國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司益陽(yáng)供電分公司 湯俊 向潔 鐘智輝

國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院 歐陽(yáng)帆 臧欣

1 引言

隨著電力系統(tǒng)逐漸向智能化、超高壓的方向發(fā)展，電力工程必須具備更安全、更穩(wěn)定的控制電源。目前直流電源已成為電力系統(tǒng)不可缺少的供電電源[1]。發(fā)電廠(chǎng)和變電站直流饋電系統(tǒng)是以樹(shù)型的形式存在，從蓄電池到站內(nèi)的供電裝置，是由直流斷路器構(gòu)成每級(jí)配電的保護(hù)電器。因?yàn)樯?、下兩?jí)直流斷路器的保護(hù)動(dòng)作特性不匹配，如果下級(jí)用電設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)使上一級(jí)直流斷路器發(fā)生越級(jí)跳閘[2-3]。因此，直流系統(tǒng)保護(hù)電器級(jí)差配合是否正確，直接關(guān)系直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，影響變電站的運(yùn)行可靠性。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文根據(jù)湖南地區(qū)某變電站直流系統(tǒng)斷路器配置的級(jí)差選擇和組合方式，對(duì)直流斷路器進(jìn)行了級(jí)差配合試驗(yàn)的探討。本文主要是針對(duì)某220kV 變電站220V 直流系統(tǒng)進(jìn)行分析，介紹了直流系統(tǒng)保護(hù)電器級(jí)差配合試驗(yàn)的短路電流原理和配置選擇的原則，結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了其試驗(yàn)特性，給出改造建議，為湖南地區(qū)開(kāi)展直流斷路器級(jí)差配合研究探索了可以借鑒的方法。

2 直流系統(tǒng)保護(hù)電器級(jí)差配合計(jì)算原理及選取原則

2.1 典型220kV變電站直流系統(tǒng)保護(hù)配置

變電站直流系統(tǒng)由充電裝置、蓄電池組、絕緣檢測(cè)裝置、饋線(xiàn)屏、分電屏等設(shè)備構(gòu)成。某220kV變電站直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，某220kV 變電站直流系統(tǒng)保護(hù)配置見(jiàn)表1。

表1 某220kV變電站直流系統(tǒng)保護(hù)配置

圖1 某220kV變電站直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流系統(tǒng)采用輻射型網(wǎng)絡(luò)，由饋線(xiàn)屏、分電屏分3～4 級(jí)向負(fù)載提供電流。如果變電站直流系統(tǒng)不存在分電屏，那么整站只分為3級(jí)向負(fù)載供電。

2.2 直流系統(tǒng)保護(hù)電器各級(jí)短路電流計(jì)算原理

直流屏和各級(jí)配電裝置保護(hù)電器的選擇由廠(chǎng)家提供定型產(chǎn)品的性能指標(biāo)決定。不同廠(chǎng)家的保護(hù)電器、不同容量的電池都將影響直流系統(tǒng)的短路電流。根據(jù)直流短路電流計(jì)算式（1）可以計(jì)算出各種容量直流系統(tǒng)的短路電流：

式（1）中，IDK為斷路器安裝處短路電流（A）；U0為斷路器開(kāi)路電壓（V）；n 為蓄電池?cái)?shù)量；rb為蓄電池組內(nèi)阻（Ω）；∑ri為蓄電池組連接條或?qū)w內(nèi)阻；∑rj為蓄電池至斷路器連接電纜內(nèi)阻之和；∑rk為斷路器觸頭電阻之和。

根據(jù)查找各處電纜的型號(hào)和長(zhǎng)度，計(jì)算相應(yīng)的電纜電阻，計(jì)算出各級(jí)短路電流，某220kV變電站直流系統(tǒng)各級(jí)短路電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 某220kV變電站直流系統(tǒng)各級(jí)短路電流計(jì)算結(jié)果

根據(jù)直流斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，C 型斷路器的脫扣電流為額定電流的7～15 倍，B 型斷路器的脫扣電流為額定電流的4～7 倍。由表2 可知，220kV 變電站第四級(jí)低壓斷路器處短路電流為122A；第三級(jí)保護(hù)電器額定值為25A。因此，第三、四級(jí)保護(hù)動(dòng)作值大概率能配合。220kV變電站第三級(jí)低壓斷路器處短路電流范圍為280～422A；第二級(jí)保護(hù)電器額定值為40～80A。因此，第二、三級(jí)保護(hù)動(dòng)作值能夠配合。220kV 變電站第二級(jí)低壓斷路器處短路電流范圍為494～899A；第一級(jí)保護(hù)電器額定值為500A。因此，第一、二級(jí)保護(hù)動(dòng)作值能夠配合。通過(guò)結(jié)果分析，某220kV變電站直流斷路器在上下級(jí)選擇能夠配合。

2.3 “小電流預(yù)估法”計(jì)算原理

直流系統(tǒng)直接短路會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)很大的沖擊，其短路電流可能使設(shè)備受損。為了更好地保護(hù)設(shè)備和蓄電池組，運(yùn)行設(shè)備時(shí)采用“小電流預(yù)估法”預(yù)估其短路電流?！靶‰娏黝A(yù)估法”是通過(guò)在短路點(diǎn)串入電阻負(fù)載，算出電源二次回路的等效電阻，利用最小二乘曲線(xiàn)擬合方法估算出實(shí)際短路電流。

設(shè)Imaxg為短路電流，r為直流回路等效電阻，E為蓄電池開(kāi)路電動(dòng)勢(shì)，QF1和QF2為上級(jí)和本級(jí)直流斷路器。此時(shí)短路電流按照式（2）計(jì)算：

當(dāng)直流電源末端直流斷路器負(fù)荷側(cè)外接電阻負(fù)載r 時(shí)，設(shè)此時(shí)測(cè)得的小電流短路值為I，直流開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)電壓為U，則得到式（3）：

將式（3）代入式（2），推算出Imaxg，改變調(diào)節(jié)負(fù)載，產(chǎn)生一系列電壓、電流點(diǎn)（Ui，Ii），運(yùn)用最小二乘曲線(xiàn)擬合法作解析函數(shù)，實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)擬合。

3 直流系統(tǒng)保護(hù)電器級(jí)差配合試驗(yàn)特性分析

3.1 四級(jí)直流斷路器配置方案

四級(jí)直流斷路器試驗(yàn)空開(kāi)的配置見(jiàn)表3。

表3 四級(jí)直流斷路器試驗(yàn)空開(kāi)的配置

根據(jù)直流斷路器設(shè)置，其中第三級(jí)空開(kāi)為GMB23M型微型斷路器，第四級(jí)空開(kāi)為NDB2Z-63型直流斷路器，對(duì)第三、四級(jí)直流空開(kāi)進(jìn)行級(jí)差配合測(cè)試，級(jí)差配合短路校驗(yàn)電流波形1如圖2所示。

由圖2 可知，開(kāi)關(guān)動(dòng)作弧前時(shí)間為0.77ms，滅弧時(shí)間為2.34ms,短路電流為389.3A；實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果是第一、二、三級(jí)未脫扣，第四級(jí)開(kāi)關(guān)脫扣，未越級(jí)跳閘。分析原因是短路電流389.3A達(dá)到3A斷路器的脫扣條件，但未達(dá)到40A斷路器的脫扣電流。

圖2 級(jí)差配合短路校驗(yàn)電流波形1

3.2 三級(jí)直流斷路器配置方案

三級(jí)直流斷路器試驗(yàn)空開(kāi)的配置見(jiàn)表4。

表4 三級(jí)直流斷路器試驗(yàn)空開(kāi)的配置

根據(jù)以上直流斷路器設(shè)置，其中第二級(jí)空開(kāi)為GMB25M 型微型斷路器，第三級(jí)空開(kāi)為GMB23M型微型斷路器，對(duì)第二、三級(jí)直流空開(kāi)進(jìn)行級(jí)差配合測(cè)試，級(jí)差配合短路校驗(yàn)電流波形2如圖3所示。

圖3 級(jí)差配合短路校驗(yàn)電流波形2

由圖3 可知，開(kāi)關(guān)動(dòng)作弧前時(shí)間為0.88ms，滅弧時(shí)間為1.54ms,短路電流為580.6A；試驗(yàn)結(jié)果是第一、二級(jí)未脫扣，第三級(jí)開(kāi)關(guān)脫扣，未越級(jí)跳閘。

3.3 三級(jí)直流斷路器配置方案分析

根據(jù)直流斷路器設(shè)置，在不隔離充電機(jī)的情況下，對(duì)第二、三級(jí)直流空開(kāi)進(jìn)行級(jí)差配合測(cè)試，級(jí)差配合短路校驗(yàn)電流波形3如圖4所示。

圖4 級(jí)差配合短路校驗(yàn)電流波形3

由圖4可知，開(kāi)關(guān)動(dòng)作弧前時(shí)間為0.63ms，滅弧時(shí)間為1.54ms，短路電流為661.4A；實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果是第一、二級(jí)未脫扣，第三級(jí)開(kāi)關(guān)脫扣，未越級(jí)跳閘。試驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了直流系統(tǒng)發(fā)生不同短路時(shí)，發(fā)生動(dòng)作事故的情況和數(shù)據(jù)，達(dá)到開(kāi)展該項(xiàng)試驗(yàn)的需要。

4 改造建議

在條件允許的情況下，投入充電機(jī)進(jìn)行直流斷路器級(jí)差配合試驗(yàn)，可以更加真實(shí)地模擬直流系統(tǒng)在故障情況下各級(jí)斷路器配合情況，更加準(zhǔn)確地預(yù)估是否會(huì)發(fā)生斷路器越級(jí)跳閘的可能性；建議增設(shè)遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)控制短路開(kāi)關(guān)，確保試驗(yàn)人員在一定安全距離外進(jìn)行試驗(yàn)，保證人身安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了變電站直流系統(tǒng)各級(jí)直流斷路器的配置情況，結(jié)合各級(jí)短路電流計(jì)算理論、“小電流預(yù)估法”初步判斷其是否滿(mǎn)足級(jí)差配合配置要求，發(fā)現(xiàn)直流保護(hù)的配置因站而異，應(yīng)在直流短路電流計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇，不宜盲目按統(tǒng)一規(guī)格進(jìn)行選擇斷路器；根據(jù)某220kV變電站試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了直流系統(tǒng)級(jí)差配合試驗(yàn)結(jié)果不僅與蓄電池組內(nèi)阻、連接條內(nèi)阻、連接電纜電阻有關(guān)，還與充電機(jī)的投退方式有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)變電站直流系統(tǒng)存在的級(jí)差配置不滿(mǎn)足規(guī)程要求的情況，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算一致；對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的不足提出優(yōu)化建議，為以后開(kāi)展直流斷路器級(jí)差配合研究探索提供思路。