变电所低压直流系统开关设备级差配合的研究

徐政 黄涛 秦福兴

摘 要：依据变电所直流系统典型的上下级之间的配合情况，以现场常用断路器和熔断器为试验样品，进行级差配合试验。通过试验数据，提出级差配合的具体配置原则，确保变电所直流系统回路故障时有选择性地切除故障回路，把系统的故障限制在最小范圍内，维护系统安全运行。

关键词：变电所；直流系统；开关设备；级差配合

变电所直流系统供给站内继电保护及安全自动装置、控制信号回路、事故照明等工作电源，是继电保护、自动装置和断路器正确动作的基本保证。

目前，断路器和熔断器是变电所直流电源系统中使用最广泛的主要保护电器，在回路故障时有选择性地切除故障回路，把系统的故障限制在最小范围内。

断路器和熔断器往往需要多级串联使用，其上下级之间具有选择性保护是保证电力系统安全可靠运行的重要条件。国内电力系统发生多起变电站低压直流系统开关设备因上下级失去了配合关系，而造成故障扩大的事故。这种隐患严重威胁着系统的安全运行，需要从根本上解决此类问题。

目前，直流系统保护元件级差配合存在的主要问题有以下四个方面：

1）变电所直流系统的终端控制屏和保护屏中，尚存在着不少用交流断路器代替直流断路器的现象，存在着不安全的隐患。交流断路器用于直流回路，造成实际定值偏大，与上级实际级差变小。

2）熔断器本身不规范，熔体的分散性和内阻不一致。

3）产品质量问题。目前国内低压电器生产厂家过多，质量难以保证。

4）上下级间的额定值级差选择不当。

对于直流断路器之间、直流断路器与熔断器之间的级差配合照搬熔断器间的配合规定。熔断器与直流断路器动作原理不同，安秒特性曲线不同，配合级差也不同。另外仅选择两段保护直流断路器作保护操作电器的直流系统，在一定条件下存在着上下级配合不可靠的隐患。

在对吉林省变电所直流系统参数调研的基础上，我们制定了直流系统级差配合的整体试验方案。

对目前常用的进口和国产的二段、三段保护直流断路器、交直流两用断路器、熔断器的短路分断特性和它们之间的级差配合的选择性以及交流断路器分断临界小直流电流等方面进行了试验研究。

直流试验系统接线电路如图1所示。

通过大量的试验，得到了丰富的、宝贵的试验数据。结合吉林省电网直流系统当前存在的主要问题，对试验数据进行了详尽而细致的分析与归纳，最后总结出一系列级差配合的具体配置原则。

1 断路器——断路器之间级差配合

1）同厂家、同类型（均为塑壳或微型的）的两段式直流断路器上、下级配合时，当级差控制在4-5级时，短路电流不超过8-10倍上级断路器额定电流，即可保证断路器选择动作的可靠性和正确性。

2）不同厂家、同类型的两段式直流断路器上、下级配合时，当级差控制在4-5级时，短路电流不超过8-10倍上级断路器额定电流，即可保证断路器选择动作的可靠性和正确性。当配合条件满足了两级断路器的级差配合时，三级断路器的级差配合也满足。

3）相同厂家上级三段式断路器、下级两段式直流断路器配合时，短路电流可以延伸到25-30倍的上级断路器额定电流，可保证断路器选择动作的正确性。

4）不同厂家上级三段式断路器、下级两段式直流断路器配合，当级差控制在2-5级时，短路电流可以延伸到25-40倍上级断路器额定电流，可保证断路器选择动作的正确性。

5）相同厂家、上下级均为三段式直流断路器配合时，应避开上、下级之间相同短延时动作区段，根据各级短路电流计算结果，按照厂家推荐的断路器选型方案执行。以保证断路器选择动作的正确性。

6）相同厂家、上下级均为三段式直流断路器配合時，当无法避开上、下级之间相同短延时动作区段时，应控制下级短路电流全分断时间在上级断路器短延时时间内恢复到额定电流，即可保证断路器选择动作的正确性。三段式断路器保护动作曲线见图2所示。

7）上级配塑壳断路器、下级配微型断路器配合时，由于微型断路器固有分断时间短，极限短路电流可以延伸到20倍左右的上级断路器额定电流，能够保证断路器选择动作的正确性。

8）在三级三段保护式直流断路器串联的级差配合中，合理选用GMB三段保护式直流断路器，上下级之间能具有保护的选择性。选用方法为短路短延时脱扣器动作值全部选用10In（In为额定电流），断路器短路短延时时间按从负荷侧向电源侧逐级加大时延的方法（0ms、10ms、30ms、60ms）选择。

2 熔断器——熔断器之间级差配合

1）同厂家、同型号的熔断器配合时，因其具有相同的安秒特性，两级之间级差的配合应在3级，必要时应加大级差到4级或以上。在短路电流达到上级的10～20倍范围内，可保证熔断器选择动作的正确性（符合反时限特性），配合特性良好。

2）同厂生产的熔断器间易实现级差配合，但不同厂家的熔断器间存在离散性， 原因是熔断器生产厂家众多，产品工艺及质量参差不齐，难以保证。

3 熔断器——断路器之间级差配合

1）当直流断路器装设在熔断器的下一级时，熔断器的额定电流应为直流断路器额定电流的2倍及以上，则在短路电流小于一定范围时具有选择性保护。

2）运行中的熔断器保护性能会随着下级保护动作次数（工作电流大或冲击负荷长期多次受热）增加而降低，直到影响熔断特性，因此建议定期更换新品。

3）上级熔断器的额定电流应不小于下级断路器额定电流的2倍以上，并核定下级最大短路电流不应超过上级熔断器额定电流的8～10倍（短路电流过大时易使熔体受热而降低熔丝使用寿命），不同厂家的熔断器在使用前须经过动作特性校核。选择性配合的级差应随着可靠性要求的提高而加大。

4）蓄电池出口选用熔断器时，应按照蓄电池1 h放电容量并加大一级选择（与直流断路器选择相似），建议蓄电池出口采用断路器。

4 断路器——熔断器之间级差配合

当熔断器装设在直流断路器的下一级时，一般直流断路器的额定电流应为熔断器额定电流的4倍及以上，则在短路电流小于一定范围时具有选择性保护。

另外，根据《国家电网公司——变电站直流电源系统技术改造指导意见》，同一支路中空气断路器与熔断器不应混用，直流断路器与熔断器配合时，调整级差保证动作选择性，原则上选用同一厂家产品，尤其在直流断路器下一级不应再接熔断器。

本文是以吉林省内主要一次变电所直流系统接线图为基础，依据典型的上、下级间的配合情况来编制级差配合试验方案进行试验。试验所得到的数据与曲线真实准确，由此分析提出的变电所低压直流系统开关设备级差配合的具体配置方案具有实际的应用价值。

参考文献：

[1] 田玲.变电站直流系统保护级差配合策略初探[J].科技创新与应用，2014（16）.

[2] 刘毅，周雒维，陈国通.直流系统保护电器级差配合的研究[J].电力系统保护与控制，2011（2）.

[3] 李满元.直流电源系统保护中直流断路器及熔断器的级差配合探讨[J].电力设备，2008（5）.

基金项目：

本文系吉林省大学生创新创业训练计划项目的研究成果（项目编号：201611437112）

作者简介：

徐政（1972-），女，吉林长春人，长春工程学院，本科，副教授，电力系统及其自动化方向；

黄涛（1970-），男，吉林长春人，吉林电力科学研究院，硕士，高级工程师，电力系统及其自动化方向；

秦福兴（1993-），男，河南林州人，长春工程学院，在读学生，电气工程及其自动化方向。