火电厂直流级差配合测试及优化分析

李林猛 任素梅

（郑州裕中能源有限责任公司，河南 郑州 452376）

0 引言

直流电源系统在电力系统特别是火电厂内部具有重要的地位，是继电保护及自动装置、监控系统、UPS系统和事故保安负荷等重要设备的工作与保障电源。

直流电源系统一般由蓄电池组、交流进线柜、高频充电模块、直流馈线柜、直流联络柜以及监控系统、绝缘监察装置、辅助指示仪表等构成。交流电源由厂用380 V保安段供电，经高频充电模块连接至相应直流母线，蓄电池组直接向母线供电。直流系统正常运行时，输入的交流电源经高频充电模块整流后向直流母线供电，同时对蓄电池组进行充电，直流母线通过直流馈线开关采用集中辐射形式或分层辐射形式向各路负载供电。

当采用分层辐射型拓扑时，负载支路具有多级断路器或熔断器，若选择性配合不当，在直流供电回路发生短路时，将导致上级断路器越级跳闸，被切断供电范围扩大，引起重要设备或装置失去工作电源，严重影响电力系统的安全稳定运行。

1 直流断路器级差配合试验目的及方法

1.1 测试目的

在火电厂部分直流操作电源供电网络中，从电源引出至最末级负载一般有2～3级断路器，文献[1]中要求“各级断路器的保护动作电流和动作时间应满足上、下级选择性配合要求，且应有足够的灵敏系数”。与交流供电网络中对于继电保护的运行要求相似，同样要求上、下级直流断路具有选择性及灵敏性。

文献[2]明确要求“新建或改造的发电机组、变电站、发电厂升压站的直流电源系统，应进行直流断路器的级差配合试验”。可以通过模拟馈线分支末端短路，测试各级直流断路器的保护动作特性，验证在直流系统故障时断路器是否有选择性配合关系。

1.2 测试方法

级差配合试验的原理和方法主要如下：

（1）直流充电模块及蓄电池组正常向直流母线供电，断开末级直流负载，末级负载开关保持断开状态。

（2）分别用正、负连接电缆和电压采样线将测试仪器的输入端子和电压采样端子连接到待测直流开关的下口。

（3）测试仪器正常上电就绪，将待测断路器合上，对回路进行测试，并录取短路电流波形数据，计算弧前持续时间、灭弧时间、短路电流峰值等，判断直流断路器实际动作特性是否满足要求。

（4）观察上、下级断路器动作情况，仅被测断路器脱扣，上级断路器不应脱扣跳闸。

（5）试验完毕，恢复正常接线和运行方式。

2 直流断路器的级差配合试验

下面为某火电厂主厂房控制直流系统断路器级差配合试验的情况，该控制直流系统电压等级为220 V，配置104只型号为GFM-1500、2 V、1 500 Ah的阀控式密封铅酸蓄电池。

2.1 试验内容

本次试验选取了5路直流断路器典型配置进行测试：

（1）6 kV 2C浆液循环泵开关；

（2）6 kV 2B浆液循环泵开关；

（3）#2发变组保护B屏；

（4）380 V锅炉PC2B段6号柜；

（5）380 V锅炉PC2A段6号柜。

2.2 试验结果

（1）6 kV 2C浆液循环泵开关试验，本回路直流开关配置参数如表1所示，试验数据如表2所示。

表1 6 kV 2C浆液循环泵受试开关配置

表2 6 kV 2C浆液循环泵受试开关试验数据

（2）6 kV 2B浆液循环泵开关试验，本回路直流开关配置参数如表3所示，试验数据如表4所示。

表3 6 kV 2B浆液循环泵受试开关配置

表4 6 kV 2B浆液循环泵受试开关试验数据

（3）#2发变组保护B屏试验，本回路直流开关配置参数如表5所示，试验数据如表6所示。

表5 #2发变组保护B屏受试开关配置

表6 #2发变组保护B屏受试开关试验数据

（4）380 V锅炉PC2B段6号柜试验，本回路直流开关配置参数如表7所示，试验数据如表8所示。

表7 锅炉PC2B段6号柜受试开关配置

表8 锅炉PC2B段6号柜受试开关试验数据

（5）380 V锅炉PC2A段6号柜试验，本回路直流开关配置参数如表9所示，试验数据如表10所示。

表9 锅炉PC2A段6号柜受试开关配置

表10 锅炉PC2A段6号柜受试开关试验数据

3 分析与整改措施

针对某火电厂主厂房控制直流系统中的典型直流断路器级差配合试验，对试验结果进行分析，可以得出如下结论：

（1）6 kV负荷开关位于汽机侧6.3 m配电间，末级直流开关额定电流6 A，直流馈线屏位于锅炉侧0 m直流室，第一级直流开关32 A。通过6 kV两个开关试验数据可以分析得到，本级断路器出口处实际短路时短路电流为437.3～449.2 A，达到断路器额定电流的13.6～14倍，整个短路持续时间为3.11～3.21 ms，短路电流达到第一级断路器短路瞬时动作值，越级跳闸。短路电流测试曲线如图1所示，结果不满足级差配合要求。

图1 6 kV 2B浆液循环泵开关测试曲线

（2）#2发变组保护B屏位于锅炉侧12.6 m电子间，末级直流开关额定电流6 A，直流馈线屏位于锅炉侧0 m直流室，第一级直流开关32 A。直流电缆长度较短，电流线径选项偏大，本级断路器出口处实际短路1 187.9 A，达到断路器额定电流的37倍，整个短路持续时间2.43 ms，短路电流达到第一级断路器短路瞬时动作值，越级跳闸。短路电流测试曲线如图2所示，结果不满足级差配合要求。

图2 #2发变组保护B屏测试曲线

（3）380 V锅炉PC2B段位于锅炉侧6.3 m配电间，末级直流开关额定电流6 A，直流馈线屏位于锅炉侧0 m直流室，第一级直流开关32 A、40 A。直流电缆长度较短，本级断路器出口处实际短路649.2～701.6 A，达到断路器额定电流的20～17.5倍，整个短路持续时间2.16～2.5 ms。短路电流达到32 A第一级断路器短路瞬时动作值，越级跳闸，结果不满足级差配合要求；短路电流未达到40 A第一级断路器短路瞬时动作值，未越级跳闸。短路电流测试曲线如图3所示，结果满足级差配合要求。

图3 380 V锅炉PC2B段6号柜测试曲线

针对上述结论及出现的问题，提出以下整改措施：

（1）将220 V馈线屏至6 kV及380 V PC段直流断路器额定电流增加一个级差（40 A）。

（2）在电子间增加直流分屏，各保护屏采用辐射式供电，220 V直流馈线屏断路器额定电流增加一个级差（40 A）。

（3）结合实测短路电流及持续时间，选用国产GM5B-40H 40A型直流断路器，该断路器短路试验电流1 200 A，7 ms不脱扣，理论值可满足级差配合需求。

电厂采购上述型号直流断路器进行改造后，重新进行级差配合测试未发生越级跳闸。

4 火电厂直流电源系统直流断路器配置常见问题及建议

本次试验选取了典型的几种直流级差配合类别，通过模拟短路电流测试断路器的动作特性，总结了一些火电厂直流系统中的常见问题，提出建议如下：

（1）早期电厂设计时未充分考虑直流级差配合问题，往往根据经验进行选型，部分厂用直流电源系统的设计不满足级差要求，须进行更正与重新配置。本文中直流系统电压为220 V，短路电流较110 V直流系统理论值大一倍，短路电流容易达到第一级开关的短路瞬时动作值，根据经验选型容易发生越级跳闸问题。建议结合级差配合试验结果及直流断路器短路保护特性曲线重新选型。

（2）380 V PC段、6 kV段厂用直流末级断路器误配为交流断路器，该类问题主要集中在380 V段，部分开关柜厂家未按要求配置。建议全面排查后更换为直流断路器。

（3）发变组及线路保护未按照反措要求采用辐射式供电，仍沿用直流屏顶小母线供电，级差不满足要求时越级跳闸会造成所有保护失电。建议按照反措要求，增加直流分屏，改造为辐射式供电。

5 结语

火电厂中直流电源系统具有重要的地位，特别是控制直流系统，是保护装置安全运行的基础保障。因此，必须提升直流电源系统的稳定可靠性，从设计阶段做好直流系统的级差配置，并通过级差试验进行验证，根据测试结果进行整改，杜绝越级跳闸。