大型水電站直流系統(tǒng)級差設計可行性計算

付恩狄

（天生橋二級水力發(fā)電有限公司，貴州 興義 562400）

天生橋水力發(fā)電總廠位于貴州省興義市，隸屬于調峰調頻發(fā)電公司，系南方電網(wǎng)公司應急調峰調頻電廠，成立于1988年3月，負責運行管理黔、桂界河南盤江上的天生橋二級水電站和500kV開關站、220kV開關站各一座。天生橋二級電站是西電東送的發(fā)源地，也是西電東送南路工程第一個電源點。電站至廣東、貴州和廣西的4回500千伏、8回220千伏輸電出線，構成了南方電網(wǎng)交流輸電主網(wǎng)架的重要樞紐，為西電東送及地方經(jīng)濟發(fā)展做出了突出的貢獻，被譽為“高原明珠”“西電東送的排頭兵、橋頭堡”。

天生橋二級電站220V直流系統(tǒng)如下。

（1）廠房I段220V直流系統(tǒng)。

（2）中控II段220V直流系統(tǒng)。

廠房I段與中控II段為手拉手雙套220V直流系統(tǒng)，主系統(tǒng)采用單母分段接線，配置雙套蓄電池、雙套充電系統(tǒng)（6×20A）。本文接下來將以廠房I段220V直流系統(tǒng)為例，對蓄電池、接線及空開型號參數(shù)進行統(tǒng)計，并根據(jù)電纜截面及長度。進行短路電流計算，通過比對各種保護設備動作曲線，對直流系統(tǒng)進行保護設備級差配合的可行性計算。

1 廠房I段220V直流系統(tǒng)蓄電池組

廠房I段直流系統(tǒng)采用104節(jié)HOPPECKE 80PzV800型電池，容量800Ah，電池組電壓及內阻數(shù)據(jù)如下表1所示。

2 廠房I段220V直流主系統(tǒng)圖及保護設備曲線圖

本系統(tǒng)采用的上海滬工NT2 gL400A型熔斷器，動作曲線如圖1所示。

表1 天生橋二級電站廠房I段220V直流系統(tǒng)蓄電池組參數(shù)

圖1 廠房I段220V直流主系統(tǒng)圖

主系統(tǒng)采用 HH15A-400隔刀，主饋線柜的大電流回路均采用ABB S3N R250/3P型，有3種可選（3倍額定電流以上瞬時動作、5倍額定電流以上瞬時動作以及10倍額定電流以上瞬時動作），此處使用的斷路器脫扣電流倍數(shù)未知，根據(jù)本站其它斷路器的習慣推測，應為10倍額定電流以上瞬時動作型，動作曲線如圖2所示。

圖2 廠房I段220V直流系統(tǒng)熔斷器動作曲線圖

圖3 廠房I段220V直流系統(tǒng)ABB S3N R250/3P斷路器動作曲線圖

本直流系統(tǒng)的饋線回路采用的斷路器，動作曲線如圖4、圖5所示。

圖4 廠房I段220V直流系統(tǒng)SIMENS 5SX52 C型斷路器動作曲線圖

圖5 廠房I段220V直流系統(tǒng)MOELLER Xpole PL9-C型斷路器動作曲線圖

本系統(tǒng)采用的merlin Gerin（梅蘭日蘭）/Multi9 C45N型斷路器、F&G JP67/62B C型斷路器、FATO斷路器、北京人民固安祥斷路器無法取得樣本，因此按照普通的C型斷路器曲線計算。

3 廠房I段220V直流系統(tǒng)存在問題

通過對斷路器、隔刀、熔斷器、電纜參數(shù)及短路電流及動作分析，本系統(tǒng)存在以下問題。

（1）各級饋線柜進線、分段及隔離設備均采用了斷路器，1QF、2QF、3QF回路甚至配置了第二級熔斷器（型號與第一級相同），饋線柜級數(shù)過多，導致部分保護設備無法配合。

（2）斷路器品牌、型號繁多，部分饋線采用了交流型斷路器（梅蘭日蘭C65N/C45N）；部分饋線斷路器無法找到樣本；FATO斷路器、北京人民固安祥斷路器額定電流未知；ABB S3N斷路器磁脫扣電流未標注。由于斷路器品牌型號過多，即使理論分析曲線可以配合，也有可能由于跳閘時間延遲不同，或下級動作較慢上級來不及返回導致配合失敗。

4 廠房I段220V直流系統(tǒng)級差設計模型

由于本系統(tǒng)分級饋線屏較多，饋線數(shù)量大，因此統(tǒng)一進行相對簡化的分析。以廠房I段1ZL2柜至220kV保護室#1直流電源分配柜回路建立模型計算分析。

（1）廠房220V系統(tǒng)I段1ZL2柜典型回路直流系統(tǒng)描述。

①蓄電池容量800Ah 220V 104節(jié)，2電2充，有分屏。

蓄電池出口電纜：S=185mm2，L=42m（充電機出口熔斷器與蓄電池出口熔斷器均在主屏，在此按充電機出口熔斷器計算）。

蓄電池出口保護電器：直流塑殼斷路器GM5FB-800R/500A DC250V。

②主饋屏1ZL2出口至220kV保護室#1直流電源分配柜分屏電纜：S=25mm2，L=190m。

主饋屏出口至分屏保護電器：小型直流斷路器GM5FB-250R/100A DC250V。

③220kV保護室#1直流電源分配柜至天馬I線主一保護屏電源開關電纜：S=2.5mm2，L=19m（為了方便計算，這里取L=20m，因線纜越短，短路電流越大。軟件中的線纜截面積參數(shù)無5mm2，這里等效為6mm2，L=24m。

分屏至測保屏保護電器：GM5-63H/2C10A。

④保護屏電源開關建議使用GM5-63L/2C 2A：電纜取 S=2.5mm2，L=1m。

（2）各點短路電流計算。

①保護電器靈敏度分析：保護電器的額定電流規(guī)格應根據(jù)實際直流系統(tǒng)短路電流大小選擇，不應過大（易造成拒動），也不應過小（易造成誤動）。靈敏度分析指的是單級保護元件的校核，即分析當直流系統(tǒng)中出現(xiàn)故障電流時保護元件是否會拒動的判斷。分析之前，先要計算直流系統(tǒng)中各處的短路電流大小。

②保護元件選擇性分析：保護元件選擇性分析指的是上、下兩級保護元件的級差配合分析。當直流系統(tǒng)中出現(xiàn)故障電流時，距離故障位置最近的保護元件需斷開。同時與之相對應的上級保護元件不應動作，確保將故障范圍縮小到最小范圍。在進行選擇性分析時，也需首先計算直流系統(tǒng)各處的短路電流值大小。

通過分析和短路電流計算，可由專業(yè)軟件生成以下短路電流計算圖，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)狀方案短路電流計算圖

從上面專業(yè)軟件校驗后的生成圖可以判斷，此系統(tǒng)每級所選擇的斷路器可以實現(xiàn)本系統(tǒng)線路的全選擇性保護，級差配合合理（不顯示紅色即為配置合理）。圖中蓄電池出口至斷路器電纜顯示為紅色，原因是電纜電阻分壓至電纜出口壓降為3.68V，大于許可壓降2.2V，但對于本直流系統(tǒng)無影響。

5 結語

根據(jù)直流系統(tǒng)圖紙，建立直流系統(tǒng)級差設計模型進行短路電流計算，得到各故障點的短路電流（包括饋線出口與末端），通過比對搜集到的熔斷器、斷路器等保護設備樣本中動作曲線，得到動作時間，進行了比較詳細的保護級差配合分析，指出了各直流系統(tǒng)中存在的問題，同時給出了設備替換等建議解決方案。

（1）由于進線、分段斷路器保護作用不大，易造成誤動，因此應將所有進線斷路器及分段斷路器改為隔刀。

（2）將所有交流斷路器替換為直流斷路器，保證短路時可靠動作。

（3）對于上級斷路器與下級饋線柜出線斷路器配合的問題，應取消無必要的保護設備（如1、2、3QF的前級熔斷器）；推薦選用三段式保護斷路器來解決下級饋線出口短路時上級斷路器越級動作問題。

（4）在條件允許的情況下，可更換電纜末端短路時動作過慢的斷路器。