城市轨道交通变电所0.4kV开关的选型与上下级间保护配合

城市轨道交通变电所0.4kV开关的选型与上下级间保护配合

尹超准

尹超准

中铁电气化勘测设计研究院有限公司天津300250

摘要：对城市轨道交通变电所0.4kV断路器、脱扣器研究选型以及变电所0.4kV馈线开关与上级进线开关、下级配电箱（柜）进线开关之间的保护配合分析比较。

关键词：断路器；保护；配合；选择性；ZSI

Abstract：Selectionof0.4kVbreakerandtripperinsubstationofurbanrailtransitsystem，andprotectioncoordinationbetween0.4kVfeederbreakerandincomingbreakerinsubstation，alsoprotectioncoordinationbetween0.4kVfeederbreakerandinsubstationandincomingbreakerinpowerdistributionbox（cabinet）.

Keywords：Breaker；Protection；Coordination；Selectivity；ZSI

0引言

城市轨道交通变电所配电变压器（35/0.4kV或10/0.4kV）低压侧主要开关设备一般由进线断路器、母联断路器、三级负荷总开关和馈线断路器组成。以上开关设备的选型是整个低压配电系统的关键。配电系统的连续、安全供电和可靠的保护是衡量系统质量的标志。先进的配电系统能最大限度提供供电的连续性和合理的保护，靠断路器的选择性保护和限流。

1低压断路器的选型

框架断路器（ACB），框架式断路器主要有：断路器本体，移动部分，固定部分，脱扣单元，附件组成。额定容量一般在630A以上。

塑壳断路器（MCCB），塑壳指的是用塑料绝缘体来作为装置的外壳，用来隔离导体之间以及接地金属部分。塑壳断路器通常含有热磁跳脱单元，而大型号的塑壳断路器会配备固态跳脱传感器。其脱扣单元分为：热磁脱扣与电子脱扣器。塑壳断路器的额定容量一般在63A~630A之间。

微型断路器（MCB）常用于配电线路的末端，额定容量一般在1A~63A之间。

城市轨道交通工程低压断路器的选型：进线和母联开关通常选用1000A~4000A框架式断路器，馈线开关通常选用630A及以下的塑壳断路器，其中大部分为400A以下的塑壳断路器。

2脱扣器的选型

热磁脱扣器，由热脱扣器和磁脱扣器构成，热脱扣是通过双金属片过电流延时发热变形推动脱扣传动机构；磁脱扣是通过电磁线圈的短路电流瞬时推动衔铁带动脱扣，分别对应长延时和电流速断。热磁脱扣器具有性能稳定且不受电压波动影响、寿命长等优点，但灵敏度低、不易整定。通常额定容量在250A及以下的塑壳断路器采用此脱扣方式。

电子脱扣器，电子脱扣器就是用电子元件构成的电路，检测主电路电流，放大、推动脱扣机构。电子脱扣器具有功能完善、灵敏度高、整定方便等优点，但受电源影响较大、略易损坏、价格较高。通常额定容量在400A及以上的塑壳断路器和框架断路器采用此脱扣方式。

城市轨道交通工程低压断路器脱扣器的选型：进线、母联以及三级负荷总开关选用电子脱扣器，400A及以上的馈线开关通常选用电子脱扣器，250A及以下的馈线开关通常选用热磁脱扣器。

3低压配电系统保护选择

低压配电系统保护主要可分为以下4类保护：

过载保护Ir（长延时电流）：脱扣器可以承受，且不脱扣的最大工作电流，超过此电流根据反时限曲线按热效应脱扣。

短路短延时过电流保护Isd（短延时电流）：检测到短路电流时有一个固定的小延时，或按照I2t的反时限曲线来脱扣。

短路瞬时保护脱扣器整定电流Im（电流速断）：检测到短路电流时立刻发出脱扣指令。

接地保护Ig（零序电流保护）：检测到接地短路电流时有一个固定的小延时，或按照I2t的反时限曲线来脱扣。

注：I2t特性：在规定的工作条件下，表示I2t的最大值为预期电流函数电流平方曲线。

城市轨道交通工程低压配电系统的保护类型：进线开关采用过载保护、短路短延时过电流保护、短路瞬时保护脱扣器整定电流、接地保护Ig；母联开关采用过载保护、短路短延时过电流保护、短路瞬时保护脱扣器整定电流；馈线开关采用过载保护、短路短延时过电流保护、短路瞬时保护脱扣器整定电流。

4变电所0.4kV开关上下级间保护配合

城市轨道交通变电所0.4kV设备属于电源端，负责车站全部一、二、三级负荷的供电，通常设置多面配电柜。其特点是可靠性要求高、额定电流大，要求断路器分断能力高。因此任何馈线回路发生故障，不应无选择性地切断总电源，必然保证选择性。对于选择性，当故障电流超过下级断路器的脱扣值，但还小于上级断路器的脱扣值时，则下级跳闸，上级不跳，实现选择性保护。当故障短路电流超过下级断路器的脱扣值，同时也超过上级断路器的脱扣值时，如果上级断路器没有短延时功能，则上下级同时跳闸，甚至下级断路器还未跳，上级断路器就已跳闸，也就是越级跳闸。后果是：不该断电的无故障回路也被停电，即故障波及的范围扩大，并且给处理和分析故障造成了麻烦。

依据目前城市轨道交通接口划分，变电所专业与车站动力照明专业的接口通常设置在变电所0.4kV馈线开关接点端子处。若馈线回路出现越级跳闸，会牵涉两个专业间的管理与配合，使运营部门增加额外的工作量。因此变电所0.4kV开关上下级间保护配合变得尤为重要。

4.1变电所0.4kV馈线与进线之间的保护配合

变电所0.4kV进线开关（变压器出口）通常采用框架断路器，采用四段保护，即电流速断、短延时、长延时和接地保护。

0.4kV馈线开关通常采用塑壳断路器，电子脱扣方式或热磁脱扣方式；若是电子脱扣方式，则有三段保护（选择性），速断、短延时和长延时；若是热磁脱扣方式，则有两段保护（非选择性），速断和长延时。

保证上下级断路器之间保护动作的选择性的原则如下：

当上下级断路器均为选择性断路器时，为保证上下级之间的动作选择性，上级断路器的过载长延时和短路短延时的整定电流，宜不小于1.3倍。

当上级保护电器是选择型断路器，而下级保护是非选择型断路器时，应符合如下条件：

1）上级保护断路器的短路短延时脱扣器的整定电流，应不小于下级保护断路器短路瞬时脱扣器整定电流的1.3倍；

2）上级保护断路器瞬时脱扣器整定电流应大于下级保护断路器出线端单相短路电流的1.2倍。

城市轨道交通变电所0.4kV进线开关为选择型断路器，且容量通常大于1000A，而馈线开关容量通常不大于630A，因此变电所0.4kV进线与馈线之间保护的选择性是可以保证的。

4.2变电所0.4kV馈线与下级进线间的保护配合

变电所0.4kV馈线与下级总配电箱（柜）进线之间的配合可采用三种形式：（变电所0.4kV馈线）断路器——（下级总配电箱（柜）进线）断路器；（变电所0.4kV馈线）断路器——（下级总配电箱（柜）进线）负荷开关；（变电所0.4kV馈线）断路器——（下级总配电箱（柜）进线）断路器间区域选择性联锁。

（1）上级断路器——下级断路器

如上图所示，断路器——断路器方式为城市轨道交通低压配电系统最常用的配置，为保证变电所0.4kV馈线断路器与配电箱（柜）进线断路器之间的选择性，通常变电所0.4kV馈线断路器容量要比配电箱（柜）断路器大1级或2级。

该方式的不利因素：第一，同一段线路，变电所0.4kV馈线断路器选型要比配电箱（柜）断路器大，使工程投资的增加。第二，变电所0.4kV馈线除应满足与下级断路器的选择性外，还应保护到馈线电缆。

依据公式：IB≤In≤IZ；I2≤1.45IZ；

IB——回路计算电流；In——断路器额定电流；IZ——电缆导体载流量；I2——保证电器可靠动作的电流。

由上述公式可推出，变电所0.4kV馈线断路器容量增大，馈线电缆截面也应相应增大，间接导致工程投资的增加。

（2）上级断路器——下级负荷开关

负荷开关可接通和分断工作电流和过载电流，可隔离电源进行设备维护、检修和试验工作。

因此配电箱（柜）进线设置负荷开关可实现所有功能的要求，且避免了因采用断路器而带来的保护重复，整定麻烦的弊端。对于减少系统保护级数，实现保护选择性的配合是非常有利的，同时变电所0.4kV馈线断路器容量可与负荷开关保持一致。

由于负荷开关不具有过流保护，因此对负荷开关本身的过流保护需由变电所0.4kV开关馈线过流保护承担。

该方式既实现了保护的选择性，同时也减少了工程投资。但该方式的不足之处为若线路发生故障，变电所0.4kV馈线断路器实现保护跳闸，故障恢复后需要去运营人员去变电所合闸相应馈线断路器。配电箱（柜）往往距变电所较远，造成运营管理的不便。

（3）上级断路器——下级断路器间区域选择性联锁

区域选择性联锁（ZSI）是一种通过逻辑判断控制断路器，使其具备保护的选择性。

如上图所示，当B断路器下口发生短路故障，断路器B与断路器A同时检测到短路电流，若断路器B与断路器A整定值相同，则两者保护同时动作，选择性无法保证。当断路器设置ZSI后，断路器B向断路器A发送区域闭锁信号，断路器A进入延时状态，断路器B动作则断路器A返回；若断路器B拒动，则断路器B延时后动作。因此即使断路器B与A整定值相同，依然可以保证选择性。

该方式既保证保护的选择性，也使上下级断路器容量保持一致从而获得了一定经济性。

5结束语

通过对以上三种方式的对比，变电所0.4kV馈线断路器——下级总配电箱（柜）进线断路器间区域选择性联锁方式是最优方案。目前大多数低压断路器都具备ZSI功能，只需将断路器之间联接信号电缆就可以实现断路器见的区域选择性联锁。因此城市轨道交通变电所0.4kV馈线断路器——下级总配电箱（柜）进线断路器间采用区域选择性联锁方式是未来的发展方向。

参考文献：

[1]《低压配电设计规范》GB50054-2011.北京.中国计划出版社.2012年.

[2]莫娟.10/0.4kV变配电所配电方案及断路器的选择.北京.建筑电气2014年第4期.

[3]王厚余.低压配电技术的新发展——级间选择性联锁（ZSI）.上海.低压电器2002年No1

作者简介：

尹超准，中铁电气化勘测设计研究院有限公司，工程师。