发电厂直流电源系统选择性保护方案分析

朱晓瑾，顾静鸣，李秉宇,王雪楠

(1.浙江浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 317109；2.华东电力设计院有限公司，上海 200063；3.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；4.北京人民电器厂有限公司，北京 102600)



发电厂直流电源系统选择性保护方案分析

朱晓瑾1，顾静鸣2，李秉宇3,王雪楠4

(1.浙江浙能台州第二发电有限责任公司，浙江 台州 317109；2.华东电力设计院有限公司，上海 200063；3.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；4.北京人民电器厂有限公司，北京 102600)

依据DL/T 5044-2014规定的短路电流计算方法，结合直流断路器的动作特性，对常规发电厂直流电源系统存在的选择性问题进行了分析，提出了采用具有熔断器特性的直流断路器、具有短路短延时特性的三段式直流断路器和具有限流特性的二段式相结合的过电流选择性保护解决方案。该方案满足发电厂直流系统保护电器要求，是发电厂直流电源过电流保护系统的最佳选择。

直流电源系统；选择性保护；越级跳闸；三段式直流断路器；全程反时限；过电流保护

直流电源系统是保证发电厂安全稳定运行的重要设备，给发电厂继电保护、自动装置和断路器提供可靠的工作电源。直流电源系统由蓄电池、充电模块、保护电器元件、电缆等部件组成，根据DL/T 5044-2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》要求，在蓄电池出口、充电装置直流侧出口回路、直流馈线回路、直流分电屏回路和蓄电池试验放电回路等部位均应装设保护电器，用于保护直流线路的短路、过载等故障保护[1]。随着发电工程对直流系统的安全性和可靠性的要求逐步提高，发电厂直流电源系统的选择性保护问题日益凸显。发电厂直流电源系统中某一分支回路发生短路故障后，如果导致上一级断路器动作跳闸，就会使其并联的回路断电，从而扩大事故范围，因此保护元件的上下级之间的选择性显得尤为重要[2-8]。

1 发电厂直流系统现状及问题分析

1.1 常规的直流电源系统描述

以某电厂机组控制系统110 V直流电源为例进行分析。蓄电池容量：1 000 Ah，110 V，51节。 蓄电池出口保护元件为NH4系列熔断器，额定电流为630 A；蓄电池出口电缆截面积为500 mm2，长度为25 m。

直流主馈线屏出口保护断路器额定电流为200 A的二段式直流塑壳断路器；直流屏出口电缆截面积为120 mm2，长度为80 m。分馈电屏保护断路器额定电流为25 A的二段式小型直流断路器；分电屏电缆截面积为10 mm2，长度为35 m。测保屏保护断路器额定电流为10 A的二段式小型直流断路器；测保屏至负载设备的电缆截面积为4 mm2，长度为1 m。

1.2 短路电流计算方法

文献[9]提供了直流电源系统短路电流计算方法：

Idk=Un/[n(rb+r1)+∑rj+∑rk]

式中：Idk为断路器安装处短路电流，A；Un为直流系统额定电压,取110或220，V；rb为蓄电池内阻，Ω；r1为蓄电池间连接条或导体电阻，Ω；∑rj为蓄电池组至断路器安装处连接电缆或导体电阻之和，Ω；∑rk为相关断路器触头电阻(即断路器内阻)之和，Ω。

1.3 断路器的动作特性

二段式塑壳直流断路器的安秒特性曲线见图1，其中区域1为过载长延时保护区域，区域2为短路瞬时保护区域。由于该曲线描述的是不同批次、不同电流规格的断路器的过电流动作特性，因此，过载长延时保护和短路瞬时保护均呈现“区域”，即在出现过电流故障时，断路器的动作时间在区域内均视为合格。那么，对于短路瞬时保护，由图1可以看出，在8倍过电流时要可靠不动作，在12倍过电流时应可靠动作，即断路器的瞬时动作电流要介于8～12倍额定电流之间。因此，要保证断路器不发生瞬时动作，回路中产生的短路电流一定要小于8倍的断路器额定电流，而要保证断路器瞬时动作，产生的短路电流一定要大于12倍的断路器额定电流。

图1 二段式塑壳直流断路器安秒特性曲线

1.4 短路电流计算

以下采用自主设计开发的直流系统辅助计算工具，根据文献[9]提供的短路电流计算方法进行预期短路电流计算，结合直流断路器的动作特性对过电流保护进行灵敏性、选择性分析。

该软件包括项目定义、线路配置、元件选型、元件校核、结果输出等5个主要功能模块，其中元件校核主要包括电缆压降校核、保护元件灵敏性校核、上下级保护元件选择性校核等3个主要的校核功能，具备完善的、准确的校验准则库，并辅以大量的产品数据，能够对输入的直流电源系统保护电器的配置进行全面的计算与分析，适合现有电厂的直流电源系统的分析与新建电厂的直流电源系统的设计。利用软件对以上描述的常规直流系统短路电流计算，见图2。

图2 常规直流系统短路电流计算

由图2计算可知：蓄电池出口保护电器元件(NH4熔断器)的预期短路电流为13.086 kA；主馈屏保护元件(断路器GM225H/200 A)出口预期短路电流为12.342 kA，线缆末端预期短路电流为5.328 kA；分电屏保护元件(断路器GM32H/25 A)出口预期短路电流为4.522 kA，线缆末端预期短路电流为1.28 kA；负载设备保护元件(断路器GM32H/10 A)预期短路电流为1.067 kA。

根据软件计算生成的四级保护开关的安秒特性叠加示意如图3所示。其中，蓄电池出口保护元件NH4全程反时限保护，主馈屏保护元件GM225H/200A的瞬动电流范围为1 600～2 400 A，分电屏保护元件GM32H/25 A的瞬动电流范围为175～375 A，负载设备保护元件GM32H/10 A的瞬动电流范围为75～150 A。

1.5 问题分析

通过图2和图3，结合断路器的动作特性，可看出此直流系统存在如下问题。

图3 常规直流系统保护开关安秒特性叠加

a. 主馈电屏馈出断路器(GM225H系列，200 A)负载端短路，短路电流为5.328 kA。 从图3可知短路电流同时落在此级断路器的短路瞬动区间，无延时，而熔断器(NH3，In=800 A)在此短路电流下的熔断时间是反时限，两者可实现选择性。

b. 分电屏控制回路断路器(GM32H系列，25 A)负载端短路，短路电流为4.522 kA，从图3可知短路电流同时落在本级断路器和上级断路器(GM225M系列，200 A)特性曲线的短路瞬动区间，两级断路器无延时，短路电流通过两极断路器，可能造成上级断路器先执行跳闸，因此存在越级跳闸的风险，不能实现选择性保护。

c. 保护屏控制回路断路器(GM32H系列，10 A)负载端短路，短路电流为1.067 kA，从图2可知短路电流同时落在本级断路器和上级断路器(GM32H系列，25 A)的短路瞬动区间，两级断路器无延时，可能造成上级断路器先执行跳闸，因此存在越级跳闸的风险，不能实现选择性保护。

2 选择性保护方案及分析

2.1 选择性保护方案初选

针对以上直流电源系统中存在的问题，以下采用具有熔断器特性的塑壳式直流断路器GM5FB系列产品和具有7 ms短路短延时特性的GM5B系列产品，设计一套能够满足上下级全选择性保护、各级过载保护灵敏性、短路保护速动性及导线压降符合性的发电厂直流电源过电流保护系统方案。初步选择GM5FB具有熔断器特性的塑壳式直流断路器、GM5B系列三段式小型直流断路器进行计算和分析。

GM5FB具有熔断器特性的塑壳式直流断路器采用纯机械式延时，全程实现反时限特性，易于实现选择性保护，同时兼顾了过电流保护的灵敏性，其安秒特性曲线如图4[10-11]。

图4 GM5FB系列断路器安秒特性曲线

GM5B系列三段式小型直流断路器内置延时电路，当主回路电流In为12 A时，通过延时低通电路计算获得延时为7 ms，控制器的输出延时时间的范围为8.5～15.8 ms，在延时时间内等待下级断路器动作，若下级断路器未动作，则判断短路故障发生在本级断路器与下级断路器之间，延时后进行脱扣；如下级断路器动作，由于未达到延时时间，本级断路器返回，不进行脱扣。GM5B系列三段式小型直流断路器的安秒特性曲线如图5。

图5 GM5B系列断路器安秒特性曲线

蓄电池出口保持原设计不变，采用NH4型熔断器，额定电流800 A；主馈屏选用具有熔断器特性的塑料外壳式直流断路器GM5FB-250系列产品，额定电流为200 A；分电屏选用具有7 ms定时限延时的三段式小型直流断路器GM5B-32H系列产品，额定电流为25 A；负载侧保持原设计不变，仍旧采用GM32H系列断路器，额定电流为10 A。由于主要保护元件的额定电流未做变更，因此由蓄电池至负载各级的电缆参数仍保持原设计。

2.2 选择性保护方案分析

图6为利用本软件对改进后的选择直流系统短路电流计算图。

图6 选择性直流系统短路电流计算

由图6可以看出：蓄电池出口保护电器元件(NH4熔断器)的预期短路电流为13.086 kA；主馈屏保护元件(断路器GM5FB-250/200 A)出口预期短路电流为12.517 kA，线缆末端预期短路电流为5.328 kA；分电屏保护元件(断路器GM5B-32H/25 A)出口预期短路电流为4.267 kA，线缆末端预期短路电流为1.28 kA；负载设备保护元件(断路器GM32H/10 A)预期短路电流为1.052 kA。

根据软件计算生成的四级保护开关的安秒特性叠加示意如图7所示。其中，蓄电池出口保护元件NH4全程反时限保护，主馈屏保护元件GM5FB-250/200 A的瞬动电流起点为1 400 A，并呈现反时限延时特性，分电屏保护元件GM5B-32H/25 A的短路短延时启动电流范围为300～1 680 A，负载设备保护元件GM32H/10 A的瞬动电流范围为75～150 A。

图7 选择性直流系统保护开关安秒特性叠加

由图6和图7，结合直流断路器的动作特性，可以看出：分电屏控制回路断路器(GM5B-32H系列，25 A)负载端短路，短路电流为4.267 kA，从图7可知短路电流同时落在本级断路器的短路瞬动区间，瞬间切断电源，同时落在上级断路器(GM5FB-250H/200A)特性曲线的短路短延时区间，延时20～80 ms，上级断路器在延时的区域内，下级断路器因无延时会先行跳闸，因此不会出现越级跳闸，能够实现选择性保护；保护屏控制回路断路器(GM32H系列，10 A)负载端短路，短路电流为1.052 kA，从图7可知短路电流落在本级断路器的短路瞬动区间，和上级断路器(GM5B-32H系列，25 A)的短路短延时区间，上级断路器短路短延时7 ms，下级断路器因无延时会先行跳闸，因此不会出现越级跳闸，能够实现选择性保护。

2.3 选择性保护依据

选择性保护依据见表1。

表1 选择性保护依据

延时时间/ms产品型号判据馈电屏20～80GM5FB系列延时20～80ms,具有有熔断器反时限特性,与下级断路器相差3倍额定电流可实现选择性保护。分馈屏7GM5B-32系列定时限短延时7ms,与下级断路器可自然实现选择性保护。测保屏0GM32系列GM32系列断路器无延时,能与(上级)具有短延时特性的开关在实现选择性。

3 方案应用及效果

该方案应用于浙江台州第二发电厂“上大压小”新建机组项目，建设规模为2×1 000 MW。

该项目的直流电源系统包括：机组控制110 V直流系统、机组动力220 V直流系统、继电器楼110 V直流系统、废水综合楼110 V直流系统，采用本方案的分析方法对上述四组直流系统分别进行了计算和选择性分析。对于无分电屏的机组动力220 V直流系统，采用普通的两段式直流断路器进行保护；对于具有分电屏的110 V直流系统，均采用熔断器做蓄电池出口保护、GM5FB断路器做主馈线屏馈出保护、GM5B做分电屏馈出保护的方案。

该项目已于2015年10月份投入运行，目前运行状态良好。

4 结束语

以上依据DL/T 5044-2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》规定的短路电流计算方法，结合直流断路器的动作特性，对常规发电厂直流电源系统存在的选择性问题进行了分析，提出了采用具有熔断器特性的直流断路器、具有7 ms短路短延时特性的三段式直流断路器和具有限流特性的二段式相结合的过电流选择性保护解决方案。该方案已应用于浙江台州第二发电厂“上大压小”新建机组项目，能够满足发电厂直流系统保护电器要求，同时7 ms的短路短延时设计，有益于小型直流断路器短时耐受电流的提高，是发电厂直流电源系统过电流保护系统理想的解决方案。

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本文责任编辑：杨秀敏

Selective Protection Analysis of DC Power Supply System in Power Plant

Zhu Xiaojin1,Gu Jingming2, Li Bingyu3,Wang Xuenan4

(1.Zhejiang Zheneng Taizhou Second Power Generation Co., Ltd,Taizhou 317109，China;2.East China Electric Power Design Institute Co.,Ltd.，Shanghai 200063，China;3. State Grid Hebei Electric Power Corporation Electric Power Research Institute, Shijiazhuang 050021，China；4.Beijing People's Electric Plant CO.,LTD,Beijing 102600，China)

According to the calculation method of short circuit current in DL/T 5044-2014, combined characteristics of DC circuit breaker,this paper analyzed the selective problem of DC power system in power plant,and proposed selective protection solution which contains DC circuit breaker with fuse characteristics and three stage DC circuit breaker with short time delay and two stage DC circuit breakers with current limiting characteristics.This solution meets the requirementsof the power plant DC system protection apparatus,it is the best choice for the high reliability requirements of DC power supply over current protection system.

DC power system；selective protection；leapfrog trip；three stage DC circuit breaker；reverse time limit；over current protection

图4 对冲组合监控体系

图5 动力煤和铜的套利对冲分析

5 结束语

本文责任编辑：丁 力

2016-01-15

朱晓瑾(1974-)，女，高级工程师，主要研究方向为发电厂继电保护技术及其应用。

TM621.7

B

1001-9898(2016)05-0037-05

以上从电网对发电侧、电网对用电侧两个方向进行开展电力市场化风险应对开展可行性分析，提出切实可行的河北省南部电网电力市场化

风险对冲方法。提出了一种基于季节性规律的风险对冲方法，进一步提出一种基于方差偏离规律的的统计套利风险对冲方法。并开发了一套完整的风险对冲工具，可以实时通过对电网侧、发电侧、用电侧各期货相关品种的分析跟踪，利用金融手段合理有效的实施风险对冲。用以达到帮助电力价格从国家定价模式转化为市场定价模式的目的。

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