直流電源系統斷路器的級差配合研究

楊帥

【摘 ?要】針對電力直流系統設計過程中保護元件如何正確選型及上下級之間選 擇性保護的配合校驗問題，開發了一種直流電源系統保護元件級差配合校核軟件，實現了對變電站/電廠直流系統線路配置設計、保護元件選型、靈敏度和選擇性校 驗等功能.該軟件不僅能夠對已有的直流電源系統進行分析，同時也能夠對新站的建設起到輔助設計作用，是直流系統設計人員得力的輔助設計工具

【關鍵詞】直流級差;依據標準;保護回路;級差配合

一、直流級差保護元件

直流電源系統中保護元件級差配合是否合理，主要是指在短路情況下，串聯在同一個支路的保護元件是否能選擇性地將短路故障快速＼準確地從系統中切除，確保將故障縮小到最小范圍。斷路器的短路保護脫扣器動作與否，與流經斷路器的短路電流大小有密切的關系，一旦在斷路器的脫扣線圈中產生足以使鐵心動作的磁場，斷路器動作將不可返回。因此，要保證直流系統中保護元件的級差配合滿足要求，首先，必須明確直流電源系統相關各點的短路電流值，保證斷路器短路故障時既不拒動，也不誤動，更不能越級。直流電源系統短路電流的計算所涉及的相關參數復雜，不確定因素諸多，尤其是各個斷路器廠家斷路器的限流系數提供的不完全，導致目前各設計院、成套廠或運行單位均難以精確計算出各有關短路點的實際短路電流值，給斷路器的選擇和級差配合以及斷路器靈敏度系數計算校驗帶來相當大的困難。

二、當前依據標準

開發直流電源系統保護元件級差配合測試驗裝置，主要依據的標準為：

（1）GB14048.1—2006《低壓開關設備和控制設備總則》;

（2）GB14048.2—2008《低壓開關設備和控制設備斷路器》;

（3）GB10963.1—2005《家用及類似場所用過電流保護斷路器第1部分：用于交流的斷路器》;（4）GB10963.2—2008《家用及類似場所用過電流保護斷路器第2部分：用于交流和直流的斷路器》;

（5）DL/T5044—2004《電力工程直流系統設計技術規程》。

斷路器的選擇性保護直流電源系統保護電器的級差系同一回路、同一系列保護電器上下級額定電流的等級之差。首先應明確所用保護電器的型式（熔斷器或斷路器等），其次是該型式系列產品的型號和額定電流的規格。如果下級負載發生短路故障時，下級的斷路器瞬動，而此故障電流也要流經上一級線路。如果上一級斷路器無短路短延時，則下級發生故障的瞬間，會與下級斷路器一起跳閘;如果上一級斷路器具有短路短延時功能，當下級斷路器跳閘時，在下級斷路器分斷動作時間內，上級斷路器保持不動作，這種配合稱為選擇性保護。級差配合校驗系統就是校驗變電站直流電源系統上下級斷路器的配合關系，判斷其是否有選擇性。為了適應新頒DL/T5044-2003《電力工程直流設計技術規程》（以下簡稱設計規程）有關規定，驗證變電站直流系統中斷路器和熔斷器幾種典型的級差配置方案是否滿足選擇性保護的要求，探索直流斷路器之間的級差配合、直流斷路器與熔斷器的配合及其上下級之間的選擇配置，選擇了石家莊供電公司所轄變電站直流系統中部分直流斷路器、熔斷器的典型保護級差配合方案進行了現場試驗，并對具備延時功能的三段式直流斷路器也進行了試驗驗證，確認了實現選擇性保護的配合條件。

三、直流斷路器的動作特性

斷路器的動作特性斷路器俗稱空氣開關，主要于電路發生過載和短路等情況時自動分斷電路，是低壓交直流配電系統的重要保護元件，具有過載反時限動作斷開和短路快速切除的保護功能。斷路器主要技術參數包括分斷能力、限流能力、使用壽命和動作特性，其中動作特性最為重要。根據動作特性，斷路器一般可分為兩段保護型與三段保護型。兩段保護型斷路器的動作特性曲線由過載長延時段和短路瞬時保護段組成。

四、保護回路 級差配合存在的主要問題

由于變電站直流系統供電內容多，回路分布廣，在一個直流網絡中往往有許多支路需要設置斷路器或熔斷器進行保護，并往往分成三級或四級串聯，這就存在著正確選擇保護方案和保護上下級之間的配合問題。

1、交直流斷路器混用

由于交、直流的燃弧及熄弧過程不同，額定值相同的交直流斷路器開斷直流電源的能力并不完全一樣，用交流斷路器代替直流斷路器或交、直流斷路器混用是保護越級誤動的主要原因之一。斷路器瞬時動作采用磁脫扣原理，判據為通過的電流峰值，斷路器標定的額定值為有效值，而交流電的峰值高于有效值，在相同定值下，在直流回路中交流斷路器實際額定值高于直流斷路器。另外，因交流斷路器與直流斷路器滅弧原理不同，交流斷路器用于直流回路不能有效、可靠地熄滅直流電弧，容易造成上級越級動作。

2 斷路器質量及參數問題

不同廠家提供的斷路器技術數據是在產品型式試驗時得到的，且校驗熔斷器的分斷能力是在交流電源周期分量有效值下做的，熔體動作選擇配合特性曲線也是交流安秒特性曲線。這與變電站直流系統發生短路故障時的實際情況有一定差距。各斷路器廠家及設計手冊提供的級差配合是按同一型號、同熔體材料確定上、下級差，從而保證滿足選擇性的，當回路中有不同類型的斷路器時，斷路器之間的級差配合更應引起高度重視。同時，由于目前低壓電器生產廠家較多，不能完全保證產品質量，所以即使同一廠家、同一型號的熔體，其參數也有一定的分散性。

3 ?上、下級間的額定值級差選擇不當

斷路器采用熱效應原理，而斷路器是磁效應與熱效應相結合，安秒特性曲線不同，配合級差也不同。對于斷路器之間、斷路器與熔斷器之間的級差配合不應照搬熔斷器間的配合規定。

五、直流系統級差保護方案的建議

5.1熔斷器與熔斷器配合

應選用正規生產廠家同廠、同型號的產品，可方便地用于對變電站原有熔斷器的統一更換工作。但對于新建站，由于熔斷器均為設備自帶，難以保證同廠、同型號，特別是難以保證設計規范要求的？？ 各熔件材料相同？？的要求，因此，不同廠家、型號的熔斷器配合，應加大級差。

5.2熔斷器與斷路器（兩段式）間及同型兩段式斷路器間的配合除應按設計規程執行外，還應核定最大短路電流不應超過上級元件額定電流的8～ 10 倍。

5.3 不同型號斷路器的配合

應考慮斷路器的固有動作時間，必須保證上級斷路器固有動作時間不小于下級固有動作時間。推薦采用上級塑殼式斷路器、下級微型斷路器的配合。

5.4 三段式斷路器

采用三段式斷路器可以實現小級差配合，而且不必考慮短路電流的影響，能夠適應設計規程關于直流分電屏設計方案中多級配合的要求。

參考文獻：

[1]李書元，張明河.直流空氣開關級差配合與安秒特性試驗研究[J].山東電力技術，2013（05）：56-59.

[2]王斌.桐柏電廠直流系統空開級差配合的分析[J].水電站機電技術，2015，38（11）：17-20.

[3]夏明圣.直流系統保護電器級差配合試驗的應用與優化[J].安徽電氣工程職業技術學院學報，2017，22（01）：29-37

（作者單位：國網山西省電力公司檢修分公司）