小型直流断路器的选择性保护探讨

发布于：2015-06-13 17:49:13 来自：电气工程/断路器 [复制转发]

1 前言
小型直流断路器具有安装维护方便、操作灵活、稳定性高等特点，在电力直流系统中应用已经十分广泛。它担负着继电保护、自动装置、控制操作回路在产生故障电流时的保护作用。
变电站直流系统采用放射形、放射形与环形混合及环形等多种供电方式，保护电器一般为三级或四级级差串联使用。变电站典型三级级差系统为：第一级为蓄电池出口断路器或熔断器，第二级为动力母线和控制母线馈出断路器，第三级为测控保护屏断路器。四级级差系统的第三级为分电屏断路器，第四级为测控保护屏断路器，第一、二级保护电器同三级级差系统。
直流断路器上下级之间的选型正确与否以及是否把直流电源的故障电流限制在最小范围内，关系到电力系统运行的安全，对防止系统破坏、事故扩大和设备损坏极为重要。本文就变电站三级级差系统和四级级差系统利用二段式小型直流断路器的高限流特性和延迟动作特性，来解决现实存在的系统级差配合问题和接线复杂问题，并为用户提供既经济又可靠的直流电源系统保护电器配置方案。
2 存在的各种问题
在直流系统中，因各地供电局对各变电站蓄电池容量的选取、直流屏及测控保护屏供电方式、连接方式和保护重要度等技术要求不同，其分布位置也相应不同，导致导线、导体选取的截面积、长度都不一样，这些因素的差异，都会使回路电阻值产生变化，电阻值的变化使短路电流值也随之产生变化，致使每个站的短路电流都不一样。所以，变电站直流系统的断路器级差配合方案设计，由于上述因素的变化太大，一直没有很好的办法解决。
在调查了一些区域的变电站后得出：馈电屏空开出线端所接导线为４ｍｍ２，此规格导线允许长时间通过的电流要小于２５Ａ.用户为了扩大与测保屏断路器的选择性范围，把馈电屏空开电流规格最大提高到６３Ａ.这在一定程度上能够解决短路保护的选择性问题，但这又带来了过载保护的非选择性问题：开关规格和导线截面积不匹配。这时，当导线出现３６Ａ～７０Ａ电流时，馈电屏空开将不能行使对导线的过载保护，这就造成了导线长时间过载运行，甚至导致线路着火的严重事故。
为满足级差配合的选择性要求，实现上级断路器不误动，或者即使上级误动，也不致于造成事故扩散，现在很多直流系统中馈电屏（或分电屏）上断路器与测控保护屏上断路器采用一对一的供电方式，该方式导致的问题是：每对断路器之间都有二条导线，馈电屏（或分电屏）与测控保护屏之间的距离小则十几米，多则上百米，这些又多又长的导线捆在一起，经过多年的运行使用会产生复杂而又混乱问题，如导线与断路器连接松动；导线的绝缘下降；意外的损伤、动物咬伤；交织在一起的导线隐藏着多路相互短路或电弧放电着火等危害，将会导致测控保护屏全面失电的重大隐患。
还有一种存在隐患的直流系统保护电器的配置方式是：为了跟上级馈电屏或分电屏上的Ｃ型脱扣器特性、１６～３２Ａ的直流小型断路器实现选择性保护，而在测控保护屏选用Ｂ型脱扣器特性、２Ａ～６Ａ的直流小型断路器，此种方式存在着误动的可能。标准ＧＢ１０９６３．２规定，Ｂ型脱扣器特性的短路瞬时动作范围是４～７Ｉｎ.如果测控保护屏中某一回路选用Ｂ２Ａ微型断路器，那么回路中电流只要大于８Ａ，如８．５Ａ，这个断路器瞬时脱扣器就会动作（０．０１ｓ内）。而安装于测控保护屏中的各种装置，因为各自功能不同，特性不同，生产厂家不同，在启机、运行过程中，都有可能产生足够使Ｂ型特性断路器误动作的扰动电流。因此，测控保护屏上的直流微型断路器应选用瞬动脱扣器倍数较大的Ｃ型脱扣器特性（短路瞬时脱扣器动作范围符合７～１０Ｉｎ）。
3 实现级差配合的条件
直流断路器上下级能否实现级差配合，取决于回路中流过的短路电流值及上下级断路器的动作时间差。只有在回路中的短路电流值低于上级断路器的瞬动值，或虽达到了上级断路器的瞬动值但下级断路器先于上级分断的情况下，才能实现断路器间的级差配合。因此，为实现级差配合，一个途径是要实现上下级断路器的动作时间差，另一个途径是要降低回路短路电流值，限流型小定值的直流断路器对降低回路短路值有显著作用，因此最末级小型断路器的限流性能又是整个直流系统实现选择性配合的关键要素。
目前，现场应用的一般为３级限流的进口或国产断路器（现在市场上流通的二段式小型断路器全部为３级限流），存在无选择性配合的问题。其主要原因是：测控屏保护屏及分电屏（或馈电屏）所使用的这些３级限流小型断路器限流能力差，尤其是测控保护屏上的２Ａ～６Ａ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误动。
所以，最根本的措施一是要提高测控保护屏２Ａ～６Ａ断路器的限流性能和分断速度，二要将分电屏和馈电屏上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。这样，上、下级断路器在分断短路电流时，会有一个时间差，并使经测控保护屏上２Ａ～６Ａ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０．６ｍｓ，这样才能保证上级断路器在直流电源系统中不误动和不拒动。
4 ＧＭ５－６３系列小型直流断路器的限流分析
根据众所周知的小型断路器限流特性：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，使短路电流在上升中途，还没有达到预期电流峰值之前而下降，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。ＧＭ５－６３　Ｃ（Ｌ）系列小型断路器在短路电流达到２０００Ａ～４０００Ａ时，使限流系数达到０．０７～０．３２.
以ＧＭ５－６３　Ｃ（Ｌ）型断路器、６Ａ规格为例，根据实际试验数据（用户可参考图1），预期短路电流达到３０００Ａ，而实际被限制的短路电流峰值仅为６９０Ａ，限流系数为０．２３；以ＧＭ５－６３Ｃ（Ｌ）型断路器、４Ａ规格为例。根据实际试验数据（用户可参考图1），预期短路电流为２０００Ａ，而实际被限制的短路电流峰值为４８０Ａ，限流系数为０．２４，限流效果非常明显。
二是级联选择性技术：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２ｍｓ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０．６ｍｓ，；ＧＭ５－６３　Ｃ（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０．８ｍｓ.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，这种时间差，能保证上、下级断路器的短路瞬时脱扣器实现选择性保护。
5 试验验证
根据ＧＭ５－６３Ｃ（Ｌ）快速限流型小型断路器与ＧＭ５－６３Ｃ（Ｈ）延迟动作型小型断路器的限流曲线（见图１）和能量限制曲线（见图２），设置五档回路电阻值，针对不同容量蓄电池组所产生的不同短路电流，做了各级间的短路配合试验，试验结果见表１、表2。
从试验结果可以看出，ＧＭ５－６３Ｃ（Ｌ）小型断路器与ＧＭ５－６３Ｃ（Ｈ）小型断路器间的级差配合，具有极佳的选择性。
6　建议设计方案
在２００Ａｈ、３００Ａｈ、４００Ａｈ、５００Ａｈ、８００Ａｈ直流电源系统中，各级断路器的级差配合方案首先要考虑不误动，不越级误动，二要考虑不拒动，拒动以短路故障保护拒动为最，往往拒动比误动的危害更甚。根据以上试验和论证，对变电站直流系统级差配合提出如下表3和表4的建议。
表2中应注意第二级断路器选用时要注意，当第三级选用普通小型断断路器时，第二级断路器应选用ＧＭ５Ｂ－３２三段保护小型断路器，当下级选用ＧＭ５－６３Ｃ（Ｌ）快速限流小型断路器时，则第二级选用ＧＭ５Ｂ－３２三段保护小型断路器或ＧＭ５－６３Ｃ（Ｈ）延迟动作小型断路器皆可。
从表4可以看出，新站建设和老站改造的情况不尽相同。
（１）新站建设：根据工程有无分电屏的实际情况，用户按照表3和表4的推荐设计方案，就可以实现整个直流系统上、下级保护电器的选择性保护。
（２）老站测控保护屏改造：选用小型直流断路器时，要充分考虑断路器的限流系数和分断速度，还要考虑以后分电屏或馈电屏改造后的选择性保护问题。所以，新的测控保护屏的小型直流断路选用应具有快速动作和极高限流特性，建议采用ＧＭ５－６３Ｃ（Ｌ）快速限流小型断路器。
（３）老站馈电屏或分电屏改造：①如下级测控保护屏上的断路器选用的是一般限流的Ｃ型小型断路器，则新的馈电屏或分电屏应选用ＧＭ５ＦＢ－２５０系列选择性保护塑壳断路器或ＧＭ５Ｂ－３２系列三段保护小型断路器。②如下级测控保护屏上的断路器已经是ＧＭ５－６３Ｃ（Ｌ）快速限流型小型断路器，则新的馈电屏或分电屏应选用ＧＭ５Ｂ－３２系列三段保护小型断路器或ＧＭ５－６３Ｃ（Ｈ）延迟动作小型断路器，就能满足整个直流系统的选择性保护要求。
（４）老站馈电屏、分电屏、测控保护屏只进行断路器的更换：目前部分省/区的馈电屏、分电屏、测控屏上采用的是一般特性的两段保护小型断路器或熔断器，宽度等于或大于３６ｍｍ/２Ｐ，考虑到体积和选择性保护的要求，建议将馈电屏或分电屏上的保护电器更换为ＧＭ５－６３Ｃ（Ｈ）延迟动作小型断路器；测控保护屏上的保护电器更换为ＧＭ５－６３Ｃ（Ｌ）快速限流型小型断路器。
7 结束语
分析直流电源系统的保护问题主要有几个内容需要注意，一是要解决好上、下级断路器短路保护和过载保护的选择性问题；二是要使二次供电回路最精简，减少因电线绝缘破坏问题产生更大的事故的机率；三是要方便现场运行人员对于短路故障点的判断，减少排查故障的时间，实现故障回路的快速重新投运；四是要防止断路器瞬动脱扣器因装置启机或工作时产生的电流扰动而误动的问题；五是要解决好产品体积问题。

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只看楼主我来说两句 抢板凳

十月逍遥沙发

路过,学习了

2019-01-28 16:25:28
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