实现，其切换时间一般为毫秒级，通常不能对时间进行设置，故与上级备自投不进行配合。

部分一级负荷如电子计算机类配置UPS（不间断电源），该类负荷对停电时间要求不高，可采用有延时设置的备自投与上级备自投进线配合。

3.4 各级备自投时间整定

3.4.1主变33kV备自投时间整定

（1）备自投启动跳33kV进线开关延时时间的整定，根据整定原则，整定公式见3-2和3-3。

t1=tb+

tb=tbs-

t1：110kV线路或上级电网故障造成33kV母排失压，备自投启动跳33kV进线开关延时时间。

tb：本级线路的最大电源侧后备保护最长动作时间为33kV进线开关的后备过流保护延时。

tbs：110kV的后备过流保护延时，根据主变所在区域电网供电局对后备过流延时的要求而定，如广州地铁供电局对地铁110kV的后备过流保护延时不大于1.5s。

一般取0.3s，困难时可取0.25s。

（2）合母联断路器时间整定。合母联断路器时间延时一般设定为1s。

3.4.2环网变电所33kV备自投时间整定

整定方法与3.4.1相同。

3.4.3环网变电所0.4kV备自投时间整定

由于需要分别和主变33kV备自投、环网变电所33kV备自投配合，故整定比较两者中备自投总时间的大小比较结果。

t1=tb+

t1：备自投启动跳0.4kV进线开关延时时间。

tb：主变33kV备自投、环网变电所33kV备自投中较大者。

一般取0.3s。

3.4.4末端0.38kV备自投备自投时间整定

只针对能配合上级电源备自投的模式进行整定，公式如下：

t1=tb+

t1：备自投启动跳0.38kV进线开关延时时间。

tb：环网变电所0.4kV备自投中总时间。

一般取0.3s。

4 广州地铁备自投的整定配合及分析

4.1 方案分析

某线各电压等级备自投的整定值如表1：

从以上分析及表中数据可知，配合存在以下问题：

（1）环网变电所0.4kV的进线分闸延时为3000ms，大于环网变电所33kV的总延时2200ms，但小于主变电所33kV的备自投总时间（3000ms+固有分闸及合闸时间），没有级差，即备自投不能配合。

（2）变电所交流屏与环网变电所0.4kV没有配合。

4.2 方案优化

（1）33kV环网过流后备保护延时最长为1200ms，而主变电所33kV进线分闸延时为2000ms，分闸延时符合整定要求，但可调整为1500ms，这样主变电所33kV的自投总延时约为1500+30ms+1000+100 =2630ms，与环网变电所0.4kV的进线分闸延时达到了很好的配合。

（2）变电所交流屏的进线延时分闸可整定为3500ms，母联合闸延时整定为1000ms，达到与上级电源备自投配合的目的。

5 结论

广州地铁各电压等级备自投的设置方案简单可靠，在主变压器、电缆等电气设备出现故障时，供电系统能及时隔离故障，故障回路的负荷迅速切换到正常回路供电满足主变电所、环网33kV变电所的供电需求。

通过理论分析，提出了各电压等级备自投应遵循从电源端到末端逐级自投的配合原则及延时整定方法，并对广州地铁某线的备自投配合及延时整定进行了分析，提出了调整备自投的整定延时的建议，以达到各级备自投配合优化的目的。

作者单位

广州地铁设计研究院有限公司电气工程所 广东省广州市 510000