發電廠直流電源系統選擇性保護方案分析

朱曉瑾，顧靜鳴，李秉宇,王雪楠

(1.浙江浙能臺州第二發電有限責任公司，浙江 臺州 317109；2.華東電力設計院有限公司，上海 200063；3.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；4.北京人民電器廠有限公司，北京 102600)

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發電廠直流電源系統選擇性保護方案分析

朱曉瑾1，顧靜鳴2，李秉宇3,王雪楠4

(1.浙江浙能臺州第二發電有限責任公司，浙江 臺州 317109；2.華東電力設計院有限公司，上海 200063；3.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；4.北京人民電器廠有限公司，北京 102600)

依據DL/T 5044-2014規定的短路電流計算方法，結合直流斷路器的動作特性，對常規發電廠直流電源系統存在的選擇性問題進行了分析，提出了采用具有熔斷器特性的直流斷路器、具有短路短延時特性的三段式直流斷路器和具有限流特性的二段式相結合的過電流選擇性保護解決方案。該方案滿足發電廠直流系統保護電器要求，是發電廠直流電源過電流保護系統的最佳選擇。

直流電源系統；選擇性保護；越級跳閘；三段式直流斷路器；全程反時限；過電流保護

直流電源系統是保證發電廠安全穩定運行的重要設備，給發電廠繼電保護、自動裝置和斷路器提供可靠的工作電源。直流電源系統由蓄電池、充電模塊、保護電器元件、電纜等部件組成，根據DL/T 5044-2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》要求，在蓄電池出口、充電裝置直流側出口回路、直流饋線回路、直流分電屏回路和蓄電池試驗放電回路等部位均應裝設保護電器，用于保護直流線路的短路、過載等故障保護[1]。隨著發電工程對直流系統的安全性和可靠性的要求逐步提高，發電廠直流電源系統的選擇性保護問題日益凸顯。發電廠直流電源系統中某一分支回路發生短路故障后，如果導致上一級斷路器動作跳閘，就會使其并聯的回路斷電，從而擴大事故范圍，因此保護元件的上下級之間的選擇性顯得尤為重要[2-8]。

1 發電廠直流系統現狀及問題分析

1.1 常規的直流電源系統描述

以某電廠機組控制系統110 V直流電源為例進行分析。蓄電池容量：1 000 Ah，110 V，51節。 蓄電池出口保護元件為NH4系列熔斷器，額定電流為630 A；蓄電池出口電纜截面積為500 mm2，長度為25 m。

直流主饋線屏出口保護斷路器額定電流為200 A的二段式直流塑殼斷路器；直流屏出口電纜截面積為120 mm2，長度為80 m。分饋電屏保護斷路器額定電流為25 A的二段式小型直流斷路器；分電屏電纜截面積為10 mm2，長度為35 m。測保屏保護斷路器額定電流為10 A的二段式小型直流斷路器；測保屏至負載設備的電纜截面積為4 mm2，長度為1 m。

1.2 短路電流計算方法

文獻[9]提供了直流電源系統短路電流計算方法：

Idk=Un/[n(rb+r1)+∑rj+∑rk]

式中：Idk為斷路器安裝處短路電流，A；Un為直流系統額定電壓,取110或220，V；rb為蓄電池內阻，Ω；r1為蓄電池間連接條或導體電阻，Ω；∑rj為蓄電池組至斷路器安裝處連接電纜或導體電阻之和，Ω；∑rk為相關斷路器觸頭電阻(即斷路器內阻)之和，Ω。

1.3 斷路器的動作特性

二段式塑殼直流斷路器的安秒特性曲線見圖1，其中區域1為過載長延時保護區域，區域2為短路瞬時保護區域。由于該曲線描述的是不同批次、不同電流規格的斷路器的過電流動作特性，因此，過載長延時保護和短路瞬時保護均呈現“區域”，即在出現過電流故障時，斷路器的動作時間在區域內均視為合格。那么，對于短路瞬時保護，由圖1可以看出，在8倍過電流時要可靠不動作，在12倍過電流時應可靠動作，即斷路器的瞬時動作電流要介于8～12倍額定電流之間。因此，要保證斷路器不發生瞬時動作，回路中產生的短路電流一定要小于8倍的斷路器額定電流，而要保證斷路器瞬時動作，產生的短路電流一定要大于12倍的斷路器額定電流。

圖1 二段式塑殼直流斷路器安秒特性曲線

1.4 短路電流計算

以下采用自主設計開發的直流系統輔助計算工具，根據文獻[9]提供的短路電流計算方法進行預期短路電流計算，結合直流斷路器的動作特性對過電流保護進行靈敏性、選擇性分析。

該軟件包括項目定義、線路配置、元件選型、元件校核、結果輸出等5個主要功能模塊，其中元件校核主要包括電纜壓降校核、保護元件靈敏性校核、上下級保護元件選擇性校核等3個主要的校核功能，具備完善的、準確的校驗準則庫，并輔以大量的產品數據，能夠對輸入的直流電源系統保護電器的配置進行全面的計算與分析，適合現有電廠的直流電源系統的分析與新建電廠的直流電源系統的設計。利用軟件對以上描述的常規直流系統短路電流計算，見圖2。

圖2 常規直流系統短路電流計算

由圖2計算可知：蓄電池出口保護電器元件(NH4熔斷器)的預期短路電流為13.086 kA；主饋屏保護元件(斷路器GM225H/200 A)出口預期短路電流為12.342 kA，線纜末端預期短路電流為5.328 kA；分電屏保護元件(斷路器GM32H/25 A)出口預期短路電流為4.522 kA，線纜末端預期短路電流為1.28 kA；負載設備保護元件(斷路器GM32H/10 A)預期短路電流為1.067 kA。

根據軟件計算生成的四級保護開關的安秒特性疊加示意如圖3所示。其中，蓄電池出口保護元件NH4全程反時限保護，主饋屏保護元件GM225H/200A的瞬動電流范圍為1 600～2 400 A，分電屏保護元件GM32H/25 A的瞬動電流范圍為175～375 A，負載設備保護元件GM32H/10 A的瞬動電流范圍為75～150 A。

1.5 問題分析

通過圖2和圖3，結合斷路器的動作特性，可看出此直流系統存在如下問題。

圖3 常規直流系統保護開關安秒特性疊加

a. 主饋電屏饋出斷路器(GM225H系列，200 A)負載端短路，短路電流為5.328 kA。 從圖3可知短路電流同時落在此級斷路器的短路瞬動區間，無延時，而熔斷器(NH3，In=800 A)在此短路電流下的熔斷時間是反時限，兩者可實現選擇性。

b. 分電屏控制回路斷路器(GM32H系列，25 A)負載端短路，短路電流為4.522 kA，從圖3可知短路電流同時落在本級斷路器和上級斷路器(GM225M系列，200 A)特性曲線的短路瞬動區間，兩級斷路器無延時，短路電流通過兩極斷路器，可能造成上級斷路器先執行跳閘，因此存在越級跳閘的風險，不能實現選擇性保護。

c. 保護屏控制回路斷路器(GM32H系列，10 A)負載端短路，短路電流為1.067 kA，從圖2可知短路電流同時落在本級斷路器和上級斷路器(GM32H系列，25 A)的短路瞬動區間，兩級斷路器無延時，可能造成上級斷路器先執行跳閘，因此存在越級跳閘的風險，不能實現選擇性保護。

2 選擇性保護方案及分析

2.1 選擇性保護方案初選

針對以上直流電源系統中存在的問題，以下采用具有熔斷器特性的塑殼式直流斷路器GM5FB系列產品和具有7 ms短路短延時特性的GM5B系列產品，設計一套能夠滿足上下級全選擇性保護、各級過載保護靈敏性、短路保護速動性及導線壓降符合性的發電廠直流電源過電流保護系統方案。初步選擇GM5FB具有熔斷器特性的塑殼式直流斷路器、GM5B系列三段式小型直流斷路器進行計算和分析。

GM5FB具有熔斷器特性的塑殼式直流斷路器采用純機械式延時，全程實現反時限特性，易于實現選擇性保護，同時兼顧了過電流保護的靈敏性，其安秒特性曲線如圖4[10-11]。

圖4 GM5FB系列斷路器安秒特性曲線

GM5B系列三段式小型直流斷路器內置延時電路，當主回路電流In為12 A時，通過延時低通電路計算獲得延時為7 ms，控制器的輸出延時時間的范圍為8.5～15.8 ms，在延時時間內等待下級斷路器動作，若下級斷路器未動作，則判斷短路故障發生在本級斷路器與下級斷路器之間，延時后進行脫扣；如下級斷路器動作，由于未達到延時時間，本級斷路器返回，不進行脫扣。GM5B系列三段式小型直流斷路器的安秒特性曲線如圖5。

圖5 GM5B系列斷路器安秒特性曲線

蓄電池出口保持原設計不變，采用NH4型熔斷器，額定電流800 A；主饋屏選用具有熔斷器特性的塑料外殼式直流斷路器GM5FB-250系列產品，額定電流為200 A；分電屏選用具有7 ms定時限延時的三段式小型直流斷路器GM5B-32H系列產品，額定電流為25 A；負載側保持原設計不變，仍舊采用GM32H系列斷路器，額定電流為10 A。由于主要保護元件的額定電流未做變更，因此由蓄電池至負載各級的電纜參數仍保持原設計。

2.2 選擇性保護方案分析

圖6為利用本軟件對改進后的選擇直流系統短路電流計算圖。

圖6 選擇性直流系統短路電流計算

由圖6可以看出：蓄電池出口保護電器元件(NH4熔斷器)的預期短路電流為13.086 kA；主饋屏保護元件(斷路器GM5FB-250/200 A)出口預期短路電流為12.517 kA，線纜末端預期短路電流為5.328 kA；分電屏保護元件(斷路器GM5B-32H/25 A)出口預期短路電流為4.267 kA，線纜末端預期短路電流為1.28 kA；負載設備保護元件(斷路器GM32H/10 A)預期短路電流為1.052 kA。

根據軟件計算生成的四級保護開關的安秒特性疊加示意如圖7所示。其中，蓄電池出口保護元件NH4全程反時限保護，主饋屏保護元件GM5FB-250/200 A的瞬動電流起點為1 400 A，并呈現反時限延時特性，分電屏保護元件GM5B-32H/25 A的短路短延時啟動電流范圍為300～1 680 A，負載設備保護元件GM32H/10 A的瞬動電流范圍為75～150 A。

圖7 選擇性直流系統保護開關安秒特性疊加

由圖6和圖7，結合直流斷路器的動作特性，可以看出：分電屏控制回路斷路器(GM5B-32H系列，25 A)負載端短路，短路電流為4.267 kA，從圖7可知短路電流同時落在本級斷路器的短路瞬動區間，瞬間切斷電源，同時落在上級斷路器(GM5FB-250H/200A)特性曲線的短路短延時區間，延時20～80 ms，上級斷路器在延時的區域內，下級斷路器因無延時會先行跳閘，因此不會出現越級跳閘，能夠實現選擇性保護；保護屏控制回路斷路器(GM32H系列，10 A)負載端短路，短路電流為1.052 kA，從圖7可知短路電流落在本級斷路器的短路瞬動區間，和上級斷路器(GM5B-32H系列，25 A)的短路短延時區間，上級斷路器短路短延時7 ms，下級斷路器因無延時會先行跳閘，因此不會出現越級跳閘，能夠實現選擇性保護。

2.3 選擇性保護依據

選擇性保護依據見表1。

表1 選擇性保護依據

延時時間/ms產品型號判據饋電屏20～80GM5FB系列延時20～80ms,具有有熔斷器反時限特性,與下級斷路器相差3倍額定電流可實現選擇性保護。分饋屏7GM5B-32系列定時限短延時7ms,與下級斷路器可自然實現選擇性保護。測保屏0GM32系列GM32系列斷路器無延時,能與(上級)具有短延時特性的開關在實現選擇性。

3 方案應用及效果

該方案應用于浙江臺州第二發電廠“上大壓小”新建機組項目，建設規模為2×1 000 MW。

該項目的直流電源系統包括：機組控制110 V直流系統、機組動力220 V直流系統、繼電器樓110 V直流系統、廢水綜合樓110 V直流系統，采用本方案的分析方法對上述四組直流系統分別進行了計算和選擇性分析。對于無分電屏的機組動力220 V直流系統，采用普通的兩段式直流斷路器進行保護；對于具有分電屏的110 V直流系統，均采用熔斷器做蓄電池出口保護、GM5FB斷路器做主饋線屏饋出保護、GM5B做分電屏饋出保護的方案。

該項目已于2015年10月份投入運行，目前運行狀態良好。

4 結束語

以上依據DL/T 5044-2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》規定的短路電流計算方法，結合直流斷路器的動作特性，對常規發電廠直流電源系統存在的選擇性問題進行了分析，提出了采用具有熔斷器特性的直流斷路器、具有7 ms短路短延時特性的三段式直流斷路器和具有限流特性的二段式相結合的過電流選擇性保護解決方案。該方案已應用于浙江臺州第二發電廠“上大壓小”新建機組項目，能夠滿足發電廠直流系統保護電器要求，同時7 ms的短路短延時設計，有益于小型直流斷路器短時耐受電流的提高，是發電廠直流電源系統過電流保護系統理想的解決方案。

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本文責任編輯：楊秀敏

Selective Protection Analysis of DC Power Supply System in Power Plant

Zhu Xiaojin1,Gu Jingming2, Li Bingyu3,Wang Xuenan4

(1.Zhejiang Zheneng Taizhou Second Power Generation Co., Ltd,Taizhou 317109，China;2.East China Electric Power Design Institute Co.,Ltd.，Shanghai 200063，China;3. State Grid Hebei Electric Power Corporation Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021，China；4.Beijing People's Electric Plant CO.,LTD,Beijing 102600，China)

According to the calculation method of short circuit current in DL/T 5044-2014, combined characteristics of DC circuit breaker,this paper analyzed the selective problem of DC power system in power plant,and proposed selective protection solution which contains DC circuit breaker with fuse characteristics and three stage DC circuit breaker with short time delay and two stage DC circuit breakers with current limiting characteristics.This solution meets the requirementsof the power plant DC system protection apparatus,it is the best choice for the high reliability requirements of DC power supply over current protection system.

DC power system；selective protection；leapfrog trip；three stage DC circuit breaker；reverse time limit；over current protection

圖4 對沖組合監控體系

圖5 動力煤和銅的套利對沖分析

5 結束語

本文責任編輯：丁 力

2016-01-15

朱曉瑾(1974-)，女，高級工程師，主要研究方向為發電廠繼電保護技術及其應用。

TM621.7

B

1001-9898(2016)05-0037-05

以上從電網對發電側、電網對用電側兩個方向進行開展電力市場化風險應對開展可行性分析，提出切實可行的河北省南部電網電力市場化

風險對沖方法。提出了一種基于季節性規律的風險對沖方法，進一步提出一種基于方差偏離規律的的統計套利風險對沖方法。并開發了一套完整的風險對沖工具，可以實時通過對電網側、發電側、用電側各期貨相關品種的分析跟蹤，利用金融手段合理有效的實施風險對沖。用以達到幫助電力價格從國家定價模式轉化為市場定價模式的目的。

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