配电系统断路器选型浅谈——级差配合

1关于蓄电池直流电源系统短路电流计算及自动空气断路器的选择一、前言：近几年，随着我国电力事业的飞速发展，新建和扩建的厂、站大量增加，尤其是城农网改造；直流电源系统的设备也得到了前所未有的发展和提高，阀控蓄电池和直流断路器得到了广泛采用，其使用范围、场合以较快的速度增长，设备的总体健康状况和技术水平得到了较大的提高，安全运行和节能环保得到了进一步好转和改善；但是存在的问题仍然不能忽视，务必引起各级领导高度重视，不然会造成严重的后果。尤其是在城农网改造时，注重了一次设备和二次保护装置的更新改造、而忽视了直流电源系统设备及网络的更新改造，尤其是直流供电网络的更新改造；目前运行中直流电源系统采用的保护电器是多型号、多厂家、多组合的被动局面，这给直流电源系统的保护级差配合带来了一定的难度。一旦级差配合不满足要求、失去动作选择性，其后果不堪设想。二、造成目前直流系统级差不配合的主要原因和解决的措施：一）、级差配合问题的主要原因及复杂性1、接线复杂。原则上应该简化接线即蓄电池接单母线运行辐射供电。但是目前的控制合闸母线环行供电；硅降压，闪光母线不变的情况下，强制将熔断器改为直流断路器级差配合是十分复杂的，短路电流无法计算，控母合母馈线合用断路器，控母闪光合用断路器无法整定瞬动脱扣器等一系列问题没有很好解决。2、交流或交直流两用断路器应用在直流电源中，其降容能力，临界分断能力，没有产品数据，试验证明交流断路器的分断能力仅为直流断路器的分断能力的1/5~1/8，额定电流分断直流电流弧光引起烧坏触头现象经常发生，全分断时间的不确定性，也是级差配合中成为难题。23、熔断器保护由于特性的不稳定性，受温度和湿度影响较大，而且和接触松紧及熔片是否经受过大电流冲击损伤有关，有经验的单位在现场运行规程明确规定定期检查或更换、短路发生后必须更换合格产品。一是随着变电站无人值班的发展，熔断器因自身结构的限制熔断后不能报警，不满足运行要求；二是目前保护成套厂已不再采用熔断器均为直流断路器。建议运行单位积极创造条件进行改造。4、熔断器和直流断路器混装且品牌不成系列，安秒特性的不完善也给级差配合带来困难。5、直流电源负荷侧的成套继电保护和自动装置保护电器是由成套厂选用，往往是从供电可靠性出发，而不按满足最大负荷电流的选择原则，选用了较大额定电流的保护电器，并且有多路供电的要求。这给直流电源馈线保护电器的选择和级差配合出了难题。6、短路电流计算和实测的复杂性，蓄电池内阻是动态的，计算中无法取得准确值，回路电阻值包括断路器内阻以及限流性能（断路器分断时的电弧限流，熔断器承受冲击电流使熔片改变特性的限流等）都给短路电流计算带来困难，因此脱扣器的整定和灵敏度检验也十分困难。7、不同保护电器有不同的保护特性和离散特性，例如直流断路器瞬动脱扣电流按制造标准规定：直流微型断路器为7~15In，塑壳断路器为8~12In，短路电流大小也对断路器的全分断时间有一定分散性。8、直流电源设备投运前的安装调试中，也不进行任何保护级差配合的调试工作。二）、相关标准的规定31、DL/T5644~2004《电力工程直流系统设计技术规程》6.1保护规定采用直流断路器或熔断器1.熔断器在上而直流断路器在下时，熔断器为直流断路器额定电流的2倍及以上。2.直流断路器上而熔断器在下时，直流断路器额定电流应为熔断器额定电流的4倍及以上。7.5规定了直流断路器选择原则；经受冲击电流的安全性，级差配合，断流能力、选择性+灵敏度计算见附录E。7.6规定了熔断器选择原则；隔离电器、报警触点、断流能力、级差配合2、DL/T459-2000《电力系统直流电源柜订货技术条件》5.3.2.4直流断路器、熔断器应具有安一秒特性曲线，上下级应大于2级的配合级差。5.3严禁使用交流断路器，交直流断路器应满足开断直流回路短路电流和动作选择性要求。3、DL/T724-2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护规程》5.3.9C）按图验收按图更换4、国电发[2000]589号《防止电力生产重大事故的25项重点要求》20．防止枢纽变电所全停电事故；要求2组蓄电池，3台充电装置直流母流分段运行，每段母线应分别蓄电池供电，母线设联络断路器，正常运行处于断开位置。直流熔断器应按有关规定分级配置，加强直流熔断器的管理，对直流熔断器应采用合格的产品，防止因直流熔断器4在正常熔断而扩大事故。23．防止全厂停电事故；要求加强蓄电池和直流系统（含逆变电源）……的维修。5、国家电网公司十八项电网重大反事故措施：13.2.2、加强直流系统熔断器的管理，防止越级熔断：13.2.2.1、各级熔断器的定值整定应保证级差的合理配合。上、下级熔体之间（同一系列产品）额定电流值，应保证2～4级级差，电源端选择上限，网络末端选择下限。13.2.2.2、为防止事故情况下蓄电池组总熔断器无选择性熔断，该熔断器与分熔断器之间，应保证3～4级级差。13.2.3、加强直流系统用直流断路器的管理：13.2.3.1、新、扩建或改造的变电站直流系统用断路器应采用具有自动脱扣功能的直流断路器，不应用普通交流断路器替代。在用直流系统用断路器如采用普通交流开关的，应及时更换具有自动脱扣功能的直流断路器。13.2.3.2、当直流断路器与熔断器配合时，应考虑动作特性的不同，对级差做适当调整，直流断路器下一级不应再接熔断器。6、国家电网公司直流电源系统管理规范《直流电源系统技术标准》：5.3.2.2直流回路中严禁使用交流空气断路器；当使用交直流两用空气断路器时，其性能必须满足开断直流回路短路电流和动作选择性的要求。5.3.2.5直流空气断路器、熔断器应具有安－秒特性曲线，上下级应大于2级的配合级差，并动作选择性的要求。5.3.2.6直流电源系统中应防止同一条支路中熔断器与空气断路器混用，尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。5防止在回路故障时失去动作选择性。《直流电源运行规范》第十二条运行管理（8）直流熔断器和华侨断路器应采用质量合格的产品，其熔断体或定值应按有关规定分级配置和整定，并定期极性核对，防止因其不正确动作而扩大事故。（9）直流电源系统同一条支路中熔断器与空气断路器不应混用，尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。防止在回路故障时失去动作选择性。严禁支路回路使用交流空气断路器。《直流电源系统技术监督》第二十七条应加强直流系统熔断器的管理，熔断器应按有关规定分级配置。一个厂、站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一厂家系列产品。自动空气断路器使用前应进行特性和动作电流抽查。同一条支路上直流熔断器或自动空气断路器不应混合使用，尤其不能在自动空气断路器之后（下级）再使用熔断器。直流电源系统各级熔断器或自动空气断路器的选择必须保证级差配合合理，防止越级跳闸。不同厂家的产品混用，由于动作特性的分散性，有可能失去动作选择性。所以，一个厂、站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一厂家系列产品。空气断路器与熔断器混合保护的级差配合比较困难，由于无时限的空气断路器的脱扣速度基本不随电流的大小变化，而熔断器的动作具有反时限特性。无论空气断路器安装在熔断器之前或之后，总在某些短路电流值范围内会失去动作选择性。因此，应尽量避免这种组合保护方式。尤其不能在自动空气断路器之后（下级）再使用熔断器，这样，级差配合更加困难。《预防直流电源系统事故措施》6第十一条直流系统熔断器应分级配置，上下级熔体应满足选择性配合要求。一个站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一制造厂系列产品。使用前宜进行安秒特性和动作电流抽检，同一条支路上的空气开关和熔断器不宜混合使用。直流回路中采用空气自动空气断路器时，必须选用合格的直流空气断路器，严禁采用交流空气断路器。对已经采用的，必须安排更换。7、上述规定和要求究竟其原因何在，为什么要作这样规定？1）、严禁在直流电源系统中采用交流或交直流两用断路器，是因为其分断能力和灭弧能力都不能满足直流的要求，试验和运行实践都证明了交流断路器的分断能力仅为直流断路器的分断能力的1/5～1/8，额定电流分断时、直流电弧引起烧坏触头现象时有发生，全分断时间的不确定性，也是级差配合中的难题。2）、熔断器保护特性由于不稳定、熔断时间分散性大，温度和湿度对其影响较大，而且和接触松紧及熔片是否经受过大电流冲击有无损伤等因素有密切关系，尤其是在大电流冲击后特性会发生变化；所以很多基层运行单位都作出这样规定：熔断器在经受大电流冲击后必须进行检查或更换及运行中应定期进行检查或更换制度。另外随着变电站无人值班的发展，熔断器因自身结构的限制熔断后不能报警，不满足运行要求；二是目前保护成套厂已不再采用熔断器均为直流断路器。建议运行单位积极创造条件进行改造。3）、熔断器和直流断路器混合使用不成系列，一个是反时限动作原理、一个是定时限动作原理；安秒特性的不完善也给级差配合带来难题，不宜采用。尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。熔断器RM10、RTO保护特性详见图1、图2。我们现用熔断器RM10和直流断路器GM32组合在一起，按断路器+熔断器、熔断器+断路器方式、在短路故障发生时，看其动作结果如何？详见下表：7保护电器位置保护电器短路故障发生短路故障发生类型额定电流短路电流动作时间动作结果短路电流动作时间动作结果末断（下级）断路器66*10＝606ms动作正确1506ms动作正确上级熔断器15602.5s未动正确1500.3s不动正确末断（下级）熔断器6600．2.5s动作正确25018ms未动不正确上级断路器2525*10＝2506ms不动正确2506ms动作越级熔断器与断路器组合后有以下几个特征：（1）、回路故障电流在断路器额定电流10In以下的过载情况时，熔断器熔断时间与断路器动作时间均处于过载保护范围，由其动作曲线决定，不同的熔断器与不同的断路器组合其动作结果是不一致的，同样会出现误动越级现象。（2）、回路短路电流在断路器额定电流10In以上的短路电流情况时，断路器动作时间比熔断器熔断时间快。如果熔断器在下级、上级断路器就会先动作，就出现了误动。（3）、无论空气断路器安装在熔断器之前或之后，总在某段短路电流值范围内会失去动作选择性。因此，应尽量避免这种组合保护方式。尤其不能在自动空气断路器之后再使用熔断器，这样，级差配合更加困难。4）、断路器和断路器组合使用时，由于不同系列的断路器其过载反时限特性和短路瞬时脱扣特性不同，级差配合和选择性应很难满足要求。IEC60898、GB10963.2标准规定脱扣特性为：B型4～7倍额定电流、C型7～15额定电流，不同厂家生产的断路器选用的短路瞬时脱扣标准不同，组合在一起就有很大的差异，往往很难匹配、不能满足动作选择性的要求，原则上应选用同一制造厂家的系列产品。85）、所以在直流技术监督的规定中明确指出：无论采用何种保护电器，原则上应选用同一制造厂家的系列产品，因为不同厂家的产品混用，由于动作特性的分散性，有可能失去动作选择性。所以，一个厂、站的断路器或熔断器原则上应选用同一厂家系列产品；使用前应进行安秒特性和动作电流的抽检工作。6）级差配合事故不断出现，直流电源已经影响了电力系统的安全运行，不应只从标准中找解决方法，而应该根据具体情况做些工作，近年北京、浙江、河北（石家庄）、广州、湖南等研究成果并不公开发表，同时可操作性也并不完善。上海、吉林、山西等仍在研究中，地区级的级差配合研究以及数个发电厂进行设备改造工程也使用一些试验研究（如直接短路）方案。但研究成果尚没有纳入上述标准之中。三）、统一认识问题1、蓄电池直流电源应该是在蓄电池寿命期中长期浮充运行的可靠设备，长期开路或不用倒是有问题的。不存在一组运行一组备用的概念。仅考虑蓄电进行核对性放电时的解决办法（例如配合主设备检修，50%容量放电减少停用时间，临时用一组蓄电池替代供电等）。2、设计规程规定发电厂总容量为100mw上和重要的110kv变电所，宜装或可装2组蓄电池，这种特定的电力工程也不解释为一组运行一组备用的概念。3、蓄电池直流电源系统接线，元件选择的原则是满足交流事故全停电的1h（2h）