羅麗佳
(內(nèi)蒙古京泰發(fā)電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)
火電機(jī)組的直流電源系統(tǒng)是電力二次系統(tǒng)的重要組成部分,是控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)和監(jiān)測重要電氣設(shè)備的供電電源,同時(shí)也為廠用重要負(fù)荷直流電動(dòng)機(jī)、UPS裝置、斷路器操作機(jī)構(gòu)、應(yīng)急照明、熱工設(shè)備提供動(dòng)力電源,直流電源系統(tǒng)關(guān)系著整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行安全[1]。2015年6月,河北某發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組檢修階段,人員誤碰造成直流終端斷路器出線側(cè)短路,引起直流終端斷路器、直流分電柜饋線斷路器、直流柜饋線斷路器三級(jí)開關(guān)同時(shí)跳閘,直流斷路器失去選擇性配合,導(dǎo)致直流分電柜失電,給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大隱患。2018年3月,陜西某發(fā)電廠直流終端負(fù)荷側(cè)線路發(fā)生絕緣損壞導(dǎo)致短路,直流終端斷路器由于靈敏性不滿足要求,未及時(shí)分?jǐn)喽搪冯娏髟斐呻娎|絕緣融化,交流竄入直流系統(tǒng),導(dǎo)致機(jī)組跳閘,嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。近年來,直流電源系統(tǒng)故障影響機(jī)組乃至電力系統(tǒng)案例呈現(xiàn)增長趨勢[2-3]。直流電源系統(tǒng)保護(hù)配合要滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性——“四性”基本要求,實(shí)現(xiàn)該動(dòng)作時(shí)不拒動(dòng),不該動(dòng)作時(shí)不誤動(dòng),才能有選擇地可靠快速切除故障從而保護(hù)正確動(dòng)作。
目前,很多電廠及變電站的實(shí)際生產(chǎn)中,僅核對直流斷路器上下級(jí)級(jí)差關(guān)系,開展保護(hù)選擇性配合校驗(yàn)[4-5],并未進(jìn)行系統(tǒng)性保護(hù)配合校驗(yàn),導(dǎo)致直流系統(tǒng)保護(hù)“四性”無法協(xié)調(diào)統(tǒng)一,給現(xiàn)場帶來安全隱患。文獻(xiàn)[6]根據(jù)直流系統(tǒng)短路計(jì)算結(jié)果及斷路器配置,研究了直流系統(tǒng)保護(hù)級(jí)差配合特性,但并未給出保護(hù)配合校驗(yàn)具體方案。文獻(xiàn)[7]提出了采用3種動(dòng)作特性直流斷路器相結(jié)合的選擇性保護(hù)解決方案,但在保護(hù)靈敏度方面并未深入分析。
本文以某300 MW火電機(jī)組直流電源系統(tǒng)配置為基礎(chǔ),通過分析直流系統(tǒng)保護(hù)配置的“四性”要求,結(jié)合直流短路計(jì)算,提出系統(tǒng)性保護(hù)配合校驗(yàn)方案。該方案以檢驗(yàn)直流系統(tǒng)保護(hù)“四性”為目的,對系統(tǒng)短路故障及過負(fù)荷情況下斷路器保護(hù)配合分別進(jìn)行針對性綜合校驗(yàn),規(guī)范化直流系統(tǒng)保護(hù)配合校驗(yàn)流程,有助于直流系統(tǒng)保護(hù)“四性”的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。并結(jié)合實(shí)例計(jì)算對校驗(yàn)方案進(jìn)行論述,對方案的具體實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行重點(diǎn)闡述。
某電廠為內(nèi)蒙古地區(qū)坑口火力發(fā)電廠,一期工程為2臺(tái)300 MW機(jī)組,直流系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[8]。每臺(tái)機(jī)組裝設(shè)3組蓄電池,其中2組采用兩段單母線接線方式對110 V控制負(fù)荷供電,兩段單母線間設(shè)有聯(lián)絡(luò)電器,正常運(yùn)行時(shí)兩段直流母線分別獨(dú)立運(yùn)行;1組采用單母線接線方式對220 V動(dòng)力負(fù)荷供電,2臺(tái)機(jī)組動(dòng)力負(fù)荷直流母線間設(shè)有聯(lián)絡(luò)電器,正常運(yùn)行時(shí)兩段直流母線分別獨(dú)立運(yùn)行。110 V直流電源系統(tǒng)采用集中輻射形和分層輻射形組合供電方式,具有供電距離遠(yuǎn)、負(fù)荷分散、斷路器分級(jí)多、保護(hù)配合復(fù)雜的特點(diǎn);220 V直流電源系統(tǒng)采用集中輻射形單一供電方式,供電距離近、負(fù)荷集中性好、斷路器分級(jí)少、保護(hù)配合簡單[9]。以下以一段110 V直流電源系統(tǒng)為例,開展保護(hù)配合校驗(yàn)分析,系統(tǒng)接線如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)接線
每段110 V直流母線配置1套充電裝置,1套充電裝置包括8臺(tái)高頻開關(guān)電源模塊,高頻開關(guān)電源模塊銘牌參數(shù)見表1。
表1 高頻開關(guān)銘牌參數(shù)Table 1 Parameters of high frequency switch nameplate
每段110 V直流母線配置1組閥控式密封鉛酸蓄電池,每組蓄電池包含單體2 V蓄電池共計(jì)52個(gè),蓄電池組銘牌參數(shù)見表2。
表2 蓄電池組銘牌參數(shù)Table 2 Parameters of battery pack nameplate
每段110 V直流母線均采用集中輻射形和分層輻射形組合供電方式向控制負(fù)荷供電,供電方式如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)供電方式
直流系統(tǒng)保護(hù)電器分為熔斷器和斷路器兩種,熔斷器熔體存在元件老化、環(huán)境因素影響大、熔斷時(shí)間分散性大、安秒特性曲線不易于測試、保護(hù)配合難度大等問題,相比之下直流斷路器具有更加穩(wěn)定完善的保護(hù)特性,易于實(shí)現(xiàn)保護(hù)配合和性能測試。近年來,直流斷路器逐漸取代熔斷器成為直流電源系統(tǒng)的主要保護(hù)電器[10]。從圖1和圖2可以看出,該廠110 V直流電源系統(tǒng)在蓄電池組出口回路、放電回路、充電裝置直流側(cè)回路、直流饋線回路均裝設(shè)相應(yīng)直流斷路器作為保護(hù)電器,110 V直流電源系統(tǒng)各回路直流斷路器配置情況見表3。
表3 直流斷路器配置情況Table 3 Configuration of DC circuit breaker
負(fù)荷終端柜以保護(hù)柜、測控柜、高低壓配電柜為主,由于各負(fù)荷盤柜生產(chǎn)廠家、負(fù)荷類型不同,負(fù)荷終端柜采用的直流終端斷路器型號(hào)也不盡相同。根據(jù)現(xiàn)場控制負(fù)荷實(shí)際統(tǒng)計(jì)情況,直流終端斷路器額定電流不大于6 A,均采用標(biāo)準(zhǔn)型B型直流斷路器。
針對電纜過負(fù)荷運(yùn)行造成的電纜過熱損壞,直流斷路器配置反時(shí)限長延時(shí)保護(hù);針對直流系統(tǒng)短路故障,直流斷路器配置瞬時(shí)保護(hù)和短延時(shí)保護(hù),各級(jí)斷路器保護(hù)動(dòng)作特性見表4。
表4 直流斷路器動(dòng)作特性Table 4 Active characteristics of DC circuit breakers
繼電保護(hù)配置應(yīng)滿足“四性”基本要求,這一點(diǎn)對于交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)都是相同的,要滿足這一要求,應(yīng)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、保護(hù)配置、設(shè)備制造、整定計(jì)算、運(yùn)維管理等方面進(jìn)行統(tǒng)籌考慮[11]。開展直流系統(tǒng)保護(hù)配合校驗(yàn)工作就是對保護(hù)電器“四性”進(jìn)行檢驗(yàn),保障直流電源系統(tǒng)安全可靠平穩(wěn)運(yùn)行。
繼電保護(hù)“四性”是保護(hù)正確動(dòng)作的基礎(chǔ),同時(shí)相互之間又存在互相制約關(guān)系。在現(xiàn)場實(shí)際中,常常遇到選擇性與靈敏性、選擇性與速動(dòng)性的矛盾,有必要開展直流系統(tǒng)保護(hù)配合校驗(yàn)工作,實(shí)現(xiàn)保護(hù)電器“四性”統(tǒng)一協(xié)調(diào)。
可靠性,即不誤動(dòng)、不拒動(dòng)。性能可靠、質(zhì)量優(yōu)良的直流斷路器作為保護(hù)電器在直流系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上配置完善、合理的保護(hù)方案,從而有效保障保護(hù)電器可靠性能。
靈敏性,保護(hù)對故障的反應(yīng)能力。校驗(yàn)每級(jí)直流斷路器在規(guī)定保護(hù)范圍內(nèi)的靈敏度,保證線路發(fā)生過載或短路故障均能有效反應(yīng)。
選擇性,故障元件的保護(hù)切除故障,將故障影響范圍限制在最小。合理整定直流斷路器定值,保證直流系統(tǒng)中任一點(diǎn)發(fā)生過載或短路,各級(jí)直流斷路器均能正確動(dòng)作,不發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。
速動(dòng)性,盡可能快速切除故障。直流斷路器切除異?;蚬收蠒r(shí)間應(yīng)滿足電纜發(fā)熱要求,保證保護(hù)電器速動(dòng)性。
直流系統(tǒng)保護(hù)配合校驗(yàn),就是從保護(hù)配置、定值整定、靈敏度、電纜配合等方面開展校驗(yàn)工作,實(shí)現(xiàn)保護(hù)“四性”統(tǒng)一協(xié)調(diào),滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。
直流系統(tǒng)短路計(jì)算是開展直流系統(tǒng)保護(hù)配合校驗(yàn)工作的依據(jù),是實(shí)現(xiàn)保護(hù)“四性”統(tǒng)一協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)[12]。與交流系統(tǒng)不同,直流系統(tǒng)短路計(jì)算僅計(jì)及元件的電阻分量,為簡化計(jì)算,計(jì)算電壓采用系統(tǒng)標(biāo)稱電壓,并計(jì)及充電裝置助增電流,對蓄電池短路電流計(jì)算進(jìn)行技術(shù)處理和數(shù)據(jù)調(diào)整,計(jì)算式如下:
式中:Ik為回路短路電流;Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓;n為蓄電池個(gè)數(shù);rb為蓄電池內(nèi)阻;r1為蓄電池間連接條電阻;∑RL為蓄電池至短路點(diǎn)電纜電阻之和;∑RZK為蓄電池至短路點(diǎn)斷路器觸頭電阻之和。
短路點(diǎn)的選取是直流系統(tǒng)短路計(jì)算至關(guān)重要的一步,根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、保護(hù)配置合理確定短路點(diǎn)位置,是開展直流系統(tǒng)保護(hù)配合校驗(yàn)工作的前提。結(jié)合該廠110 V直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置,短路點(diǎn)設(shè)置如圖3所示,通過將短路點(diǎn)設(shè)置在各級(jí)斷路器安裝處及各段直流母線上,以滿足保護(hù)靈敏性和選擇性校驗(yàn)需要。
圖3 短路計(jì)算網(wǎng)絡(luò)
圍繞直流斷路器瞬時(shí)保護(hù)和短延時(shí)保護(hù)開展直流系統(tǒng)短路保護(hù)靈敏性及選擇性校驗(yàn)工作,具體校驗(yàn)方法如下:
1) 直流斷路器應(yīng)根據(jù)保護(hù)范圍內(nèi)相應(yīng)短路點(diǎn)短路電流進(jìn)行靈敏性校驗(yàn),以保證在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路時(shí)保護(hù)可靠動(dòng)作,靈敏系數(shù)計(jì)算式如下:
式中:KL為靈敏系數(shù);Ik為回路短路電流;ID為斷路器瞬時(shí)保護(hù)或短延時(shí)保護(hù)動(dòng)作電流。要求KL不宜低于1.05,從而確保保護(hù)可靠動(dòng)作。
2) 選擇性校驗(yàn)包括兩個(gè)方面:一方面,上下級(jí)直流斷路器靈敏性應(yīng)配合,即上級(jí)斷路器保護(hù)的保護(hù)范圍應(yīng)比下級(jí)斷路器保護(hù)的保護(hù)范圍短,且上級(jí)斷路器瞬時(shí)保護(hù)范圍不應(yīng)延伸至下級(jí);另一方面,在動(dòng)作時(shí)間方面,下級(jí)保護(hù)范圍內(nèi)上級(jí)斷路器動(dòng)作保護(hù)的短延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于下級(jí)斷路器動(dòng)作保護(hù)全分?jǐn)鄷r(shí)間,兩者必須做到完全配合才能滿足選擇性要求。
完成各級(jí)保護(hù)電器短路靈敏性及選擇性校驗(yàn)后,還需校核各級(jí)斷路器與相應(yīng)電纜之間匹配情況,針對短路故障和系統(tǒng)過負(fù)荷分別開展校驗(yàn)分析。
1) 校核各級(jí)斷路器短路保護(hù)與相應(yīng)電纜截面配合情況,判斷短路保護(hù)速動(dòng)性是否滿足配合要求,計(jì)算式如下[13]:
(1)
式中:t為電纜溫升允許時(shí)間;k為導(dǎo)體溫度系數(shù),對于直流系統(tǒng)采用的交聯(lián)聚氯乙烯電纜取143;S為電纜截面;Ik為短路電流;T為短路故障時(shí)斷路器動(dòng)作保護(hù)全分?jǐn)鄷r(shí)間。
2) 校核各級(jí)斷路器反時(shí)限長延時(shí)保護(hù)與相應(yīng)電纜載流量配合情況,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)過負(fù)荷情況下保護(hù)“四性”的檢驗(yàn),計(jì)算式如下[14]:
(2)
式中:IB為回路計(jì)算電流;In為斷路器額定電流;Iz為電纜持續(xù)載流量;I2為斷路器約定時(shí)間內(nèi)可靠動(dòng)作電流。
斷路器保護(hù)配合校驗(yàn)工作以檢驗(yàn)直流系統(tǒng)保護(hù)“四性”為目的,結(jié)合直流系統(tǒng)短路計(jì)算,具體校驗(yàn)方案如下:
1) 根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及保護(hù)配置情況,查找統(tǒng)計(jì)各元件電阻數(shù)據(jù),確定系統(tǒng)短路點(diǎn)位置,計(jì)算直流系統(tǒng)短路電流。
2) 根據(jù)短路計(jì)算結(jié)果,結(jié)合各級(jí)斷路器動(dòng)作特性,校驗(yàn)各級(jí)斷路器在靈敏度、定值整定方面配合情況,確保斷路器靈敏性和選擇性滿足要求。
3) 校核各級(jí)斷路器與相應(yīng)電纜截面之間是否滿足匹配要求,確保在線路短路故障及過負(fù)荷引起的電纜溫升造成損害前,直流斷路器保護(hù)能夠及時(shí)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作與電纜承受能力相配合。
4) 對整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)配置進(jìn)行總結(jié)評價(jià),檢驗(yàn)保護(hù)配置是否合理、完善,確保保護(hù)可靠實(shí)現(xiàn)該動(dòng)作時(shí)不拒動(dòng)、不該動(dòng)作時(shí)不誤動(dòng)。
結(jié)合該廠110 V直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及保護(hù)配置情況,進(jìn)行斷路器保護(hù)配合校驗(yàn)。
根據(jù)圖3所示的110 V直流電源系統(tǒng)短路計(jì)算網(wǎng)絡(luò)圖,做出相應(yīng)的短路計(jì)算電阻圖,見圖4。
圖4 短路計(jì)算電阻
圖4中,r為52只110 V、400 A·h蓄電池雙連接條軟連接方式的綜合內(nèi)阻;RL1為電纜L1的電阻,L1取60 m;R13ZK為13ZK斷路器的觸頭電阻;R14ZK為14ZK斷路器的觸頭電阻;R17ZK為17ZK斷路器的觸頭電阻;RL2為電纜L2的電阻,集中輻射形負(fù)荷供電距離相近,L2取平均距離120 m;R18ZK為18ZK斷路器的觸頭電阻;R17′ZK為17′ZK斷路器的觸頭電阻;RL3為電纜L3的電阻,分層輻射形負(fù)荷各分電柜供電距離相差較大,為控制電纜壓降在(3%~5%)Un范圍內(nèi),不同供電距離采用不同截面電纜,回路電阻相差不大,L3取60 m;R18′ZK為18′ZK斷路器的觸頭電阻;RL4為電纜L4的電阻,L4取平均距離50 m;R19′ZK為19′ZK斷路器的觸頭電阻。
r=n×(rb+r1)=52×(0.33+0.019 1)=
18.153 mΩ
RL1=0.018 4×2×60/(150×2)=7.36 mΩ
R13ZK=0.2×2=0.4 mΩ
R14ZK=0.2×2=0.4 mΩ
R17ZK=6.8×2=13.6 mΩ
RL2=0.018 4×2×120/10=441.6 mΩ
R17′ZK=1.7×2=3.4 mΩ
RL3=0.0184×2×60/35=63.1 mΩ
R18′ZK=18×2=36 mΩ
RL4=0.0184×2×50/4=460 mΩ
根據(jù)短路計(jì)算電阻圖,結(jié)合系統(tǒng)各元件電阻數(shù)據(jù),對各短路點(diǎn)的短路電流進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表5。
根據(jù)表5直流系統(tǒng)短路計(jì)算結(jié)果,結(jié)合各級(jí)斷路器動(dòng)作特性,校驗(yàn)各級(jí)斷路器在靈敏性、選擇性方面配合情況,針對集中輻射形和分層輻射形供電方式分別開展校驗(yàn)工作,對于充電回路、放電回路、聯(lián)絡(luò)回路參考集中輻射形負(fù)荷線路校驗(yàn)過程。
1) 集中輻射形負(fù)荷供電方式下,各短路點(diǎn)短路時(shí)保護(hù)動(dòng)作配合情況見表6。根據(jù)表6可以看出,集中輻射形負(fù)荷供電方式下,在斷路器安裝處及各段母線短路時(shí),斷路器13ZK、14ZK、17ZK、18ZK均能有效動(dòng)作反應(yīng),可靠保護(hù)本線路全長,并與下級(jí)保護(hù)有良好配合關(guān)系,下級(jí)保護(hù)范圍內(nèi)上級(jí)斷路器動(dòng)作保護(hù)的短延時(shí)時(shí)間均大于下級(jí)斷路器動(dòng)作保護(hù)全分?jǐn)鄷r(shí)間,保護(hù)電器的靈敏性、選擇性滿足配合要求。為便于系統(tǒng)運(yùn)行方式切換,蓄電池組出口設(shè)置了兩組斷路器13ZK、14ZK,兩組斷路器在系統(tǒng)短路故障下跳閘的作用是相同的,考慮到兩者電氣距離較短和短路故障快速切除的需要,將兩組斷路器保護(hù)整定一致,不再增加時(shí)間級(jí)差,起到雙重化保護(hù)作用。
表5 直流系統(tǒng)短路電流Table 5 Short circuit current in DC system
2) 分層輻射形負(fù)荷供電方式,各短路點(diǎn)短路時(shí)保護(hù)動(dòng)作配合情況見表7。
根據(jù)表7可以看出,分層輻射形負(fù)荷供電方式下,在斷路器安裝處及各段母線短路時(shí),斷路器13ZK、14ZK、17′ZK、18′ZK、19′ZK均能有效動(dòng)作反應(yīng),可靠保護(hù)本線路全長,并與下級(jí)保護(hù)有良好配合關(guān)系,下級(jí)保護(hù)范圍內(nèi)上級(jí)斷路器動(dòng)作保護(hù)的短延時(shí)時(shí)間均大于下級(jí)斷路器動(dòng)作保護(hù)全分?jǐn)鄷r(shí)間,保護(hù)電器的靈敏性、選擇性滿足配合要求。
統(tǒng)計(jì)各段直流電纜與斷路器配合參數(shù)見表8,結(jié)合上述各級(jí)斷路器保護(hù)全分?jǐn)鄷r(shí)間,代入計(jì)算式(1)、(2)進(jìn)行校核,各級(jí)斷路器與相應(yīng)電纜滿足匹配要求。系統(tǒng)各點(diǎn)短路時(shí)斷路器全分?jǐn)鄷r(shí)間不超過電纜溫升允許時(shí)間,保護(hù)速動(dòng)性滿足要求;線路過負(fù)荷引起的電纜溫升造成損害前,直流斷路器長延時(shí)保護(hù)將分?jǐn)噙^負(fù)荷電流,實(shí)現(xiàn)對電纜的有效保護(hù)。
表6 集中輻射形保護(hù)配合Table 6 Protection coordination of concentrated radiation
表7 分層輻射形保護(hù)配合Table 7 Protection coordination of layered radiation
表8 直流電纜與斷路器配合參數(shù)Table 8 Coordination parameters of DC cable and circuit breaker
該110 V直流電源系統(tǒng)保護(hù)配置采用“3+2”方式,即直流終端斷路器采用二段式保護(hù),上級(jí)斷路器均采用三段式保護(hù)配置,構(gòu)成整個(gè)直流系統(tǒng)元件的全方位保護(hù)。通過上述校驗(yàn)可知,該保護(hù)方案配置可靠性好,能夠?qū)崿F(xiàn)上下級(jí)斷路器保護(hù)間選擇性、速動(dòng)性和靈敏性的良好配合,保證線路在發(fā)生過負(fù)荷及短路故障時(shí)均有相應(yīng)保護(hù)及時(shí)動(dòng)作,將故障范圍限制在最小,保障整個(gè)直流系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運(yùn)行。
直流電源系統(tǒng)保護(hù)電器配置滿足“四性”要求對于整個(gè)直流系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行有著重要意義。在某電廠300 MW火電機(jī)組直流電源系統(tǒng)配置基礎(chǔ)上,通過分析直流系統(tǒng)保護(hù)的“四性”要求,結(jié)合直流系統(tǒng)短路計(jì)算,提出了系統(tǒng)性保護(hù)配合校驗(yàn)方案,并將方案運(yùn)用到該電廠110 V直流電源系統(tǒng)中進(jìn)行斷路器保護(hù)配合實(shí)例校驗(yàn),對系統(tǒng)短路故障及過負(fù)荷情況下保護(hù)配置的可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性分別進(jìn)行針對性綜合校驗(yàn)。重點(diǎn)闡述了方案具體實(shí)現(xiàn)過程并進(jìn)行總結(jié)評價(jià),實(shí)現(xiàn)了直流系統(tǒng)保護(hù)配合校驗(yàn)流程規(guī)范化,有助于直流系統(tǒng)保護(hù)“四性”的統(tǒng)一協(xié)調(diào),為同類機(jī)組開展直流電源系統(tǒng)保護(hù)配合校驗(yàn)工作提供參考依據(jù)。