城市轨道交通降压变电所供电能力研究

杨超华 余海斌

(上海申通轨道交通研究咨询有限公司，200070，上海//第一作者,工程师)

根据《地铁设计规范》[1]，城市轨道交通的降压变电所一般设有两台降压变压器，当一台变压器退出运行时另一台变压器应能负担供电范围内的远期一、二级负荷。大部分城市轨道交通在开通试运营前会进行消防联动试验，试验过程中,经常发生由于400 V总进线开关保护动作，导致整个降压变电所退出运行的情况，此时防排烟风机等无应急电源的消防设备将全部停止工作。上述情况若发生在运营期间，后果将不堪设想。本文通过分析降压变电所的下级负荷特点以及继电保护设置，搭建测试模型分析发生上述情况的原因，并提出解决方案，以确保城市轨道交通降压变电所的供电能力满足标准要求。

1 降压变电所的下级负荷特性分析

城市轨道交通降压变电所的下级负荷按其对供电可靠性的要求一般分为一级负荷、二级负荷、三级负荷。各级负荷所包含的机电设备如表1所示。其中:信号、通信、综合监控等弱电系统设备,以及照明、自动扶梯、站台门等车站机电设施设备正常运行时的负载电流不足以引起400 V总进线开关保护动作；只有通风空调系统的部分防排烟风机的功率会大于75 kW，且一旦发生火灾这些风机会通过旁路直接启动，启动电流往往是额定电流的4～7倍。若多台防排烟风机的启动电流波形叠加,可能会超过400 V总进线开关保护的整定值。

表1 降压变电所的下级负荷统计表

2 降压变电所的继电保护设置

城市轨道交通降压变电所的400 V总进线开关一般设有短路瞬动保护、短路短延时保护、过负荷长延时保护、接地保护，这些保护的整定原则如下：

(1) 短路瞬动保护:①整定值接近本段线路末段的最大短路电流，以保证流过本段线路的电流不超过电缆能承受的极限；②应考虑与上、下级开关的短路瞬动保护之间的选择性配合。

(2) 短路短延时保护:①整定值大于或等于降压变电所400 V馈线回路中断路器最大短路瞬动保护整定值的1.2～1.3倍，并考虑一定的时限；②应考虑与上、下级开关的短路短延时保护之间的选择性配合；③短路短延时保护作为短路瞬动保护拒动时的后备保护，保护范围一般覆盖被保护线路全长。

(3) 过负荷长延时保护:①整定值接近降压变压器低压侧的额定电流，并考虑一定的时限；②整定值还应躲过最大负荷的启动尖峰电流及其余负荷的工作电流；③应考虑与上、下级开关的过负荷长延时保护之间的选择性配合；④过负荷长延时保护作为本段线路主保护拒动时的近后备保护以及下级保护拒动或断路器拒动时的远后备保护。

(4) 接地保护:①整定值应能保证本段线路发生任何非金属性接地短路时都能准确动作，保证灵敏度；②整定值应躲过正常工况下最大三相不平衡电流以及在发生相间短路故障时产生的最大不平衡电流。

上述保护中,短路瞬动保护、短路短延时保护、接地保护一般在短路故障时动作，消防联动试验过程中一般无短路故障，故可以排除。根据上文分析，在消防联动时，大功率防排烟风机设备同时启动可能会引起过负荷长延时保护动作，为避免这种情况发生，过负荷长延时保护的整定值应躲过最大负荷的启动尖峰电流及其余负荷的工作电流。但是,当多台大功率防排烟风机设备同时启动时，可能会超过过负荷长延时保护整定值的极限，此时还需要考虑其他措施。本文将搭建测试模型并以实际案例进行分析说明。

3 降压变电所供电能力测试的模型

3.1 测试模型

正常情况下，降压变电所的最大负荷出现在夏季，此时车站空调制冷及水系统设备投入运行，该情况假定为模型A。灾害工况下，降压变电所的最大负荷一般出现在站台公共区火灾模式或区间火灾模式时，此时可能会有多台隧道风机以及排热风机同时启动，该情况假定为模型B。与模型B相比,模型A的下级负载设备更多，设备启动后的负载电流更大；但由于模型A的所有下级负载均正常启动，且大功率设备有软启动、变频等措施降低启动电流，故模型A的启动电流远小于模型B。

综上所述，降压变电所供电能力测试的模型建议为：降压变电所的一台变压器退出运行，与此同时触发站台公共区火灾模式或区间火灾模式，以此考验降压变电所的极限供电能力。

3.2 测试流程

(1) 在降压变电所选择一个400 V进线回路，停电后在该回路的开关柜内安装测试仪器；

(2) 调整供电方式，即一台降压变压器带全站一、二级负荷；

(3) 检查环控设备初始状态后，触发站台火灾模式或区间火灾模式，在车控室通过环境与设备监控系统或综合监控系统观察火灾模式的执行情况；

(4) 记录400 V进线处电流波形，同时观察是否有跳闸情况。

4 案例分析及解决方案

4.1 案例分析

以某城市轨道交通消防联调试验的实际情况为例，该车站的降压变压器容量为1 000 kVA,隧道风机容量为132 kW,排热风机容量为37 kW；执行站台公共区火灾模式时会有4台隧道风机、2台排热风机同时启动。车站的主要继电保护设置如表2所示。

表2 某车站继电保护参数统计表

该车站单台隧道风机的工频启动电流峰值约为1 520 A，是额定电流的7倍左右，启动电流持续时间约为4 s(如图1所示)。400 V总进线处第1段波形的电流峰值约为4 300 A,持续时间约为5 s；第二段波形的电流峰值约为1 644 A,持续时间约为2 s；第三段波形的电流峰值约为2 412 A、持续时间约为4 s(如图2所示)。三段启动电流波形与400 V进线开关的继电保护整定值相比较可以发现,不会引起保护动作。

由于防排烟风机对应的风阀开启时间存在随机性，导致了防排烟风机的启动时间不一致，故出现图2所示的三段启动电流波形。如果三段启动电流波形碰巧重叠，那么可能超过过负荷长延时保护或短路短延时保护整定值上限，此时还需要考虑其他措施。

图1 隧道风机启动电流波形

图2 400 V总进线处电流波形

4.2 解决方案

(1) 过负荷长延时保护的整定值在保护变压器的前提下尽可能躲过最大负荷的启动尖峰电流及其余负荷的工作电流。

(2) 当多台大功率防排烟风机设备同时启动时，启动尖峰电流及其余负荷的工作电流超过整定值极限，则可考虑通过环境与设备监控系统对大功率防排烟风机设备进行错时启动。

5 结语

城市轨道交通降压变电所的供电能力是否满足标准要求对今后运营至关重要,建议在消防联动试验时，考虑增加一台降压变压器退出运行的工况，以充分验证降压变电所的供电能力。