變電所低壓直流系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備級(jí)差配合的研究

徐政 黃濤 秦福興

摘 要：依據(jù)變電所直流系統(tǒng)典型的上下級(jí)之間的配合情況，以現(xiàn)場(chǎng)常用斷路器和熔斷器為試驗(yàn)樣品，進(jìn)行級(jí)差配合試驗(yàn)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出級(jí)差配合的具體配置原則，確保變電所直流系統(tǒng)回路故障時(shí)有選擇性地切除故障回路，把系統(tǒng)的故障限制在最小范圍內(nèi)，維護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：變電所；直流系統(tǒng)；開關(guān)設(shè)備；級(jí)差配合

變電所直流系統(tǒng)供給站內(nèi)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置、控制信號(hào)回路、事故照明等工作電源，是繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和斷路器正確動(dòng)作的基本保證。

目前，斷路器和熔斷器是變電所直流電源系統(tǒng)中使用最廣泛的主要保護(hù)電器，在回路故障時(shí)有選擇性地切除故障回路，把系統(tǒng)的故障限制在最小范圍內(nèi)。

斷路器和熔斷器往往需要多級(jí)串聯(lián)使用，其上下級(jí)之間具有選擇性保護(hù)是保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的重要條件。國內(nèi)電力系統(tǒng)發(fā)生多起變電站低壓直流系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備因上下級(jí)失去了配合關(guān)系，而造成故障擴(kuò)大的事故。這種隱患嚴(yán)重威脅著系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要從根本上解決此類問題。

目前，直流系統(tǒng)保護(hù)元件級(jí)差配合存在的主要問題有以下四個(gè)方面：

1）變電所直流系統(tǒng)的終端控制屏和保護(hù)屏中，尚存在著不少用交流斷路器代替直流斷路器的現(xiàn)象，存在著不安全的隱患。交流斷路器用于直流回路，造成實(shí)際定值偏大，與上級(jí)實(shí)際級(jí)差變小。

2）熔斷器本身不規(guī)范，熔體的分散性和內(nèi)阻不一致。

3）產(chǎn)品質(zhì)量問題。目前國內(nèi)低壓電器生產(chǎn)廠家過多，質(zhì)量難以保證。

4）上下級(jí)間的額定值級(jí)差選擇不當(dāng)。

對(duì)于直流斷路器之間、直流斷路器與熔斷器之間的級(jí)差配合照搬熔斷器間的配合規(guī)定。熔斷器與直流斷路器動(dòng)作原理不同，安秒特性曲線不同，配合級(jí)差也不同。另外僅選擇兩段保護(hù)直流斷路器作保護(hù)操作電器的直流系統(tǒng)，在一定條件下存在著上下級(jí)配合不可靠的隱患。

在對(duì)吉林省變電所直流系統(tǒng)參數(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，我們制定了直流系統(tǒng)級(jí)差配合的整體試驗(yàn)方案。

對(duì)目前常用的進(jìn)口和國產(chǎn)的二段、三段保護(hù)直流斷路器、交直流兩用斷路器、熔斷器的短路分?jǐn)嗵匦院退鼈冎g的級(jí)差配合的選擇性以及交流斷路器分?jǐn)嗯R界小直流電流等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

直流試驗(yàn)系統(tǒng)接線電路如圖1所示。

通過大量的試驗(yàn)，得到了豐富的、寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)合吉林省電網(wǎng)直流系統(tǒng)當(dāng)前存在的主要問題，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳盡而細(xì)致的分析與歸納，最后總結(jié)出一系列級(jí)差配合的具體配置原則。

1 斷路器——斷路器之間級(jí)差配合

1）同廠家、同類型（均為塑殼或微型的）的兩段式直流斷路器上、下級(jí)配合時(shí)，當(dāng)級(jí)差控制在4-5級(jí)時(shí)，短路電流不超過8-10倍上級(jí)斷路器額定電流，即可保證斷路器選擇動(dòng)作的可靠性和正確性。

2）不同廠家、同類型的兩段式直流斷路器上、下級(jí)配合時(shí)，當(dāng)級(jí)差控制在4-5級(jí)時(shí)，短路電流不超過8-10倍上級(jí)斷路器額定電流，即可保證斷路器選擇動(dòng)作的可靠性和正確性。當(dāng)配合條件滿足了兩級(jí)斷路器的級(jí)差配合時(shí)，三級(jí)斷路器的級(jí)差配合也滿足。

3）相同廠家上級(jí)三段式斷路器、下級(jí)兩段式直流斷路器配合時(shí)，短路電流可以延伸到25-30倍的上級(jí)斷路器額定電流，可保證斷路器選擇動(dòng)作的正確性。

4）不同廠家上級(jí)三段式斷路器、下級(jí)兩段式直流斷路器配合，當(dāng)級(jí)差控制在2-5級(jí)時(shí)，短路電流可以延伸到25-40倍上級(jí)斷路器額定電流，可保證斷路器選擇動(dòng)作的正確性。

5）相同廠家、上下級(jí)均為三段式直流斷路器配合時(shí)，應(yīng)避開上、下級(jí)之間相同短延時(shí)動(dòng)作區(qū)段，根據(jù)各級(jí)短路電流計(jì)算結(jié)果，按照廠家推薦的斷路器選型方案執(zhí)行。以保證斷路器選擇動(dòng)作的正確性。

6）相同廠家、上下級(jí)均為三段式直流斷路器配合時(shí)，當(dāng)無法避開上、下級(jí)之間相同短延時(shí)動(dòng)作區(qū)段時(shí)，應(yīng)控制下級(jí)短路電流全分?jǐn)鄷r(shí)間在上級(jí)斷路器短延時(shí)時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到額定電流，即可保證斷路器選擇動(dòng)作的正確性。三段式斷路器保護(hù)動(dòng)作曲線見圖2所示。

7）上級(jí)配塑殼斷路器、下級(jí)配微型斷路器配合時(shí)，由于微型斷路器固有分?jǐn)鄷r(shí)間短，極限短路電流可以延伸到20倍左右的上級(jí)斷路器額定電流，能夠保證斷路器選擇動(dòng)作的正確性。

8）在三級(jí)三段保護(hù)式直流斷路器串聯(lián)的級(jí)差配合中，合理選用GMB三段保護(hù)式直流斷路器，上下級(jí)之間能具有保護(hù)的選擇性。選用方法為短路短延時(shí)脫扣器動(dòng)作值全部選用10In（In為額定電流），斷路器短路短延時(shí)時(shí)間按從負(fù)荷側(cè)向電源側(cè)逐級(jí)加大時(shí)延的方法（0ms、10ms、30ms、60ms）選擇。

2 熔斷器——熔斷器之間級(jí)差配合

1）同廠家、同型號(hào)的熔斷器配合時(shí)，因其具有相同的安秒特性，兩級(jí)之間級(jí)差的配合應(yīng)在3級(jí)，必要時(shí)應(yīng)加大級(jí)差到4級(jí)或以上。在短路電流達(dá)到上級(jí)的10～20倍范圍內(nèi)，可保證熔斷器選擇動(dòng)作的正確性（符合反時(shí)限特性），配合特性良好。

2）同廠生產(chǎn)的熔斷器間易實(shí)現(xiàn)級(jí)差配合，但不同廠家的熔斷器間存在離散性， 原因是熔斷器生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品工藝及質(zhì)量參差不齊，難以保證。

3 熔斷器——斷路器之間級(jí)差配合

1）當(dāng)直流斷路器裝設(shè)在熔斷器的下一級(jí)時(shí)，熔斷器的額定電流應(yīng)為直流斷路器額定電流的2倍及以上，則在短路電流小于一定范圍時(shí)具有選擇性保護(hù)。

2）運(yùn)行中的熔斷器保護(hù)性能會(huì)隨著下級(jí)保護(hù)動(dòng)作次數(shù)（工作電流大或沖擊負(fù)荷長(zhǎng)期多次受熱）增加而降低，直到影響熔斷特性，因此建議定期更換新品。

3）上級(jí)熔斷器的額定電流應(yīng)不小于下級(jí)斷路器額定電流的2倍以上，并核定下級(jí)最大短路電流不應(yīng)超過上級(jí)熔斷器額定電流的8～10倍（短路電流過大時(shí)易使熔體受熱而降低熔絲使用壽命），不同廠家的熔斷器在使用前須經(jīng)過動(dòng)作特性校核。選擇性配合的級(jí)差應(yīng)隨著可靠性要求的提高而加大。

4）蓄電池出口選用熔斷器時(shí)，應(yīng)按照蓄電池1 h放電容量并加大一級(jí)選擇（與直流斷路器選擇相似），建議蓄電池出口采用斷路器。

4 斷路器——熔斷器之間級(jí)差配合

當(dāng)熔斷器裝設(shè)在直流斷路器的下一級(jí)時(shí)，一般直流斷路器的額定電流應(yīng)為熔斷器額定電流的4倍及以上，則在短路電流小于一定范圍時(shí)具有選擇性保護(hù)。

另外，根據(jù)《國家電網(wǎng)公司——變電站直流電源系統(tǒng)技術(shù)改造指導(dǎo)意見》，同一支路中空氣斷路器與熔斷器不應(yīng)混用，直流斷路器與熔斷器配合時(shí)，調(diào)整級(jí)差保證動(dòng)作選擇性，原則上選用同一廠家產(chǎn)品，尤其在直流斷路器下一級(jí)不應(yīng)再接熔斷器。

本文是以吉林省內(nèi)主要一次變電所直流系統(tǒng)接線圖為基礎(chǔ)，依據(jù)典型的上、下級(jí)間的配合情況來編制級(jí)差配合試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)與曲線真實(shí)準(zhǔn)確，由此分析提出的變電所低壓直流系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備級(jí)差配合的具體配置方案具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：

本文系吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的研究成果（項(xiàng)目編號(hào)：201611437112）

作者簡(jiǎn)介：

徐政（1972-），女，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工程學(xué)院，本科，副教授，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向；

黃濤（1970-），男，吉林長(zhǎng)春人，吉林電力科學(xué)研究院，碩士，高級(jí)工程師，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方向；

秦福興（1993-），男，河南林州人，長(zhǎng)春工程學(xué)院，在讀學(xué)生，電氣工程及其自動(dòng)化方向。