某新建220kV变电站一体化电源系统直流断路器配置问题分析及改进

某新建220kV变电站一体化电源系统直流断路器配置问题分析及改进

李策

（华北电力大学在职工程硕士山西晋中供电公司）

摘要：通过对某新建220kV变电站一体化电源系统直流断路器初步选型、线缆等参数的测绘，依据DL/T5044规定的短路电流计算方法，结合直流断路器的动作特性，对该变电站直流电源系统存在的选择性问题进行了分析，提出采用具有熔断器特性的直流断路器、具有短路短延时特性的三段式直流断路器和具有限流特性的二段式相结合的过电流选择性保护解决方案，并对该方案进行了详细的计算和分析。

关键词：直流电源系统；一体化电源；选择性保护；越级跳闸；具有熔断器特性的断路器

0引言

变电站直流电源系统采用辐射形供电方式，220kV及以上变电站的保护电器一般为三四级级差，典型四级级差系统如下：第一级为蓄电池出口断路器或熔断器，第二级为主馈线屏的馈出断路器，第三级为分馈线屏的馈出断路器，第四级为测控、保护屏断路器。直流断路器上下级之间的选型正确与否以及是否把直流电源的故障电流限制在最小范围内，关系到电力系统运行的安全，对防止系统破坏、事故扩大和设备损坏极为重要。[1-3]

本文就某新建的220kV变电站为例，通过短路电流计算，结合直流断路器的动作特性，对该站一体化电源系统直流断路器配置存在的选择性问题进行分析，并提出相应的改进措施。

1线路保护要求

1.1过载保护要求

为使过载保护电器能保护回路免于过载，保护电器与被保护回路在一些参数上应相互配合，应满足下列条件：

1）保护电器的额定电流2）保护电器的额定电流不应大于回路的允许持续载流量；

3）保护电器有效动作的电流不应大于回路载流量的1.45倍。

以上要求用公式可表示为：

1.2短路保护要求

为避免电气短路引起灾害，短路保护应满足下列条件：

1）短路保护电器的分断能力不应小于它安装位置处的预期短路电流；

2）被保护回路内任一点发生短路时，保护电器都能在被保护回路的导体温度上升到允许限值前的时间内切断电源。当t小于0.1s时导体的应大于短路电流的非周期分量，即

其中：为计算系数，它决定于导体和绝缘的材质，以及导体通过短路电流时的起始温度和最终温度；为导体的截面。

1.3选择性保护要求

所谓选择性保护是指配电系统中两个或几个断路器或熔断器之间的“电流－时间”特性的配合，当在给定范围内出现过电流故障时，指定在这个范围动作的断路器或熔断器动作，而其他的断路器或熔断器不动作，从而将受故障影响的负载数目保持在最小程度。DL/T5044-2014中5.1.4规定：各级保护电器的配置应根据直流电源系统短路电流计算结果，保证具有可靠性、选择性、灵敏性和速动性。[4]

1.4导线压降要求

220kV及以上变电站大多为分层辐射形，分层辐射形直流系统的导线压降要求如下：

1）蓄电池组与直流柜之间连接电缆允许压降宜取直流电源系统标称电压的0.5%-1%，其计算电流应取蓄电池1h放电率电流或事故放电初期（1min）冲击放电电流二者中的大者。

2）直流柜及直流分电柜动力馈线的电缆截面，应根据回路最大负荷电流，并按蓄电池组出口端最低计算电压值和用电设备允许最低电压值之差作为允许电压降进行选择。

3）直流柜与直流分电柜间的电缆截面，应根据分电柜最大负荷电流选择。电压降宜取直流系统标称电压的3%-5%，也可按蓄电池组出口端最低计算电压值选取合理数值。

由直流柜和直流分电柜引出的控制、信号和保护馈线应选择铜芯电缆，其压降不应大于直流系统标称电压的7.5%。[5]

2现状及问题分析

2.1系统描述

蓄电池容量：500Ah，220V，104节。

各级保护电器使用情况：

蓄电池出口保护元件：NH3系列熔断器，额定电流为400A；蓄电池出口电缆：截面积为150mm2，长度为30m。

直流主馈线屏出口保护断路器：北京人民电器厂GM100M系列断路器，额定电流为100A；直流屏出口电缆：截面积为35mm2，长度为30m。

分馈电屏保护断路器：北京人民电器厂GM32H系列断路器，额定电流为25A；分电屏电缆：截面积为6mm2，长度为20m。

测保屏保护断路器：北京人民电器厂GM32H系列断路器，额定电流为6A；测保屏至负载设备的电缆：截面积为2.5mm2，长度为2m。

2.2短路电流计算

文献[5]提供了直流电源系统短路电流计算方法：

式中：

：断路器安装处短路电流（单位：A）；

：直流系统额定电压，，取110或220（单位：V）；

：蓄电池内阻（单位：Ω）；

：蓄电池间连接条或导体电阻（单位：Ω）；

：蓄电池组至断路器安装处连接电缆或导体电阻之和（单位：Ω）；

：相关断路器触头电阻（即断路器内阻）之和（单位：Ω）。

2.3软件计算

本直流电源系统选择性分析软件为北京人民电器厂设计开发的直流系统辅助计算工具，能够快速、准确地计算出直流系统中各处短路电流值大小，进而为设备的合理选型提供依据。该软件以DL/T5004为基础，以完善的、准确的校验准则库及产品数据库为支撑，不仅能对已有的直流系统进行分析、校核，也能对新的直流系统起到辅助设计的作用。

软件中的校验准则包括：导线/电缆压降校核、保护电器短路保护灵敏度校核、额定电流校核、工作电压校核及上下级保护电器选择性校核。

1）导线/电缆压降校核

对于导线/电缆压降分析主要是由于一般的直流系统中对于导线/电缆截面大小的选择不太看重，往往会由于截面选择过小导致压降过大，不满足要求，校核依据标准DL/T5004。

2）保护电器短路保护灵敏度校核

分析保护电器短路保护灵敏度时，以连接保护电器的导线/电缆的最末端作为判断标准。这是由于导线/电缆最末端短路电流最小，相对来讲保护电器的灵敏度最低，此处为判断灵敏度的最苛刻的位置。

3）保护电器选择性分析

图2现状直流系统保护开关安秒特性叠加图

在校核选择性的时候，也需找到一个系统中条件最为苛刻的位置用于判断选择性是否满足要求，此时的条件最为苛刻的位置指的是短路电流最大的位置，这是因为短路电流越大越容易导致上级保护电器误动作。因此，本软件选择性判断取下级保护电器下部作为最为苛刻条件位置，此处短路电流最大。[6-7]

图1为利用软件对以上描述的直流系统进行的现状分析图。

根据软件计算生成的现状直流系统保护开关安秒特性叠加图如图2所示。

2.4问题分析

通过图1和图2可看出，此220kV变电站存在如下问题：

1）主馈电屏馈出断路器（GM100M系列，100A）负载端短路，短路电流为3853A.从图2可知短路电流同时落在此级断路器的短路瞬动区间，无延时，而熔断器（NH3，In=400A）在此短路电流下的熔断时间是反时限，两者可实现选择性。

2）分电屏控制回路断路器（GM32H系列，25A）负载端短路，短路电流为2307A，从图2可知短路电流同时落在本级断路器和上级断路器（GM100M系列，100A）特性曲线的短路瞬动区间，两级断路器无延时，存在越级跳闸的风险，不能实现选择性保护。

3）保护屏控制回路断路器（GM32系列，6A）负载端短路，短路电流为766A，从图2可知短路电流同时落在本级断路器和上级断路器（GM32H系列，25A）的短路瞬动区间，两级断路器无延时，存在越级跳闸的风险，不能实现选择性保护。

3选择性保护方案及分析

3.1选择性保护方案

针对以上直流电源系统中存在的问题，本文提出一套能够满足上下级全选择性保护、各级过载保护灵敏性、短路保护速动性及导线压降符合性的高可靠电力工程直流电源过电流保护系统解决方案，本方案采用具有短路短延时保护功能的三段式直流断路器，当上、下级断路器安装处较近时，由于短路电流相差不大，当短路电流发生在下级断路器以下位置时，易造成上级断路器短路瞬时保护脱扣器误动作。因此应选用具有短路短延时保护的断路器。

目前常规的三段保护断路器均采用电子延时的方式，即断路器通过一个电子式控制器产生一定的人为延时时间，造成上、下级断路器具有一定的动作时间差。但是由于断路器中具有电子元器件，造成电子式三段保护装置相对来讲工艺复杂、动作可靠性低，无法满足可靠性要求高的直流电源系统的要求。本文建议方案中采用非电子式选择性保护装置实现全选择性保护，即馈电屏选择北京人民电器厂生产的具有熔断器特性的塑壳式直流断路器GM5FB系列产品，分电屏采用定时限延时的GM5B系列产品。

3.2选择性保护方案分析

图3为利用软件对改进后的直流系统进行的分析图。

根据软件计算生成的改进后的直流系统的安秒特性叠加图如图4所示。

图3改进后直流系统短路电流计算图

图4改进后直流系统保护开关安秒特性叠加图

由图3和图4可以看出：

1）主馈电屏馈出断路器（GM5FB250H系列，100A）负载端短路，短路电流为3834A.从图4可知短路电流同时落在此级断路器的短路短延时区间，延时20~80ms，而熔断器（NH3系列，400A）在此短路电流下的熔断时间是反时限，熔断时间300ms~400ms，两者可实现选择性。

2）分电屏控制回路断路器（GM5B-32H系列，25A）负载端短路，短路电流为3230A，从图4可知短路电流同时落在本级断路器的短路瞬动区间，瞬间切断电源，同时落在上级断路器（GM5FB250H/100A）特性曲线的短路短延时区间，延时（GM5FB250H/100A），不会出现越级跳闸，能够实现选择性保护。

3）保护屏控制回路断路器（GM32系列，6A）负载端短路，短路电流为847A，从图4可知短路电流落在本级断路器的短路瞬动区间，和上级断路器（GM5B-32H系列，25A）的短路短延时区间，不会出现越级跳闸，能够实现选择性保护。

3.3选择性保护依据

馈电屏位置：选用GM5FB系列具有熔断器特性的断路器，延时20~80ms，具有有熔断器反时限特性，与下级断路器相差3倍额定电流可实现选择性保护。

分电屏位置：选用GM5B-32系列三段式直流断路器，定时限短延时7ms，与上下级断路器可自然实现选择性保护。

测保屏位置：选用GM32系列二段式直流断路器，无延时，能与（上级）具有短延时特性的开关在实现选择性。

4主要电器元件特性

4.1GM5FB系列塑壳式直流断路器

GM5FB系列塑壳式直流断路器具有过载长延时、短路短延时保护功能的直流断路器产品。该产品的短路短延时功能实现原理如下：

1）利用磁启动器在检测到线路中的短路电流达到整定值时，断开主回路触头，电流转向与之并联的支路上，从而使该支路上的双金发热动作，断开故障线路。由于采用了具有熔断器特性的双金元件，因此选择性保护功能具备了熔断器的全程反时限延时特性，其安秒特性曲线图如图5。

2）短路短延时脱扣器由两组触头转换的高阻值限流型反时限热脱扣器组成，脱扣时间与电流大小的平方成反比。该脱扣器内部有一组具有限流作用、高阻值的热元件，能够免除断路器耐受大故障电流冲击，对断路器可靠性的提高和快速断开故障电流起到重要作用。

图5GM5FB安秒特性曲线

该产品应用特点如下：

1）能够满足核电1E级安全特性的使用的热老化、运行老化、抗震等要求，填补了国内核电1E级选择性保护塑壳式直流断路器的空白。

2）能够克服使用电子元件实现选择性保护功能而带来的成本高、工艺复杂、电子器件失效等问题，同时能够克服熔断器存在老化现象、受环境影响较大、只能使用一次等缺点，解决了传统两段保护断路器无法实现选择性保护的问题，能够可靠实现全选择性保护。[8]

4.2GM5B-32系列三段式小型直流断路器

GM5B-32系列三段式小型直流断路器应用先进的电子延时控制技术、故障电流取样元件等专利技术，使短延时动作性能与电源电压无关，在额定电流时电子控制电路基本无电压，实现了体积小、延时保护精确、产品使用寿命和可靠性高的电力保护系统需求的目的，全面提升了对直流电源的保障能力。

GM5B-32系列三段式小型直流断路器的安秒特性曲线如图6。

图6GM5B系列安秒特性曲线

5结语

通过就某新建220kV变电站一体化电源系统为例，通过对该系统直流断路器初步选型、线缆等参数的测绘，依据DL/T5044规定的短路电流计算方法，结合直流断路器的动作特性，对该变电站直流电源系统存在的选择性问题进行了分析，提出采用具有熔断器特性的直流断路器、具有短路短延时特性的三段式直流断路器和具有限流特性的二段式相结合的过电流选择性保护解决方案，并对该方案进行了详细的计算和分析，分析表明，该方案能够实现直流电源系统上下级的选择性配合。

参考文献：

[1]李秉宇，郝晓光.变电站直流系统保护级差配合特性分析[J].低压电器，2011，（6）

[2]迟文信，刘芳.变电站直流电源系统用小型断路器解决保护误动的问题[J].低压电器，2011.2.15.

[3]刘梓洪，沈珏玮.火力发电厂直流系统设计中的保护电器选择性配合探讨[J].现代建筑电气，2015.4.30

[4]刘芳，赵志群，南寅.高可靠电力工程直流电源过电流保护系统解决方案[A]//中国电工技术学会低压电器专业委员会.第十五届学术年会论文集[C]，2010年11月23-28日，北京.上海，中国电工技术协会低压电器专业委员会，2010.

[5]DL/T5044-2014，电力工程直流电源系统设计技术规程[S].

[6]刘芳，赵志群，王立昌.直流电源系统保护元件级差配合校核软件[J].低压电器，2010-05-30

[7]李秉宇，赵志群，刘芳，陈晓东，郭锋.电力直流电源系统保护电器综合管理软件[J].，2010-05-30

[8]南寅，张自峰，王洪刚，朱金保.具有熔断器特性的塑壳式选择性保护直流断路器的应用[J].低压电器2011.1.15

作者简介：

李策，男，1979年3月出生，祖籍山西。2001年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，并获工学学士学位。现为国网山西省电力公司晋中供电公司变电运维室主管，长期从事变电运维管理工作，在直流系统运维方面颇有研究。先后参加了山西省电力公司直流系统多项科研攻关项目，并多次获得优秀工程师奖和科研成果奖。