火力发电厂直流系统设计中的保护电器选择性配合探讨

刘梓洪, 沈珏玮(.江苏省邮电规划设计院有限责任公司, 江苏 南京 009;.江苏新海发电有限公司, 江苏 连云港 03)

火力发电厂直流系统设计中的保护电器选择性配合探讨

刘梓洪1, 沈珏玮2
(1.江苏省邮电规划设计院有限责任公司, 江苏 南京 210019;2.江苏新海发电有限公司, 江苏 连云港 222023)

指出了目前直流系统中保护电器选择性配合出现的一些主要问题,分析了影响保护电器选择性配合的主要因素。提出了直流系统的主要设计原则,并通过工程实例进行了保护电器选择性配合的计算,计算结果能满足保护电器选择性配合的要求。

直流系统; 保护电器; 选择性配合; 小型断路器

0 引 言

为保证火力发电厂安全、可靠、稳定运行,发电厂内应装设蓄电池组,设置独立于交流电源系统的直流电源,向机组的控制、信号、继电保护、自动装置等控制负荷和直流油泵、不间断电源、断路器合闸机构及事故照明负荷等动力负荷供电[1-2]。直流系统中的蓄电池出口回路、充电装置直流侧出口回路、直流馈线回路和蓄电池试验放电回路等应装设保护电器,且各级保护装置的配置应保证具有可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求[3]。直流系统具有供电负荷多、分布范围广、供电层级多、系统复杂等特点,因此直流断路器级差配合计算十分复杂,与蓄电池的容量和内阻、电缆的截面积、压降要求、直流断路器的型号和规格、直流网络分布情况等密切相关,任何相关因素的变化均会直接影响下级保护电器的级差配合。虽然国内各发电公司和电网公司对直流系统的运行安全非常重视,颁布了相关的直流系统反事故措施或管理规定[4-6],但直流系统发生保护电器的越级跳闸事故仍时有发生,成为影响电力系统设备正常、安全运行的重要因素之一。

1 直流系统中保护电器选择性配合

1.1 存在选择性配合问题的常见原因

直流系统中保护电器的选择性配合是直流系统中各个因素整体、综合考虑的结果,包括单体蓄电池的开路电压、单体蓄电池的内阻、蓄电池的容量、蓄电池的串并联节数、蓄电池之间的连接导体的电阻、蓄电池至故障点之间各段导线的截面积和长度、各级保护电器的内阻和保护特性、负荷大小和特性等因素。

目前,存在选择性配合问题的常见原因主要体现在以下几点:

(1) 直流系统网络设计不合理,层级过多,造成保护配合级差过多。尤其在分层辐射性直流网络中,如果分层的层数过多,在保护电器的选择过程中往往无法满足选择性配合的要求。

(2) 在直流系统设计过程中,上、下级保护电器采用不同厂家的产品,其短路动作特性可能不一样,导致配合性差,甚至无法配合。尤其在供电末端,保护或控制柜的供货厂家不一样,导致柜内小型断路器(Miniature Circuit Breaker,MCB)与分电柜内的MCB无法配合。

(3) 直流系统供电回路的电力电缆截面选择过大,导致电缆末端的短路电流过大,使电缆两端的上、下级保护电器无选择性,主要体现在直流分电柜到终端负荷侧保护电器的配合设计中。

(4) 辐射性网络的层数较多时,在直流分电柜中没有合理采用三段式(瞬时电流速断、短延时电流速断和反时限过电流保护)保护电器,导致上、下级保护电器没有选择性。

1.2 直流系统的主要设计原则

在火力发电厂直流系统设计时,通常适度提高上、下级保护电器的电流比;采用具有高倍率脱扣器动作整定值和高精度脱扣器动作整定范围的二段式(瞬时电流速断和反时限过电流保护)保护电器,必要时采用三段式断路器或具有级联功能的二段式断路器等方法来满足保护电器选择性的配合要求。

(1) 在直流系统网络设计时,尽量采用集中辐射型或较少分层(最好只有一个分层)的辐射型直流系统。在集中辐射型网络中,直流系统主馈线柜的下一级是保护柜或控制柜等对应的终端断路器。对于仅有一个分层的辐射型网络,直流系统主馈线柜的下一级可以是保护柜或控制柜等对应的终端断路器,也可以是直流分电柜。直流分电柜供电至其他的保护柜或控制柜等对应的终端断路器。

(2) 对于控制、保护、信号等控制负荷的供电,其终端断路器采用B型脱扣器MCB;对于直流分电柜,其馈线断路器采用C型脱扣器MCB,且当分电柜馈线断路器采用的标准型二段式MCB无法满足保护电器选择性的配合要求时,可采用具有高倍率脱扣器动作整定值和高精度脱扣器动作整定范围的二段式保护电器,或采用三段式断路器。

根据GB 10963.2—2008《家用及类似场所用过电流保护断路器 用于交流和直流断路器》,直流断路器B型脱扣器的脱扣电流范围为(4～7)In,直流断路器C型脱扣器的脱扣电流范围为(7～15)In,取消了断路器D型脱扣器。

针对直流系统选择性配合的特殊要求,北京人民电器厂有限公司(简称北京人民电器)和上海良信电器有限公司(简称良信)开发出具有高倍率脱扣器动作整定值和高精度脱扣器动作整定范围的二段式保护电器及三段式断路器。

北京人民电器GM5-63系列MCB,除普通脱扣范围的B型外,还有延时动作C(H)型(脱扣范围为(12～15)In)和快速限流C(L)型(脱扣范围为(7～10)In)。C(H)型和C(L)型上、下级配合使用,具有很好的级联技术特点,能够在不扩大上级断路器额定电流的条件下,扩大选择性保护范围。另外,GM5B系列的三段式直流MCB,以及具有熔断器反时限特性、良好限流功能和短路短延时保护功能的GM5FB系列塑壳断路器(Moulded Case Circuit Breaker,MCCB),为直流系统选择性配合提供了更好的选择。

良信NDB2Z系列两段式直流MCB,除普通的B型和C型外,还有高倍率和高精度的C(G)型,脱扣范围为13In(±10%)。此外,也有NDB2ZB系列的三段式直流MCB和NDM2ZB系列三段式直流MCB可供选择。

(3) 蓄电池组出口的保护电器宜选择熔断器,也可采用具有短路短延时保护和过负荷长延时保护的直流断路器。直流断路器具有切除故障快捷、监视开关状态便利、维护工作量小等优点。对于容量不大的蓄电池(通常小于800 Ah的蓄电池组),当工作回路电流在500 A以内时,建议采用直流断路器。容量较大的蓄电池组,价格较高,因此建议采用熔断器作为保护电器。

(4) 合理选择直流电缆的截面。电缆截面选择过大,电缆两端的上、下级保护断路器在短路故障时无选择性跳闸。因此,电缆截面并不是越大越好。

电缆截面应按电缆长期允许载流量和回路允许电压降两个条件选择[3]。对于直流控制馈线电缆,由于控制回路的工作电流通常较小,一般不超过10 A,因此选择电缆截面的主要因素是回路允许的电压降。对于蓄电池出口至直流进线柜的进线电缆、动力负荷电缆以及直流主馈线柜至分电柜的电缆,其截面的选择则需要综合考虑载流量和回路允许电压降。总之,应根据满足要求的电缆下限截面选择电缆,将有利于保护电器的选择性配合。

2 保护电器选择性配合计算实例

2.1 直流系统结构

某火力发电厂新建2台1 000 MW汽轮发电机组,2台机组均采用发变组单元接线。机组直流系统的配置:每台机组装设3组蓄电池,2组对控制负荷供电,1组对动力负荷供电。专供控制负荷的直流系统电压为110 V,专供动力负荷的直流系统为220 V。110 V直流系统采用分层辐射型系统,设置有6 kV配电装置直流分电柜和电气继电器室直流分电柜。单元机组110 V直流系统图如图1所示。

由图1可以看出,每台机组配置2组容量为600 Ah的蓄电池组,每组蓄电池配置52节2 V的单体蓄电池;每组蓄电池配置1套额定电流为320A的充电装置;直流系统的母线接线方式为单母分段,两段之间通过断路器和隔离开关连接。蓄电池出口采用直流MCCB,型号为GM5FB-800/400,额定电流为400 A。主馈线柜至直流分电柜的馈线断路器采用MCCB,型号为GM5FB-250/100,额定电流为100 A。直流分电柜的馈线断路器采用MCB,型号为GM5B-40/40,额定电流为40 A。

图1 单元机组110V直流系统图

2.2 直流系统短路计算

以层级最多、综合内阻最小、级差最小的一个直流接线回路为例,进行保护电器选择性配合计算和分析。由图1可以看出,层级最多的一个直流接线回路为蓄电池组、主馈线柜、直流分电柜、控制或保护屏柜的终端负荷断路器。层数最多的直流接线回路如图2所示。 根据每个层级的工作回路电流、供电距离和回路允许电压降,计算出各个层级断路器的额定电流、电缆截面及相应的电缆阻抗。根据DL/T 5044—2004《电力工程直流系统设计技术规程》表G.1,2 V单体阀控式密封铅酸蓄电池的内阻为0.358 mΩ。 图2中断路器的选型分别如下:

(1) QF1,型号为GM5FB-800/400,额定电流为400 A,延时限流二段式保护。

图2 层数最多的直流接线回路

(2) QF2,型号为GM5FB-250/100,额定电流为100 A,延时限流二段式保护。

(3) QF3,型号为GM5B-40/40,额定电流为40 A,三段式保护。

(4) QF4,型号为GM5-63/2B6,额定电流为6 A,B型二段式保护。

根据图2中的参数,在不考虑各直流断路器内阻时,短路电流计算如下:

(1) d1、d2点短路电流,Id1=Id2=110/(Rb+Rl1)=5.222 kA。

(2) d3点短路电流,Id3=110/(Rb+Rl1+Rl2)=1.837 kA。

(3) d4点短路电流,Id4=110/(Rb+Rl1+Rl2+Rl3)=0.451 kA。

2.3 选择性配合分析

(1) d1点短路,短路电流Id1=5.222 kA。直流断路器QF1额定电流In1=400 A,80 ms短延时保护动作电流7In1=2 800 A

图3 d1短路点动作分析图

(2) d2点短路,短路电流Id2=5.222 kA。直流断路器QF1额定电流In1=400 A,80 ms短延时保护动作电流7In1=2 800 A

图4 d2短路点动作分析图

(3) d3点短路,短路电流Id3=1.837 kA。直流断路器QF2额定电流In2=100 A,80 ms短延时保护动作电流7In1=700 A

因此,在d3点短路时,QF3瞬时动作,动作时间为7 ms,QF2由于需延时15 ms而不动作,满足选择性要求。

(4) d4点短路,短路电流Id4=451 A。QF3瞬时动作下限为1 200 A,因此QF3电流速断保护不动作。d4点短路电流落在短延时动作区或过负荷保护动作区,QF3延时大于7 ms动作。

QF4属于终端断路器,脱扣器瞬时保护动作范围为(4～7)In4,即24～42 A,远小于Id4,瞬时动作时间约为3 ms。

因此,在d4点短路时,QF4瞬时动作,动作时间为3 ms,QF3延时大于7 ms而不动作,满足选择性要求。

4 结 语

直流系统保护电器的选择性对于火力发电厂安全、稳定的运行具有重要的作用。直流系统保护电器的选择性配合是直流系统中各个因素整体、综合考虑的结果。

在直流系统网络设计时,要尽量采用集中辐射型或较少分层的辐射型直流系统。对于直流分电柜的馈线断路器,建议采用C型脱扣器MCB,且当分电柜馈线断路器采用标准型二段式MCB而无法满足保护电器选择性的配合要求时,可采用具有高倍率脱扣器动作整定值和高精度脱扣器动作整定范围的二段式保护电器,或者采用三段式断路器。蓄电池组出口保护电器的选择,应根据蓄电池组的容量进行选择,大容量的蓄电池组宜选择熔断器,小容量的则采用具有短路短延时保护和过负荷长延时保护的直流断路器。在选择直流电缆的截面时,为减小短路电流,提高保护电器上、下级的选择性配合,应根据满足要求的下限截面选择电缆。

[1] GB 50660—2011 大中型火力发电厂设计规范[S].

[2] GB 50049—2011 小型火力发电厂设计规范[S].

[3] DL/T 5044—2004 电力工程直流系统设计技术规程[S].

[4] 国家电网公司.国家电网公司发电厂重大反事故措施(试行)[G].2007.

[5] 国家电网公司.国家电网公司十八项电网重大反事故措施(修订版)[G].2011.

[6] 中国大唐集团公司.中国大唐集团公司防止电力生产重大事故的二十五项重点要求实施导则[G].2005.[7] GB 10963.2—2008 家用及类似场所用过电流保护断路器 用于交流和直流断路器[S].

Discussion about Selectivity Coordination of Protective Devices in Thermal Power Plant DC System Design

LIU Zihong1, SHEN Juewei2

(1.Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co., Ltd., Nanjing 210019, China;2.Jiangsu Xinhai Power Generation Co., Ltd., Lianyungang 222023, China)

This paper pointed out some main problems with selectivity coordination of protective devices in the current DC systems,and analyzed the main factors affecting on the selectivity coordination of protective devices.The main design principles of the DC system were proposed.As a example of an power plant project,the selectivity coordination of protective devices was calculated,which can meet the requirement of selectivity coordination of protective devices.

DC system; protective device; selectivity coordination; miniature circuit breaker(MCB)

刘梓洪(1975—),男,高级工程师,从事发输变电电气设计工作。

TM 621.6

A

1674-8417(2015)04-0028-05

2014-11-26

沈珏玮(1962—),女,工程师,从事发电厂继电保护工作。