低压直流配电系统的断路器保护探讨分析

翁 国 璋

[ABB(中国)有限公司 南京分公司, 江苏 南京 210005]

0 引 言

直流电广泛应用于电力工程、通信、光伏、轨道交通、数据中心等行业及电网储能系统中。直流电不像交流电那样具有周期性、过零点,其一直保持在恒常值,这对直流电电路保护提出了不同的要求。断路器在开断直流线路时因直流电没有过零点,致使开关开断电弧的难度变大了。

1 低压直流系统的接地型式

低压直流系统的接地分接地系统和不接地系统,其中接地系统分为一个极(负极或正极)接地和电源中点接地2种接地型式。低压直流系统的接地型式如图1所示。

图1 低压直流系统的接地型式

2 常用交流断路器的直流分断能力要求及小型断路器在直流系统中的应用

根据文献[1]第四章“短路电流计算”图4-1短路电流波形图(a)“远端短路时的电流波形图”,预期短路电流中包含有初始值为A衰减到零的直流分量,其热效应依据文献[1]第五章“高压电器及开关柜的选择”式(5-23)及表5-7,变电所各级电压母线及出线处的短路电流直流分量热效应值为

Qf=0.02I2

式中:I——超瞬态短路电流有效值。

由此可见,常用的交流断路器也应具有直流分断能力。这从元器件厂家的样本也可以得以验证。如ABB的SH200/S200/S200M系列小型断路器可使用于不超过125 V的直流系统中,且无需考虑极性,即断路器上、下进线均可以。但当电压超过直流125 V时,就需要选用DC专用的S200MDC系列产品,其主触头2P串联使用时,额定工作电压可达DC 440 V,Icu达到10 kA。

不是所有的厂家都在样本上标示交流断路器的直流应用参数,如常熟开关的CH3N/H普通小型断路器的技术参数表中就未标示直流的应用情况,需要选择专用的CH3Z微型断路器,1P的额定工作电压为DC 125 V,2P的额定工作电压为DC 250 V。良信电器专用于直流的NDB1Z-63小型断路器额定工作电压DC 440 V时,需要选择4P的断路器。施耐德C65H-DC,2P时的额定工作电压为DC 250 V,Icu=10 kA。

3 不同电压时断路器主触头连接方案

直流电流没有过零点,随着工作电压的提高,直流电流的电弧分断越来越难,此时必须依赖将主触头串联起来,使得分配到每个主触头上的电压降低,这样断路器就能应用于更高电压的回路中[2-3]。ABB公司的Emax DC系列断路器四极串联时,其额定工作电压能达到DC 1 000 V的值。

应用于直流电压≤500 V的断路器主触头串接方案如图2所示。

图2 应用于直流电压≤500 V的断路器主触头串接方案

4 额定极限短路分断能力的变化

本文主要基于图1(a)及图2(a)分析负极接地型式时的Icu变化。以ABB的E2N1600 PR122/DC R1600 3P万能式断路器按图2(a)串接方案进行说明。

(1)当发生如图1(a)中的a类即正负极间直接发生短路时,断路器依靠正极回路上的2个串接主触头和负极上的1个主触头串联,共同负责短路故障电流的分断,断路器的Icu=50 kA。

(2)当发生如图1(a)中的b类即正极与地间直接发生短路时,回路短路电流值与发生(1)故障时短路电流值很相近,但断路器仅能依靠正极回路上的2个串接主触头来分断短路电流,造成每个主触头上承受的电压值提高。查样本得知,断路器的Icu=25 kA,降低了很多。

(3)选择断路器的额定极限短路分断能力Icu时,必须考察最不利情况下的断路器分断能力。E2N1600断路器在上述使用情况下只能按Icu为25 kA来设计(电路计算预期接地短路电流不能大于25 kA)。

5 接线极性

在高电压、大电流的直流使用场合下,元器件厂家为了实现所要求的短路分断能力,均采取了一些有别于交流应用的措施。ABB的Tmax DC塑壳断路器采用磁吹弧技术来保证DC 750 V下的分断能力达到50 kA。该技术利用确定方向的电流在线圈中产生确定方向的磁场,该磁场与电弧发生相互作用,将电弧强力吹入灭弧罩,以达到尽快灭弧的目的。所以,用于直流系统的万能式断路器及塑壳断路器,需要严格按照元器件生产厂家标示的极性进行接线或订货时提前提出要求。

6 保护脱扣器

应用于直流系统中的塑壳断路器及小型断路器一般都是采取热磁式保护方式,这与交流时的保护方式类似[4-6];万能式断路器有的采用电子液晶保护脱扣器,如ABB的Emax DC万能式断路器配置的PR122/DC及PR123/DC直流专用电子式脱扣器,选用时需要注意PR122/DC仅适用于不接地和负极接地直流系统,而PR123/DC则不受限制。

7 结 语

为了实现断路器对直流供电系统的可靠保护,必须清楚直流系统的接地型式,其在不同的短路故障形式下将影响断路器的短路分断能力,同时还应根据系统的电压高低采取适当的主触点串接方案,并严格按照出厂的正负极性进行接线。