直流系统保护电器级差配合原理及试验分析

国网湖南省电力有限公司益阳供电分公司 汤俊 向洁 钟智辉

国网湖南省电力有限公司电力科学研究院 欧阳帆 臧欣

1 引言

随着电力系统逐渐向智能化、超高压的方向发展，电力工程必须具备更安全、更稳定的控制电源。目前直流电源已成为电力系统不可缺少的供电电源[1]。发电厂和变电站直流馈电系统是以树型的形式存在，从蓄电池到站内的供电装置，是由直流断路器构成每级配电的保护电器。因为上、下两级直流断路器的保护动作特性不匹配，如果下级用电设备出现故障，就会使上一级直流断路器发生越级跳闸[2-3]。因此，直流系统保护电器级差配合是否正确，直接关系直流系统安全稳定运行，影响变电站的运行可靠性。

针对以上问题，本文根据湖南地区某变电站直流系统断路器配置的级差选择和组合方式，对直流断路器进行了级差配合试验的探讨。本文主要是针对某220kV 变电站220V 直流系统进行分析，介绍了直流系统保护电器级差配合试验的短路电流原理和配置选择的原则，结合理论计算和实际试验相结合的方法，分析了其试验特性，给出改造建议，为湖南地区开展直流断路器级差配合研究探索了可以借鉴的方法。

2 直流系统保护电器级差配合计算原理及选取原则

2.1 典型220kV变电站直流系统保护配置

变电站直流系统由充电装置、蓄电池组、绝缘检测装置、馈线屏、分电屏等设备构成。某220kV变电站直流系统结构如图1所示，某220kV 变电站直流系统保护配置见表1。

表1 某220kV变电站直流系统保护配置

图1 某220kV变电站直流系统结构

直流系统采用辐射型网络，由馈线屏、分电屏分3～4 级向负载提供电流。如果变电站直流系统不存在分电屏，那么整站只分为3级向负载供电。

2.2 直流系统保护电器各级短路电流计算原理

直流屏和各级配电装置保护电器的选择由厂家提供定型产品的性能指标决定。不同厂家的保护电器、不同容量的电池都将影响直流系统的短路电流。根据直流短路电流计算式（1）可以计算出各种容量直流系统的短路电流：

式（1）中，IDK为断路器安装处短路电流（A）；U0为断路器开路电压（V）；n 为蓄电池数量；rb为蓄电池组内阻（Ω）；∑ri为蓄电池组连接条或导体内阻；∑rj为蓄电池至断路器连接电缆内阻之和；∑rk为断路器触头电阻之和。

根据查找各处电缆的型号和长度，计算相应的电缆电阻，计算出各级短路电流，某220kV变电站直流系统各级短路电流计算结果见表2。

表2 某220kV变电站直流系统各级短路电流计算结果

根据直流断路器的结构特点，C 型断路器的脱扣电流为额定电流的7～15 倍，B 型断路器的脱扣电流为额定电流的4～7 倍。由表2 可知，220kV 变电站第四级低压断路器处短路电流为122A；第三级保护电器额定值为25A。因此，第三、四级保护动作值大概率能配合。220kV变电站第三级低压断路器处短路电流范围为280～422A；第二级保护电器额定值为40～80A。因此，第二、三级保护动作值能够配合。220kV 变电站第二级低压断路器处短路电流范围为494～899A；第一级保护电器额定值为500A。因此，第一、二级保护动作值能够配合。通过结果分析，某220kV变电站直流断路器在上下级选择能够配合。

2.3 “小电流预估法”计算原理

直流系统直接短路会给系统带来很大的冲击，其短路电流可能使设备受损。为了更好地保护设备和蓄电池组，运行设备时采用“小电流预估法”预估其短路电流。“小电流预估法”是通过在短路点串入电阻负载，算出电源二次回路的等效电阻，利用最小二乘曲线拟合方法估算出实际短路电流。

设Imaxg为短路电流，r为直流回路等效电阻，E为蓄电池开路电动势，QF1和QF2为上级和本级直流断路器。此时短路电流按照式（2）计算：

当直流电源末端直流断路器负荷侧外接电阻负载r 时，设此时测得的小电流短路值为I，直流开关负荷侧电压为U，则得到式（3）：

将式（3）代入式（2），推算出Imaxg，改变调节负载，产生一系列电压、电流点（Ui，Ii），运用最小二乘曲线拟合法作解析函数，实现曲线拟合。

3 直流系统保护电器级差配合试验特性分析

3.1 四级直流断路器配置方案

四级直流断路器试验空开的配置见表3。

表3 四级直流断路器试验空开的配置

根据直流断路器设置，其中第三级空开为GMB23M型微型断路器，第四级空开为NDB2Z-63型直流断路器，对第三、四级直流空开进行级差配合测试，级差配合短路校验电流波形1如图2所示。

由图2 可知，开关动作弧前时间为0.77ms，灭弧时间为2.34ms,短路电流为389.3A；实际试验结果是第一、二、三级未脱扣，第四级开关脱扣，未越级跳闸。分析原因是短路电流389.3A达到3A断路器的脱扣条件，但未达到40A断路器的脱扣电流。

图2 级差配合短路校验电流波形1

3.2 三级直流断路器配置方案

三级直流断路器试验空开的配置见表4。

表4 三级直流断路器试验空开的配置

根据以上直流断路器设置，其中第二级空开为GMB25M 型微型断路器，第三级空开为GMB23M型微型断路器，对第二、三级直流空开进行级差配合测试，级差配合短路校验电流波形2如图3所示。

图3 级差配合短路校验电流波形2

由图3 可知，开关动作弧前时间为0.88ms，灭弧时间为1.54ms,短路电流为580.6A；试验结果是第一、二级未脱扣，第三级开关脱扣，未越级跳闸。

3.3 三级直流断路器配置方案分析

根据直流断路器设置，在不隔离充电机的情况下，对第二、三级直流空开进行级差配合测试，级差配合短路校验电流波形3如图4所示。

图4 级差配合短路校验电流波形3

由图4可知，开关动作弧前时间为0.63ms，灭弧时间为1.54ms，短路电流为661.4A；实际试验结果是第一、二级未脱扣，第三级开关脱扣，未越级跳闸。试验结果充分验证了直流系统发生不同短路时，发生动作事故的情况和数据，达到开展该项试验的需要。

4 改造建议

在条件允许的情况下，投入充电机进行直流断路器级差配合试验，可以更加真实地模拟直流系统在故障情况下各级断路器配合情况，更加准确地预估是否会发生断路器越级跳闸的可能性；建议增设远程控制开关，通过远程控制开关控制短路开关，确保试验人员在一定安全距离外进行试验，保证人身安全。

5 结语

本文分析了变电站直流系统各级直流断路器的配置情况，结合各级短路电流计算理论、“小电流预估法”初步判断其是否满足级差配合配置要求，发现直流保护的配置因站而异，应在直流短路电流计算的基础上进行选择，不宜盲目按统一规格进行选择断路器；根据某220kV变电站试验数据分析，验证了直流系统级差配合试验结果不仅与蓄电池组内阻、连接条内阻、连接电缆电阻有关，还与充电机的投退方式有关。试验结果可以准确发现变电站直流系统存在的级差配置不满足规程要求的情况，试验结果与理论计算一致；对试验过程中的不足提出优化建议，为以后开展直流断路器级差配合研究探索提供思路。