无人值班变电站直流电源断路器全选择性配置及遥控开关配置研究

吴 蕾

（国网河南能源互联网电力设计院有限公司，河南 巩义 450007）

0 引 言

在国内外常见的变电站直流电源系统中，各级馈线断路器均为短路瞬时脱扣+过载长延时型2 段式保护类型。为实现上下级配合，主要方法是降低下级断路器的额定电流或提高上级断路器的额定电流，来增加2 级断路器间的级差，即在下级馈线上出现短路时，使其短路电流值处于下级断路器的瞬时动作电流值范围内，同时处于上级断路器的长延时动作电流值范围内。下级断路器可快速动作切除故障，故障持续时间未到达上级断路器延时动作时间，因此上级断路器未跳闸并且返回。此配置有一定的局限性，如在下级馈线电缆较短、故障点较近的情况下，故障电流较大，有可能同时处于上下级断路器的瞬时动作电流值范围内，无论怎么提高2 级断路器间的级差，仍会出现上下级同时瞬时跳闸的情况，导致失去选择性，扩大停电范围[1,2]。

本文根据变电站直流电源系统的具体接线结构，提出一种断路器及遥控开关的配置方案，可在较短时间内隔离故障、恢复供电，适用于无人值班变电站。

1 变电站直流电源断路器的全选择性配置

目前，常见的电力工程直流电源系统均采用辐射供电方式，保护电器一般为3 级或4 级串联使用。第1 级为蓄电池出口断路器或熔断器；第2 级为直流主馈屏至直流分馈屏的断路器；第3 级为直流主馈屏及分馈屏微型断路器；第4 级为末端负荷（保护、测控屏）中的微型断路器。

为保持与下级断路器的级差配合，1 级和2 级断路器不宜瞬时跳开，带短延时跳开即可，既满足了级差配合需要，又不至于延时过长烧毁系统内某些电器。另外，常见的直流电源系统经常采用熔断器作为蓄电池出口保护电器，主馈屏中的2 级回路断路器要求与熔断器完成级差配合，因此需要使用与熔断器类似动作曲线的断路器产品。

1.1 具有熔断器反时限动作曲线的2 段式保护断路器

国内某厂创新研发的GM5FB 系列断路器满足了上述需求。与常见的2 段式保护断路器平直的一段动作曲线不同，GM5FB 的Ⅰ段动作曲线为反时限型，与熔断器动作曲线类似。GM5FB 与熔断器的动作曲线如图1 所示，横轴为短路电流/额定电流倍数，纵轴为跳闸延时时间。其中Ⅰ段动作曲线为反时限型曲线，当故障电流值在2 条曲线交叉点左侧范围内时，均可实现级差配合。

图1 GM5F 与熔断器的动作曲线

GM5FB 的实际动作曲线如图2 所示。

图2 GM5FB 断路器的动作曲线

GM5FB 系列断路器分为GM5FB-250（63～250 A）和GM5FB-800（315 ～800 A）2 个壳架等级，前者适用于第2 级回路断路器，后者适用于蓄电池出口等第1 级大电流回路。

GM5FB 的Ⅰ段保护动作曲线具有熔断器的反时限特性，有着良好的限流能力和延时动作功能，在第1 级回路选择较大额定电流的断路器，在第2 级回路选择较小额定电流的断路器。通过Ⅰ段保护的反时限动作特性，在很高的短路电流下，上、下级断路器的动作时间差仍足够大，可有效实现级差配合。

1、2 级均配置GM5FB 时，配合曲线如图3 所示。其横坐标为短路电流数值、纵坐标为动作时间。图3中左边的曲线为第2 级回路断路器（额定电流In2相对较小），右边曲线为第1 级回路断路器（额定电流In1相对较大）。2个断路器的Ⅰ段动作曲线均为反时限型。在第2 级断路器出口出现短路时，2 台断路器流过相同的短路电流，第2级断路器延时较短（30 ms）先动作，第1 级断路器延时较长（60 ms），在第2 级动作之后返回，实现了级差配合[3]。

图3 1 级、2 级均配置GM5FB 时的配合曲线

1.2 第3、4 级回路断路器上下级配合原理

1.2.1 常规2 段式及3 段式保护断路器配合原理

对于直流电源系统末端第3 级和第4 级的微型断路器，现有方案存在无选择性配合的问题，其主要原因是直流分屏（或直流主屏）以及末端负荷所使用的微型断路器限流能力较差，尤其是末端负荷屏内的2 ～6 A 断路器限流能力差，不能有效降低回路短路电流。同时上下级同型断路器动作时间相同，在回路短路电流达到上级断路器动作值时，上下级同时动作形成的停电范围扩大。

第3、4 级采用2 段式保护断路器时，根据第1节的分析，存在失去选择性、扩大停电范围的问题。常见的解决方案是在第3 级采用3 段式保护断路器，如GM5B40，其Ⅱ段保护采用短延时脱扣器。在第4级断路器下游（末端负荷屏内）出现短路时，其短路电流落在GM5B40 的Ⅱ段保护电流值范围内（短延时动作），且同时在下级断路器的Ⅰ段保护电流值范围内（瞬时动作），下级可以先动作，短路电流消失后上级返回，实现级差配合。但如果馈线电缆较短，短路电流较大，超过GM5B40 的Ⅱ段保护动作值，其进入Ⅰ段保护动作值范围，出现上下级断路器同时瞬时动作的情况，仍然会失去配合，扩大停电范围。

1.2.2 2 段式快速限流型及延迟动作型保护断路器配合原理

要解决测控保护屏上的2 ～6 A 断路器限流能力差导致上级保护断路器易误动的问题，一要提高测控保护屏2 ～6 A 断路器的限流性能和分断速度；二要将直流分屏和主馈电屏上末级直流断路器的短路瞬时脱扣器动作倍数阈值加大，使其延迟动作，从而使上、下级断路器在分断短路电流时有一个时间差，并使经测控保护屏上2 ～6 A 断路器限流分断以后的短路电流超过上一级断路器瞬时脱扣器动作阈值的维持时间不超过0.6 ms，才能保证上级断路器不误动和不拒动。

国内某厂创新研制了GM5-63C（L）快速限流型和GM5-63C（H）延迟动作型小型直流断路器。GM5-63C（L）快速限流型断路器具有极高的限流性能，在分断短路电流时可以在上级断路器对短路电流做出反应之前将短路电流迅速分断。与之相配合的上级GM5-63C（H）延迟动作型小型直流断路器，内置延迟动作脱扣器，将C（H）断路器动作时间延后，使下级的C（L）型断路器有充分的时间先动，如果切除故障，上级C（H）型断路器返回，如果未切除故障，说明故障点在C（L）断路器上游，由C（H）型断路器跳开。

GM5-63 系列微型断路器厂家通过采用以下技术来实现此型断路器的级差配合。（1）根据微型断路器的限流特性，断路器的反向斥力触头在通过大的短路电流时，触头间产生电动斥力，限制了短路电流，并且断路器动作速度很快（短路电流越大脱扣速度越快），触头迅速分断，使短路电流在上升过程中还未达到预期电流峰值之前就开始下降，最终被完全熄灭。即断路器在短路电流上升过程中，具有“截断”电流的能力。GM5-63C（L）系列微型断路器采用超级限流技术，在短路电流达到2 000 ～4 000 A 时，使限流系数达到0.07 ～0.32。以额定电流为6 A 的GM5-63C（L）型断路器为例，根据实际试验数据，预期短路电流达到3 000 A，而实际被限制的短路电流峰值仅为690 A，限流系数为0.23。而4 A 规格限流系数为0.24，限流效果非常明显。（2）GM5-63C（L）系列小型直流断路器采用快速分断技术，使用一种新型机构，使断路器全分断时间被控制在2 ms 以内，经其分断限流以后的短路电流超过上一级断路器瞬时脱扣器动作阈值的维持时间不超过0.6 ms。GM5-63C（H）采用大行程的瞬时脱扣器技术，使电流上升到其瞬动脱扣器动作阈值时间加上瞬时脱扣器的空行程总时间控制在大于0.8 ms。这种级联技术在上、下级断路器短路瞬时脱扣器之间存在着动作分断时间差，可保证上、下级断路器的短路瞬时脱扣器实现选择性保护。

通过GM5-63C（L）和GM5-63C（H）这2 款断路器的绝佳配合，能满足直流电源系统对微型断路器的限流以及选择性保护的要求。厂家根据GM5-63C（L）与GM5-63C（H）断路器的限流曲线和能量限制曲线做了各级间的短路配合试验，根据其实验结果，变电站内3、4级微型断路器的推荐配置方案如下。选用额定电流为25/32 A 的GM5-63C（H）型微型断路器作为直流主馈屏/分馈屏中的馈线断路器（三级），选用额定电流为2/3/6 A 的GM5-63C（L）型微型断路器作为最末端负荷屏内各装置分电用微型断路器（4 级）[4]。

2 各级开关遥控功能配置

以常见的2 蓄电池、3 充电机的500 kV 变电站为例，直流电源系统每段主馈母线可由本段母线充电装置和备用充电装置供电，蓄电池仅连接至本段主馈母线，2 段母线通过分段隔刀连接。直流分馈屏的母线Ⅰ和母线Ⅱ分别由主馈母线Ⅰ和主馈母线Ⅱ供2 路电，其中馈线出口配置GM5FB 型断路器，分馈屏进线配置隔刀。

分馈屏及主馈屏的末级馈线均为单线，无备用回路。为直流系统主馈屏母线进线、分段、至分馈屏的断路器以及分馈母线进线隔刀安装电操机构，通过一体化电源监控系统实现遥控控制，可实现故障隔离功能。电操机构的安装方式如图4 所示。

图4 电操机构的安装方式

500 kV 变电站直流电源系统接线较为复杂，故障隔离功能情况较多，举例说明如下。如图5 所示，在直流主馈屏至分馈屏的电缆上发生短路后，QF3断路器跳闸，分馈屏I 母失电，运行人员通过遥控，将分馈屏进线隔刀QS1打开，隔离故障点，再将QF4断路器和分馈屏隔刀QS2遥控闭合，在较短时间内实现恢复供电。主馈母线进线和分段开关通过遥控也可以实现设备故障断电后短时恢复供电的功能，过程类似。

对于末级馈电线路的断路器来说，末级负荷（测控、保护屏）仅有一路供电回路，即使实现遥控也无法实现切换电源和恢复供电的功能。重要电力设备、线路均采用双重化保护屏，其供电采用来自不同直流母线的2 路独立电源，无须遥控切换。对于某些具有2 路电源切换的测控屏，在电源馈线短路时断路器跳开后不再影响电源切换，相当于自动隔离短路点，因此无须实现遥控功能。末级馈线由于数量众多，增加遥控电操机构会导致每个馈线屏内的馈线数量大幅减少，需要更多的馈线屏，占地面积增加，影响房间布置。根据上述分析可知，末级馈线断路器无须实现遥控功能[5]。

图5 直流电源系统典型接线

3 结 论

本文根据变电站直流电源系统的具体接线结构，分析各级断路器的配合情况，结合工程实际，在蓄电池回路（第1 级）配置熔断器或具有熔断器特性的2 段式保护遥控型断路器GM5FB，第2 级仍配置GM5FB 型断路器；在下级直流分屏的进线开关，采用不带保护功能的遥控型隔刀；在下级直流分屏的馈线断路器，采用GM5-63C（H）型微型断路器；在末端负荷，配置GM5-63C（L）型微型断路器。

本文还提出为关键断路器、隔刀配置电操机构，通过一体化电源监控实现遥控功能，在出现短路故障断路器跳闸后，可在较短时间内隔离故障，恢复供电。通过实现直流电源系统保护断路器全选择性配合和遥控主备回路开关，可缩小停电范围，隔离故障，恢复供电，有利于无人值班变电站的安全稳定运行。