直流系統保護電器級差配合原理及試驗分析

國網湖南省電力有限公司益陽供電分公司 湯俊 向潔 鐘智輝

國網湖南省電力有限公司電力科學研究院 歐陽帆 臧欣

1 引言

隨著電力系統逐漸向智能化、超高壓的方向發展，電力工程必須具備更安全、更穩定的控制電源。目前直流電源已成為電力系統不可缺少的供電電源[1]。發電廠和變電站直流饋電系統是以樹型的形式存在，從蓄電池到站內的供電裝置，是由直流斷路器構成每級配電的保護電器。因為上、下兩級直流斷路器的保護動作特性不匹配，如果下級用電設備出現故障，就會使上一級直流斷路器發生越級跳閘[2-3]。因此，直流系統保護電器級差配合是否正確，直接關系直流系統安全穩定運行，影響變電站的運行可靠性。

針對以上問題，本文根據湖南地區某變電站直流系統斷路器配置的級差選擇和組合方式，對直流斷路器進行了級差配合試驗的探討。本文主要是針對某220kV 變電站220V 直流系統進行分析，介紹了直流系統保護電器級差配合試驗的短路電流原理和配置選擇的原則，結合理論計算和實際試驗相結合的方法，分析了其試驗特性，給出改造建議，為湖南地區開展直流斷路器級差配合研究探索了可以借鑒的方法。

2 直流系統保護電器級差配合計算原理及選取原則

2.1 典型220kV變電站直流系統保護配置

變電站直流系統由充電裝置、蓄電池組、絕緣檢測裝置、饋線屏、分電屏等設備構成。某220kV變電站直流系統結構如圖1所示，某220kV 變電站直流系統保護配置見表1。

表1 某220kV變電站直流系統保護配置

圖1 某220kV變電站直流系統結構

直流系統采用輻射型網絡，由饋線屏、分電屏分3～4 級向負載提供電流。如果變電站直流系統不存在分電屏，那么整站只分為3級向負載供電。

2.2 直流系統保護電器各級短路電流計算原理

直流屏和各級配電裝置保護電器的選擇由廠家提供定型產品的性能指標決定。不同廠家的保護電器、不同容量的電池都將影響直流系統的短路電流。根據直流短路電流計算式（1）可以計算出各種容量直流系統的短路電流：

式（1）中，IDK為斷路器安裝處短路電流（A）；U0為斷路器開路電壓（V）；n 為蓄電池數量；rb為蓄電池組內阻（Ω）；∑ri為蓄電池組連接條或導體內阻；∑rj為蓄電池至斷路器連接電纜內阻之和；∑rk為斷路器觸頭電阻之和。

根據查找各處電纜的型號和長度，計算相應的電纜電阻，計算出各級短路電流，某220kV變電站直流系統各級短路電流計算結果見表2。

表2 某220kV變電站直流系統各級短路電流計算結果

根據直流斷路器的結構特點，C 型斷路器的脫扣電流為額定電流的7～15 倍，B 型斷路器的脫扣電流為額定電流的4～7 倍。由表2 可知，220kV 變電站第四級低壓斷路器處短路電流為122A；第三級保護電器額定值為25A。因此，第三、四級保護動作值大概率能配合。220kV變電站第三級低壓斷路器處短路電流范圍為280～422A；第二級保護電器額定值為40～80A。因此，第二、三級保護動作值能夠配合。220kV 變電站第二級低壓斷路器處短路電流范圍為494～899A；第一級保護電器額定值為500A。因此，第一、二級保護動作值能夠配合。通過結果分析，某220kV變電站直流斷路器在上下級選擇能夠配合。

2.3 “小電流預估法”計算原理

直流系統直接短路會給系統帶來很大的沖擊，其短路電流可能使設備受損。為了更好地保護設備和蓄電池組，運行設備時采用“小電流預估法”預估其短路電流。“小電流預估法”是通過在短路點串入電阻負載，算出電源二次回路的等效電阻，利用最小二乘曲線擬合方法估算出實際短路電流。

設Imaxg為短路電流，r為直流回路等效電阻，E為蓄電池開路電動勢，QF1和QF2為上級和本級直流斷路器。此時短路電流按照式（2）計算：

當直流電源末端直流斷路器負荷側外接電阻負載r 時，設此時測得的小電流短路值為I，直流開關負荷側電壓為U，則得到式（3）：

將式（3）代入式（2），推算出Imaxg，改變調節負載，產生一系列電壓、電流點（Ui，Ii），運用最小二乘曲線擬合法作解析函數，實現曲線擬合。

3 直流系統保護電器級差配合試驗特性分析

3.1 四級直流斷路器配置方案

四級直流斷路器試驗空開的配置見表3。

表3 四級直流斷路器試驗空開的配置

根據直流斷路器設置，其中第三級空開為GMB23M型微型斷路器，第四級空開為NDB2Z-63型直流斷路器，對第三、四級直流空開進行級差配合測試，級差配合短路校驗電流波形1如圖2所示。

由圖2 可知，開關動作弧前時間為0.77ms，滅弧時間為2.34ms,短路電流為389.3A；實際試驗結果是第一、二、三級未脫扣，第四級開關脫扣，未越級跳閘。分析原因是短路電流389.3A達到3A斷路器的脫扣條件，但未達到40A斷路器的脫扣電流。

圖2 級差配合短路校驗電流波形1

3.2 三級直流斷路器配置方案

三級直流斷路器試驗空開的配置見表4。

表4 三級直流斷路器試驗空開的配置

根據以上直流斷路器設置，其中第二級空開為GMB25M 型微型斷路器，第三級空開為GMB23M型微型斷路器，對第二、三級直流空開進行級差配合測試，級差配合短路校驗電流波形2如圖3所示。

圖3 級差配合短路校驗電流波形2

由圖3 可知，開關動作弧前時間為0.88ms，滅弧時間為1.54ms,短路電流為580.6A；試驗結果是第一、二級未脫扣，第三級開關脫扣，未越級跳閘。

3.3 三級直流斷路器配置方案分析

根據直流斷路器設置，在不隔離充電機的情況下，對第二、三級直流空開進行級差配合測試，級差配合短路校驗電流波形3如圖4所示。

圖4 級差配合短路校驗電流波形3

由圖4可知，開關動作弧前時間為0.63ms，滅弧時間為1.54ms，短路電流為661.4A；實際試驗結果是第一、二級未脫扣，第三級開關脫扣，未越級跳閘。試驗結果充分驗證了直流系統發生不同短路時，發生動作事故的情況和數據，達到開展該項試驗的需要。

4 改造建議

在條件允許的情況下，投入充電機進行直流斷路器級差配合試驗，可以更加真實地模擬直流系統在故障情況下各級斷路器配合情況，更加準確地預估是否會發生斷路器越級跳閘的可能性；建議增設遠程控制開關，通過遠程控制開關控制短路開關，確保試驗人員在一定安全距離外進行試驗，保證人身安全。

5 結語

本文分析了變電站直流系統各級直流斷路器的配置情況，結合各級短路電流計算理論、“小電流預估法”初步判斷其是否滿足級差配合配置要求，發現直流保護的配置因站而異，應在直流短路電流計算的基礎上進行選擇，不宜盲目按統一規格進行選擇斷路器；根據某220kV變電站試驗數據分析，驗證了直流系統級差配合試驗結果不僅與蓄電池組內阻、連接條內阻、連接電纜電阻有關，還與充電機的投退方式有關。試驗結果可以準確發現變電站直流系統存在的級差配置不滿足規程要求的情況，試驗結果與理論計算一致；對試驗過程中的不足提出優化建議，為以后開展直流斷路器級差配合研究探索提供思路。