直流电源保护电器级差配合

一、概述
当前由阀控式密封铅酸蓄电池,高频开关整流器或微机型晶闸管整流器,直流电源监控装置,直流断路器或熔断器构成的直流电源系统,已经成为电力系统发电厂、变电所不可缺少的必要装备。

直流电源在电力工程和电力系统安全生产中的作用以及直流电源各个环节的可靠性不再论述。

现仅将直流电源保护电器级差配合的有关问题,论述如下:
二、背景资料
蓄电池在直流电源系统的应用也有50多年历史,基本上是采用刀开关+熔断器的配电系统,接线上也多采用端电池调节,控制和合闸母线,以及环形供电,熔断器保护理论上在大于1.6倍In的级差配合的条件下应该是可靠的,运行维护上只是一个定期更换同一厂家熔断器即可,那时的人们也十分重视熔断器的安秒特性曲线。

30多年前国外成套引进了一批发电设备(前苏联除外)直流电源已全部采用了断路器(如陡河、大港、姚孟等电厂)。

国内工程接受HIS、XML等电厂因蓄电池出口熔断器接触不良,或已熔断,当交流失电时,直流母线也失去浮充电源而失电引起继电保护和自动装置失电,高压断路也无法工作,进而引起主设备烧坏的重大事故,采用加强浮充电检测和更换为带有报警信号触点的熔断器的办法,是当时的反措重点。

上世纪80年代已采用交流断路器和高分断能力的交流熔断器,90年代中期又大量采用交直流两用断路器和直流断路器,近年来又因直流断路器瞬动电流不易整定又大量采用熔断器或与断路器混装。

具体情况是蓄电池出口害怕断路器瞬动脱扣误动。

要求拆除瞬动脱扣或要求一定要装熔断器。

直流母线进出线保护电器,从便于安装和操作方便的需要,也从刀开关+熔断器方案改为断路器,由于安装处短路电流差别不大,断路器瞬动脱扣器的整定重视不够。

负荷侧(指成套保护装置,高压断路器等)的直流电源保护电器,大多数成套厂配置为熔断器;但近年来,各成套厂和高压断路器厂也多更换为不同品牌的直流断路器或交流或交直流两用断路器。

上述情况,造成了直流电源配电系统的保护
级差配合问题显现出来了。

三、级差配合问题的复杂性
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形供电;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。

3、熔断器保护由于特性的不稳定性,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,必须定期更换合格产品。

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O
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。

四、相关标准的规定
1、DL/T5044~2004《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。

7.6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。

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。

2、国电发[2000]589号《防止电力生产重大事故的25项重点要求》
10.防止汽轮大轴弯曲,轴瓦烧损事故要求直流电源系统应有足够容量其各级熔断器应合理配置防止故障时熔断器熔断而失电。

13.防止继电保护事故要求保证继电保护操作电源的可靠性O
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,防止因直流熔断器不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。

3、国网公司文件反措:
11.规定上下级熔体应满足选择性配合要求,一个站原则上选用同一制造厂系列产品,同一支路空气开关和熔断器不宜混用,严禁采用交流空气断路器。

技术标准:
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。

断路器熔断器具有安秒特性曲线,上下级大于2级配合级差,并应满足选择性。

防止混装,尤其不应在空气断路器的上级使用熔断器。

4、DVT459-2000《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、DL/T724-2∞0《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。

上述标准的理解和执行尚有不完善和困难之处。

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,近年的研究成果尚没有纳入上述标准之中。

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。

五、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充放时的解决办法(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及
以上和重要的11OKV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)内直流负荷的需要,供
电必需可靠,不能有任何直流电源停电现象,更不能越级停直流电源。

4、设计规程规定的允许2组蓄电池短时并联,是指切换过程中的短时有条件的并联。

同时规定了不允许任何支路馈线形成的并联。

理解为可能出现的误操作和避免不可控制的环流。

5、根据有关规定:双重化的要求是除了继电保护和高压断路器跳闸线圈外,蓄电池直流电源、也应该是双重化配置。

但供电电缆可由直流接地检测和短路保护检出故障,不需双重化。

因此简化接线,辐射供电是正确设计。

总之,蓄电池直流电源应该长期可靠运行,不设备用。

所有参数均按交流事故停电1h(2h)时间内直流负荷的需要选择,保证可靠供电。

2组蓄电池的短时并联只能在直流母线进行。

双重化配置应包括蓄电池直流电源,但不包括馈线电缆。

简化接线辐射供电。

六、级差配合的解决办法
1、简化直流电源接线,从蓄电池到负荷2~3级最好,最多不应超过4级,当然取消控母合母分设,取消硅降压,闪光独立供电按规程取消保护,取消环形供电改辐射供电O
2、新设计的工程,应按设计规程的规定进行。

3、现有工程,找出共同点和不放心的配置方案,做些具体试验研究工作,重点解决如下问题。

一一蓄电池出口保护要计算短路电流,正确选择保护电器。

一一直流母线进线和出线之间的级差(短路电流基本一样)。

一一直流电源末级与直流负荷当出现直流负荷有并联支路时需要解决。

一一各类保护器件内阻和限流特性O
一一短路电流的计算值(予期值)与:实测值的关系
一一各种保护电器的动作特性。

4、统一选用全系列熔断器,级差配合是比较方便的,但装直流隔离电器和馈线宜装辅助报警触点的要求有一定困难。

定期维护更换的工作也很难做。

5、直流断路器过载长延时保护和熔断器一样,级差配合容易选择。

但短路瞬动脱扣整定的级差配合有一定困难,用短路电流校验灵敏度其结果可能有两种情况。

一是短路电流大,灵敏度高>1.25而按额定电流选择的直流断路器有越级可能,设计规程要求提高上级直流断路器额定电流,一些单位也有采用将上级直流断路器拆除瞬动脱扣器的办法,或者要厂家提高瞬动脱扣整定值的办法,近来用这种办法的人少了,主要是订货非标的麻烦。

另一种是短路电流小,灵敏度〈1.25,这种情况主要是因为蓄电池容量小或系统回路电阻大,这种情况也有要求降低瞬动脱扣整定值的办法或认真根据负荷电流减小额定电流的选择,否则瞬动脱扣不具备保护能力。

6、短路电流相近的上下级直流断路器,或一路上级给多分支下级供电时。

其上级选用具有短路短延时特性的直流断路器。

当短路发生在下一级的直流断路器的负荷侧时,上级断路器工作在短延时的范围内,在下级断路器将短路故障切除后,上级断路器可以从动作状态自动返回到工作状态,避免了越级误动。

并不是任何短路电流下均不动作,当短路电流太大时(大于60In或以上)还是要瞬动的,这是直流断路器耐受能力的需要。

实际上这种情况在实用中是不会出现的。

[所谓具备三段式保护的直流断路器即具有过载长延时+短路短延时(10、30、60ms)+短路瞬时的保护特性。

直流断路器具有短路短延时的功能和继电保护中的延时速断保护有相同之处。

]
7、智能脱扣器是按逻辑关系实现级差配合,目前还不具备商业化市场产品。

8、限流型断路器是利用当短路电流发生时,利用断路斥力及弧阻快速限制短路电流的方法,比较容易的实现级差配合,避免了上级断路器的越级误动作。

目前尚没有权威部门的检测数据,因而应用领域还不成熟。

小结:直流电源保护电器的选择,首先要研究各种保护电器的特性,然后从系统上研究级差配合的问题,加强运行维护的管理,达到安全运行的目的。

因而是一个应该重视和必需解决的问题。