無人值班變電站直流電源斷路器全選擇性配置及遙控開關配置研究

吳 蕾

（國網河南能源互聯網電力設計院有限公司，河南 鞏義 450007）

0 引 言

在國內外常見的變電站直流電源系統中，各級饋線斷路器均為短路瞬時脫扣+過載長延時型2 段式保護類型。為實現上下級配合，主要方法是降低下級斷路器的額定電流或提高上級斷路器的額定電流，來增加2 級斷路器間的級差，即在下級饋線上出現短路時，使其短路電流值處于下級斷路器的瞬時動作電流值范圍內，同時處于上級斷路器的長延時動作電流值范圍內。下級斷路器可快速動作切除故障，故障持續時間未到達上級斷路器延時動作時間，因此上級斷路器未跳閘并且返回。此配置有一定的局限性，如在下級饋線電纜較短、故障點較近的情況下，故障電流較大，有可能同時處于上下級斷路器的瞬時動作電流值范圍內，無論怎么提高2 級斷路器間的級差，仍會出現上下級同時瞬時跳閘的情況，導致失去選擇性，擴大停電范圍[1,2]。

本文根據變電站直流電源系統的具體接線結構，提出一種斷路器及遙控開關的配置方案，可在較短時間內隔離故障、恢復供電，適用于無人值班變電站。

1 變電站直流電源斷路器的全選擇性配置

目前，常見的電力工程直流電源系統均采用輻射供電方式，保護電器一般為3 級或4 級串聯使用。第1 級為蓄電池出口斷路器或熔斷器；第2 級為直流主饋屏至直流分饋屏的斷路器；第3 級為直流主饋屏及分饋屏微型斷路器；第4 級為末端負荷（保護、測控屏）中的微型斷路器。

為保持與下級斷路器的級差配合，1 級和2 級斷路器不宜瞬時跳開，帶短延時跳開即可，既滿足了級差配合需要，又不至于延時過長燒毀系統內某些電器。另外，常見的直流電源系統經常采用熔斷器作為蓄電池出口保護電器，主饋屏中的2 級回路斷路器要求與熔斷器完成級差配合，因此需要使用與熔斷器類似動作曲線的斷路器產品。

1.1 具有熔斷器反時限動作曲線的2 段式保護斷路器

國內某廠創新研發的GM5FB 系列斷路器滿足了上述需求。與常見的2 段式保護斷路器平直的一段動作曲線不同，GM5FB 的Ⅰ段動作曲線為反時限型，與熔斷器動作曲線類似。GM5FB 與熔斷器的動作曲線如圖1 所示，橫軸為短路電流/額定電流倍數，縱軸為跳閘延時時間。其中Ⅰ段動作曲線為反時限型曲線，當故障電流值在2 條曲線交叉點左側范圍內時，均可實現級差配合。

圖1 GM5F 與熔斷器的動作曲線

GM5FB 的實際動作曲線如圖2 所示。

圖2 GM5FB 斷路器的動作曲線

GM5FB 系列斷路器分為GM5FB-250（63～250 A）和GM5FB-800（315 ～800 A）2 個殼架等級，前者適用于第2 級回路斷路器，后者適用于蓄電池出口等第1 級大電流回路。

GM5FB 的Ⅰ段保護動作曲線具有熔斷器的反時限特性，有著良好的限流能力和延時動作功能，在第1 級回路選擇較大額定電流的斷路器，在第2 級回路選擇較小額定電流的斷路器。通過Ⅰ段保護的反時限動作特性，在很高的短路電流下，上、下級斷路器的動作時間差仍足夠大，可有效實現級差配合。

1、2 級均配置GM5FB 時，配合曲線如圖3 所示。其橫坐標為短路電流數值、縱坐標為動作時間。圖3中左邊的曲線為第2 級回路斷路器（額定電流In2相對較?。疫吳€為第1 級回路斷路器（額定電流In1相對較大）。2個斷路器的Ⅰ段動作曲線均為反時限型。在第2 級斷路器出口出現短路時，2 臺斷路器流過相同的短路電流，第2級斷路器延時較短（30 ms）先動作，第1 級斷路器延時較長（60 ms），在第2 級動作之后返回，實現了級差配合[3]。

圖3 1 級、2 級均配置GM5FB 時的配合曲線

1.2 第3、4 級回路斷路器上下級配合原理

1.2.1 常規2 段式及3 段式保護斷路器配合原理

對于直流電源系統末端第3 級和第4 級的微型斷路器，現有方案存在無選擇性配合的問題，其主要原因是直流分屏（或直流主屏）以及末端負荷所使用的微型斷路器限流能力較差，尤其是末端負荷屏內的2 ～6 A 斷路器限流能力差，不能有效降低回路短路電流。同時上下級同型斷路器動作時間相同，在回路短路電流達到上級斷路器動作值時，上下級同時動作形成的停電范圍擴大。

第3、4 級采用2 段式保護斷路器時，根據第1節的分析，存在失去選擇性、擴大停電范圍的問題。常見的解決方案是在第3 級采用3 段式保護斷路器，如GM5B40，其Ⅱ段保護采用短延時脫扣器。在第4級斷路器下游（末端負荷屏內）出現短路時，其短路電流落在GM5B40 的Ⅱ段保護電流值范圍內（短延時動作），且同時在下級斷路器的Ⅰ段保護電流值范圍內（瞬時動作），下級可以先動作，短路電流消失后上級返回，實現級差配合。但如果饋線電纜較短，短路電流較大，超過GM5B40 的Ⅱ段保護動作值，其進入Ⅰ段保護動作值范圍，出現上下級斷路器同時瞬時動作的情況，仍然會失去配合，擴大停電范圍。

1.2.2 2 段式快速限流型及延遲動作型保護斷路器配合原理

要解決測控保護屏上的2 ～6 A 斷路器限流能力差導致上級保護斷路器易誤動的問題，一要提高測控保護屏2 ～6 A 斷路器的限流性能和分斷速度；二要將直流分屏和主饋電屏上末級直流斷路器的短路瞬時脫扣器動作倍數閾值加大，使其延遲動作，從而使上、下級斷路器在分斷短路電流時有一個時間差，并使經測控保護屏上2 ～6 A 斷路器限流分斷以后的短路電流超過上一級斷路器瞬時脫扣器動作閾值的維持時間不超過0.6 ms，才能保證上級斷路器不誤動和不拒動。

國內某廠創新研制了GM5-63C（L）快速限流型和GM5-63C（H）延遲動作型小型直流斷路器。GM5-63C（L）快速限流型斷路器具有極高的限流性能，在分斷短路電流時可以在上級斷路器對短路電流做出反應之前將短路電流迅速分斷。與之相配合的上級GM5-63C（H）延遲動作型小型直流斷路器，內置延遲動作脫扣器，將C（H）斷路器動作時間延后，使下級的C（L）型斷路器有充分的時間先動，如果切除故障，上級C（H）型斷路器返回，如果未切除故障，說明故障點在C（L）斷路器上游，由C（H）型斷路器跳開。

GM5-63 系列微型斷路器廠家通過采用以下技術來實現此型斷路器的級差配合。（1）根據微型斷路器的限流特性，斷路器的反向斥力觸頭在通過大的短路電流時，觸頭間產生電動斥力，限制了短路電流，并且斷路器動作速度很快（短路電流越大脫扣速度越快），觸頭迅速分斷，使短路電流在上升過程中還未達到預期電流峰值之前就開始下降，最終被完全熄滅。即斷路器在短路電流上升過程中，具有“截斷”電流的能力。GM5-63C（L）系列微型斷路器采用超級限流技術，在短路電流達到2 000 ～4 000 A 時，使限流系數達到0.07 ～0.32。以額定電流為6 A 的GM5-63C（L）型斷路器為例，根據實際試驗數據，預期短路電流達到3 000 A，而實際被限制的短路電流峰值僅為690 A，限流系數為0.23。而4 A 規格限流系數為0.24，限流效果非常明顯。（2）GM5-63C（L）系列小型直流斷路器采用快速分斷技術，使用一種新型機構，使斷路器全分斷時間被控制在2 ms 以內，經其分斷限流以后的短路電流超過上一級斷路器瞬時脫扣器動作閾值的維持時間不超過0.6 ms。GM5-63C（H）采用大行程的瞬時脫扣器技術，使電流上升到其瞬動脫扣器動作閾值時間加上瞬時脫扣器的空行程總時間控制在大于0.8 ms。這種級聯技術在上、下級斷路器短路瞬時脫扣器之間存在著動作分斷時間差，可保證上、下級斷路器的短路瞬時脫扣器實現選擇性保護。

通過GM5-63C（L）和GM5-63C（H）這2 款斷路器的絕佳配合，能滿足直流電源系統對微型斷路器的限流以及選擇性保護的要求。廠家根據GM5-63C（L）與GM5-63C（H）斷路器的限流曲線和能量限制曲線做了各級間的短路配合試驗，根據其實驗結果，變電站內3、4級微型斷路器的推薦配置方案如下。選用額定電流為25/32 A 的GM5-63C（H）型微型斷路器作為直流主饋屏/分饋屏中的饋線斷路器（三級），選用額定電流為2/3/6 A 的GM5-63C（L）型微型斷路器作為最末端負荷屏內各裝置分電用微型斷路器（4 級）[4]。

2 各級開關遙控功能配置

以常見的2 蓄電池、3 充電機的500 kV 變電站為例，直流電源系統每段主饋母線可由本段母線充電裝置和備用充電裝置供電，蓄電池僅連接至本段主饋母線，2 段母線通過分段隔刀連接。直流分饋屏的母線Ⅰ和母線Ⅱ分別由主饋母線Ⅰ和主饋母線Ⅱ供2 路電，其中饋線出口配置GM5FB 型斷路器，分饋屏進線配置隔刀。

分饋屏及主饋屏的末級饋線均為單線，無備用回路。為直流系統主饋屏母線進線、分段、至分饋屏的斷路器以及分饋母線進線隔刀安裝電操機構，通過一體化電源監控系統實現遙控控制，可實現故障隔離功能。電操機構的安裝方式如圖4 所示。

圖4 電操機構的安裝方式

500 kV 變電站直流電源系統接線較為復雜，故障隔離功能情況較多，舉例說明如下。如圖5 所示，在直流主饋屏至分饋屏的電纜上發生短路后，QF3斷路器跳閘，分饋屏I 母失電，運行人員通過遙控，將分饋屏進線隔刀QS1打開，隔離故障點，再將QF4斷路器和分饋屏隔刀QS2遙控閉合，在較短時間內實現恢復供電。主饋母線進線和分段開關通過遙控也可以實現設備故障斷電后短時恢復供電的功能，過程類似。

對于末級饋電線路的斷路器來說，末級負荷（測控、保護屏）僅有一路供電回路，即使實現遙控也無法實現切換電源和恢復供電的功能。重要電力設備、線路均采用雙重化保護屏，其供電采用來自不同直流母線的2 路獨立電源，無須遙控切換。對于某些具有2 路電源切換的測控屏，在電源饋線短路時斷路器跳開后不再影響電源切換，相當于自動隔離短路點，因此無須實現遙控功能。末級饋線由于數量眾多，增加遙控電操機構會導致每個饋線屏內的饋線數量大幅減少，需要更多的饋線屏，占地面積增加，影響房間布置。根據上述分析可知，末級饋線斷路器無須實現遙控功能[5]。

圖5 直流電源系統典型接線

3 結 論

本文根據變電站直流電源系統的具體接線結構，分析各級斷路器的配合情況，結合工程實際，在蓄電池回路（第1 級）配置熔斷器或具有熔斷器特性的2 段式保護遙控型斷路器GM5FB，第2 級仍配置GM5FB 型斷路器；在下級直流分屏的進線開關，采用不帶保護功能的遙控型隔刀；在下級直流分屏的饋線斷路器，采用GM5-63C（H）型微型斷路器；在末端負荷，配置GM5-63C（L）型微型斷路器。

本文還提出為關鍵斷路器、隔刀配置電操機構，通過一體化電源監控實現遙控功能，在出現短路故障斷路器跳閘后，可在較短時間內隔離故障，恢復供電。通過實現直流電源系統保護斷路器全選擇性配合和遙控主備回路開關，可縮小停電范圍，隔離故障，恢復供電，有利于無人值班變電站的安全穩定運行。