民用机场供配电网与继电保护优化技术研究

雷泽宇 康 维

（国家电网陕西省电力有限公司西咸新区供电公司，陕西西安 712000）

0 引言

随着我国经济发展全面步入小康社会，“十四五”时期民用航空在国家经济社会发展中的战略作用必将更加凸显。到2035年民用运输机场预计将达到400个左右，相关规划建议加快建设交通强国，维护供电和交通等基础设施的安全；提出交通先行、适度超前，向注重质量和效益转变，构建安全的现代化综合交通体系；要解决行业快速发展需求和基础保障能力不足的突出矛盾，重点补齐基础设施、专业技术人员等核心资源短板，大幅提升有效供给能力[1]。电力是便捷高效清洁的能源，是保障机场正常运行的重要基础，无论是航空管制、导航、通信、气象、助航灯光系统设施、安全检查设备还是航显等重要场所，均离不开稳定可靠的电力供应。本文从民用机场供配电系统的网络架构和继电保护现状出发，分析、提出了改进措施和建议，有利于保障机场用电的稳定和可靠[2]。

1 民用机场供配电系统现状概述

目前，大部分机场供配电系统是从电网公司引入两路独立电源，部分一级负荷中特别重要负荷外引一路应急电源。两路独立电源接入机场中心变电站或开闭站，作为机场总的电源部分。各个区域开闭站从中心变不同母线引入两路电源，各区域的配电室从附近开闭站引入两路独立电源[3-4]。

机场中心变电站高压侧和低压侧一般为单母线分段接线，正常运行时分段开关热备用，每回进线或主变均能承担全部负荷；当一回电源进线失电或故障时，备用电源自动投入装置跳开失电或故障进线，合上分段开关恢复正常供电[5-6]。区域开闭站通常为单母线分段接线，正常运行时分段开关热备用，每回进线可承担全部负荷；当一回电源进线失电或故障时，备用电源自动投入装置跳开失电或故障进线，合上分段开关恢复正常供电。配电室采用线变组方式时低压0.4 kV采用单母线分段接线，正常运行分段开关热备用，每回进线变压器组可承担全部负荷；配电室采用单母线分段接线，正常运行时分段开关热备用，每回进线可承担全部负荷，低压0.4 kV采用单母线分段接线，正常运行时分段开关热备用，每台变压器组可承担全部低压负荷[7]。基于上述供配电网架构，继电保护一般按照如下方式配置：

（1）机场中心变110 kV线路与对侧配合配置光纤纵差保护，110 kV母线配置专用母线差动保护，110 kV主变配置差动保护、各侧后备保护和非电量保护，10 kV出线配置速断、过流保护。

（2）开闭站进线和出线配置速断、过流保护，变压器配置速断过流和零序保护。

（3）配电所进线和出线配置速断、过流保护，变压器配置速断过流和零序保护，线变组接线方式的变压器由上级开关保护实现速断、过流保护。

2 供配电网系统架构优化

随着新能源技术发展，根据四型机场的建设需求和民航节能减排规划，为提升机场终端用能清洁化水平，持续推进机场保障设施设备“油改电”，推广使用飞机地面静变电源、飞机地面空调机组、新能源车、使用低能耗产品的末端设备，民用机场对供配电系统供电可靠性和供电质量提出了更高更严格的需求。根据相关研究统计资料，大型国际机场发生故障停电造成的影响和损失十分重大。国内外曾有多起机场停电事故原因都是供电电缆故障、主要电力设施故障，造成机场全面或局部停电，影响机场正常运行。根据当前国内机场供配电网建设现状，结合相关案例，提出以下建设方案。

2.1 机场多中心变电站方案

大部分机场根据规模用电容量需求，采用建设一座中心变电站作为全场电源，接入两回独立电源进线，对特别重要一级负荷配备应急电源的模式。对于航站楼体量大、航班密度高、客流量大的枢纽机场、干线机场，这种模式下一旦发生中心变电站全站失电，仅靠自备应急电源难以保证机场持续可靠运行，将造成航站楼瘫痪甚至机场关闭，导致空域管理困难、相关备用机场容量快速饱和等一系列联锁问题[8]。因此在后续建设中，对于枢纽机场、干线机场应升级完善机场中心变电站的受供电网架，宜考虑单个中心变电站出现全站失电的极端情况，采用建设多个中心变电站的模式，提高全场供配电可靠性。

目前机场当地城市电网公司都配备有大容量应急发电车，机场中心变电站或者重要负荷中心开闭站在建设时宜考虑预留备用间隔与应急发电车对接，作为机场供配电系统遭受严重故障突发事件时的应急处置备用措施，可及时缓解有应急发电车而无法接入使用的尴尬局面。

2.2 开闭站网络架构优化方案一

开闭站网络架构优化方案一如图1所示。开闭站主接线方式采用双开关站双电源双环网接线，每座开关站都采用双电源单母线分段接线方式，两座开关站之间设置两回联络线。

图1 开闭站网络架构优化方案一

采用此种接线方式的开闭站，在极端情况下可实现N-3方式运行，具备非常强的供电可靠性和运行方式的灵活性。若只需满足正常N-2运行方式，4回进线平均负载率最大上限50%即可满足要求，这与目前机场供配电系统线路负载率保持一致；在出现极端N-3情况时，可通过自动减载措施切除可靠性要求较低的三级负荷，保证高可靠性供电负荷的正常运行；亦可在出现N-2运行时，通过调整运行方式切除低可靠性负荷，以便在N-3故障时维持开闭站的正常供电。本方案比单母线分段接线方式增加了两回进线和配套一、二次设备，增加了一定的建设投资费用，但极大地提高了特、一级重要负荷在极端故障情况下的供电可靠性，提升了枢纽机场、干线机场应对极端故障情况的供电保障能力。

2.3 开闭站网络架构优化方案二

开闭站网络架构优化方案二如图2所示。开闭站采用单母三分段接线方式，电源采用两用一备的供电方式。

图2 开闭站网络架构优化方案二

采用此种接线方式的开闭站，可实现在N-2故障情况下的正常运行。在正常情况下，每个主供回路各带50%负荷；在两个主供电源相继发生故障或停电时，备用电源回路可以承担主供电源的所有负荷，从而实现N-2的运行方式，提升供配电的可靠性。此方案比单母线分段接线方式增加了一回进线和配套一、二次设备，增加了少量的建设投资费用，但提高了一、二级负荷在两路主供电源同时故障情况下的供电可靠性，提升了机场应对大部分故障情况的供电保障能力。

综上，在民用机场建设发展的过程中，枢纽机场和干线机场用电负荷越来越大，在顺应节能减排趋势下机场的终端用电设备也越来越多，通过建设多中心变电站、优化开闭站的电气主接线、预留应急发电车电源接口等措施，可以为机场提供更加完善的供配电网络架构，从而保障机场供电安全，提升机场的电力故障应急响应能力。

3 继电保护配置优化

继电保护能在电气元件发生故障时自动快速有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续受到破坏，保障其他无故障部分迅速恢复正常运行，在技术上应满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性要求。选择性可缩小停电范围，速动性可缩短故障时间并降低故障元件的损坏程度，从选择性和速动性出发优化完善线路、母线等主要电气设备主保护，精准选择并快速切除故障部分，有利于备用电源自动投入等设备动作恢复供电，提高供配电系统的稳定性。这些特性可以极大地提高枢纽机场、干线机场的供配电网继电保护性能，满足此类机场供配电运行可靠性要求。

3.1 线路主保护配置光纤电流差动保护装置

民用机场110 kV中心变电站到10 kV开闭站、10 kV开闭站到10 kV配电所之间10 kV电缆长度从300～400 m到4～5 km不等，现场敷设方式主要有管廊、缆沟和排管等。一次系统图如图3所示，K11～K15处线路保护存在多层级配合。

图3 供配电网一次系统图

按典型方式整定，K11处过流Ⅱ段时间tⅡ-K11=0.3 s；K12处过流Ⅱ段需与K11处配合，级差为0.3 s，即tⅡ-K12=0.6 s；K13处过流Ⅱ段需与K12处配合，级差为0.3 s，即tⅡ-K13=0.9 s；K14处过流Ⅱ段需与K13处配合，级差为0.3 s，即tⅡ-K14=1.2 s；K15处过流Ⅰ段需与K14处过流Ⅱ段配合，级差为0.3 s，即tⅠ-K15=1.5 s；K15处过流Ⅱ段需与K15过流Ⅰ段配合，级差为0.3 s，即tⅡ-K15=1.8 s。线路层级多，给多级延时过流保护的时间配合整定带来较大困难，上级电网保护的速动性难以保证。线路速断保护按照可靠系数KK=1.3整定，不能覆盖全线，线路区外故障依靠上级延时过流保护动作，扩大了故障范围，不利于快速切除故障；按照规程全线电缆的线路保护不宜采用自动重合闸，无法实现保护故障跳闸情况下自恢复功能。枢纽机场和干线机场等民用机场的供配电网层级多、架构复杂、供电可靠性要求高，根据继电保护和安全自动装置技术规程规定，有必要配置光纤电流差动保护作为主保护，带时限的过电流保护为后备保护，如图4所示。

在K13和K14分别装设光纤电流差动保护装置采集K13和K14处的电流、电压和开关等信号，两个装置之间采用光纤通信。光纤电流差动保护装置在K13与K14之间发生线路故障时能通过采集计算两侧电流判断为线路保护区内故障，快速切除两侧开关，隔离故障线路，缩小故障范围，减少故障短路电流对10 kV电缆的破坏，提高了保护选择性；保护出口动作时间≤35 ms，提高了线路主保护的快速性，利于下级备用电源自动投入设备及时恢复断电区域的供电，缩短了停电时间，保障了供配电网的供电可靠性。同时，线路配置光纤电流差动保护利于缩短延时过流保护级差时间配合，提高了线路后备保护的性能。

3.2 母线配置独立母线保护装置

主变低压侧K15处延时过流保护跳闸时间tⅠ-K15=1.5 s作为低压侧母线的主保护，延时过长、速动性差，存在烧毁一次开关柜的案例和风险；在低压侧并列运行方式下发生母线故障时选择性差，存在误切非故障母线保护误动的风险，会扩大故障范围，存在影响备用电源自动投入装置恢复非故障供电设备供电的风险隐患。为保证枢纽机场、干线机场等民用机场的供配电网安全和重要负荷可靠供电，保障主要电力设备安全，根据继电保护和安全自动装置技术规程规定，须快速而有选择地切除一段或一组母线上的故障。

母线差动保护装置采集母线连接的各个开关电流以及母线电压等电气模拟量，通过计算母线差流，保护能准确反映母线保护区内的各种类型故障并动作跳闸。母线保护能适应被保护母线的各种运行方式，根据小差电流识别具体故障母线并切除相应故障母线断路器；同时能输出相应母线故障信号闭锁相关备用电源自动投入，防止误投电源、扩大事故。母线差动保护整组动作时间≤15 ms，能快速切除故障，提高系统的稳定性，减少设备在电压降低情况下的工作时间，减轻一次开关设备和主变压器因母线故障短路电流受到冲击的损坏程度。在枢纽机场和干线机场等民用机场的供配电系统配置10 kV母线差动保护，有利于提高继电保护切除故障的选择性和速动性，有利于降低短路故障电流对设备的冲击，降低运维成本，有利于提高供配电系统的供电可靠性。

4 结束语

本文结合民用机场的发展和规划、机场供电可靠性需求，基于机场的供配电网现状，探讨了从建设多中心变电站、优化开闭站网架、预留应急发电车电源接口，到完善配置10 kV线路光纤电流差动保护和母线差动保护二次方案，提出了供配电网架构和继电保护配置的优化建议，有利于提升机场供配电网自动化水平和应急响应能力，补齐民用机场供配电的基础设施和核心资源的技术短板，大幅提升有效供给能力，保障枢纽机场、干线机场等民用机场的供配电系统稳定和安全。