基于直流系统空气开关级差配合的研究

基于直流系统空气开关级差配合的研究

发表时间：2018-06-22T09:52:41.040Z 来源：《电力设备》2018年第4期作者：严雄

[导读] 摘要：本文针对电力直流系统的安全需求进行分析，并就空气开关的相应特性进行了研究，进而探究了其中级差配合的主要问题，提出了解决相应问题的措施。

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安 710000）

摘要：本文针对电力直流系统的安全需求进行分析，并就空气开关的相应特性进行了研究，进而探究了其中级差配合的主要问题，提出了解决相应问题的措施。

关键词：直流系统；空气开关；级差配合

引言

电力直流系统在电力网络中主要扮演的角色就是为电力设备提供控制、保护、信号、操作电源，因此如果直流系统发生失灵，就会对电力设备造成很大的影响，在电力系统发生故障时，保护因失去直流电源将拒动，断路器因失去控制电源将不能跳闸切除故障，强大的故障短路电流将烧毁变压器等一次设备，将造成变电站设备严重损坏或发生火灾爆炸事故，将可能导致电网瓦解大面积停电等极为严重的事故。因此直流系统的安全、可靠与否直接影响着电网的安全稳定运行。

1直流系统与空气开关的特性分析

直流系统中需要配置各种空气开关来作为直流回路的保护，当该回路发生过载或短路故障时，空气开关采用励磁原理与热效应结合脱扣后断开故障电流，从而对回路连接导体起到短路和过载的保护作用。在变电站内，直流系统因为供电负载较多，采用点对点辐射式供电，因此回路较多。一般一个直流网络中有许多支路需要设置空气开关来进行保护，并往往分成三至四级来串联，这就存在着直流空气开关选型和动作值是否合适及上下级之间是否具有选择性保护配合的问题。正确配置空气开关，防止越级跳闸扩大直流系统停电范围，对直流系统的安全运行意义重大，因此正确配置直流系统空气开关与电网的安全可靠运行也息息相关。空气开关即为低压断路器，结构类型包括塑料外壳式和框架式两种。空气开关主要由触头、脱扣器、灭弧系统、自由脱扣机构和操作机构构成，能够自动分段电路中过载情况、短路故障以及欠电压等不正常运行状态，当出现过载时，过载电流和空气开关动作时间成反比，当短路时，空气开关能够快速将故障切除;当系统需要不频繁地起动电动机和接通、分断电路时，空气开关也可以实现。在低压交、直流配电系统中，它起到很重要的保护作用。直流短路电流不像交流电流有过零的特征，熄灭电弧的能力比交流差，因此，直流空气开关的开断距离要比交流开关的开断距离大。为了增强其灭弧能力，在开关的灭弧槽内增加了恒定的磁场，在灭弧室内，该磁场和直流电弧相互作用，提高了电弧的熄灭能力，因此，直流空气开关有正负极性之分，连接电路时不能接反。在灭弧原理上交流断路器和直流空气开关不一样，如果接入直流回路中不能安全、可靠地熄灭直流电弧，上下级越级动作的情况很容易发生。

2级差配合存在的主要问题

2.1交直流空气开关混用

交、直流空气开关的燃弧及熄弧过程不同。在直流系统中，额定值相同的交、直流空气开关开断直流电源的能力并不完全一样，因此用交流空气开关代替直流空气开关或交、直流空气开关混用是保护越级误动的主要原因之一。空气开关瞬时动作采用磁脱扣原理，判据为故障时空气开关内通过的电流大小。空气开关标定的额定值为有效值，而交流电的峰值高于有效值，在相同定值下，在直流回路中交流空气开关实际额定值高于直流空气开关。另外，因交流空气开关与直流空气开关灭弧原理不同，交流空气开关用于直流回路不能有效、可靠地熄灭直流电弧，容易造成上级越级动作。

2.2空气开关质量及特性问题

各空气开关厂家及设计手册提供的级差配合是按同一型号、同熔体材料确定上、下级差，从而保证满足保护选择性的。当回路中有不同类型的空气开关时，空气开关之间的级差配合更应引起高度重视。同时，由于目前低压电器生产厂家较多，不能完全保证产品质量，所以即使同一厂家、同一型号的空气开关，其特性也有一定的分散性。

2.3直流系统存在复杂性

目前生产直流空气开关的厂家和公司有:西门子、ABB、梅兰日兰(1:32H)、施耐德、德力西及北京人民电器厂等多家企业。空气开关的保护动作是靠计算故障电流来完成的，所以我们必须搞清直流电源系统有关各短路点的短路电流值；而直流电源系统又由于相关参数复杂，不确定因素之诸多，目前各设计院、成套厂或运行单位均不可能精确计算出各有关短路点的实际短路电流值，因此给空气开关的选择和级差配合以及空气开关灵敏度系数计算校验带来相当大的困难。

3解决直流系统空气开关级差配合问题的探讨

为了解决直流电源系统空气开关保护级差配合及满足动作选择性的要求，部分制造厂或运行单位往往采用加大空气开关上、下级额定电流之间的级差来满足选择性的要求，这是很不科学的，靠加大级差是有限制的，一般情况下为2-4级，而不是无限制的，在某些情况下加大级差对直流回路保护是不利的，尤其是电源端和负载端。假如为了满足保护级差配合和动作选择性的要求，将空气开关的额定电流随意加大级差，当发生故障，其故障电流达不到空气开关故障瞬时动作电流值，就只能靠空气开关过载长延时保护来实现空气开关脱扣，这样长时间通过故障电流会造成直流系统严重过载或短路等后果。同样直流电源系统最末端的保护即负载端也不能随意加大空气开关的额定电流，应按照规程有关规定来选择空气开关的额定电流。如果空气开关的额定电流大于用电设备的实际电流时，在回路发生故障时将会失去动作的选择性，造成拒动后果不堪设想。电网最末端的保护一般配置额定电流为较小的空气开关。解决直流电源系统空气开关保护级差配合及满足动作选择性的要求，有两个途径:一是靠动作电流配合(级差配合);二是靠动作时间(短延时保护关两者必须有机、合理地选择及配置，才能最大限度地实现直流电源系统选择性的要求。一般情况下，蓄电池出口、直流屏和分电屏选择三段保护空气开关，其短延时保护时间分别选择60, 30, 10毫秒，负载端应选择两段保护空气开关。

4目前电网直流系统级差配合存在的问题及对策

为了适应新电力工程直流设计技术规程有关规定，使变电站直流系统中空气开关级差配置满足选择性保护的要求，深入掌握变电所直流系统中空气开关的配置方案，对直流电源系统中存在的交流空气开关我们利用检修机会已经逐步予以更换，对直流系统同一支路存在熔断器与空气开关混用现象，我们也将逐步撤销回路中的熔断器。例如电源与负荷之间距离较远，熔断器撤销会存在保护死区，我们将加装