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直流系统断路器和熔断器级差配合研究与应用

在直流回路中,熔断器、断路器是直流系统各出线过流和短路故障主要的保护元件,可作为馈线回路供电网络断开和隔离之用,其选型和动作值整定是否适当以及上下级之间是否具有保护的选择性配合,直接关系到能否把系统的故障限制在最小范围内,这对防止系统破坏、事故扩大和主设备严重损坏至关重要。因此,加强熔断器、 断路器选择及配置的准确性,对提高电力系统运行的安全可靠性具有重要意义。

 

  1 级差配合存在的主要问题

 

  由于变电站直流系统供电内容多,回路分布广,在一个直流网络中往往有许多支路需要设置断路器或熔断器进行保护,并往往分成三级或四级串联,这就存在着正确选择保护方案和保护上下级之间的配合问题。

 

  1.1 交直流断路器混用

 

  由于交、直流的燃弧及熄弧过程不同,额定值相同的交直流断路器开断直流电源的能力并不完全一样,用交流断路器代替直流断路器或交、直流断路器混用是保护越级误动的主要原因之一。

 

  断路器瞬时动作采用磁脱扣原理,判据为通过的电流峰值,断路器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,在直流回路中交流断路器实际额定值高于直流断路器。另外,因交流断路器与直流断路器灭弧原理不同,交流断路器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。

 

  1.2 熔断器质量及参数问题

 

  各生产厂家提供的熔断器技术数据是在产品型式试验时得到的,且校验熔断器的分断能力是在交流电源周期分量有效值下做的,熔体动作选择配合特性曲线也是交流安秒特性曲线。这与变电站直流系统发生短路故障时的实际情况有一定差距。

 

  各熔断器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,从而保证满足选择性的,当回路中有不同类型的熔断器时,熔断器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、同一型号的熔体,其参数也有一定的分散性。

 

  1.3 上、下级间的额定值级差选择不当

 

  熔断器采用热效应原理,而断路器是磁效应与热效应相结合,安秒特性曲线不同,配合级差也不同。对于断路器之间、断路器与熔断器之间的级差配合不应照搬熔断器间的配合规定。

 

  2 熔断器、直流断路器级差配置现场试验

 

  为了适应新颁DL/T5044-2003《电力工程直流设计技术规程》(以下简称设计规程)有关规定,验证变电站直流系统中断路器和熔断器几种典型的级差配置方案是否满足选择性保护的要求,探索直流断路器之间的级差配合、直流断路器与熔断器的配合及其上下级之间的选择配置,选择了石家庄供电公司所辖变电站直流系统中部分直流断路器、熔断器的典型保护级差配合方案进行了现场试验,并对具备延时功能的三段式直流断路器也进行了试验验证,确认了实现选择性保护的配合条件。

 

  2.1 短路电流的选取

 

  按照直流断路器及熔断器安装现场可能出现的较大短路电流,将试验元件串联安装进行短路试验。为保证试验电流高于现场可能出现的较大短路电流,增加了适当裕度,短路电流选取结果为:

 

  a.300 Ah200 Ah蓄电池组,对于合闸馈出线电缆短路故障,短路电流选2 000 A

 

  b.100 Ah蓄电池组,对于合闸馈出线电缆短路故障,短路电流选1000 A

 

  c.控制、保护回路末端熔断器或直流断路器出口短路,短路电流选200 A

 

  2.2 试验方案及结果

 

  经对变电站直流系统安装使用的保护电器进行调查,按照设计规程有关规定,确定出熔断器—熔断器、断路器—熔断器、熔断器—断路器、断路器—断路器412项试验方案。试验结果见表1

 

  2.3 结果分析

 

  2.3.1 熔断器—熔断器

 

  设计规程要求:如果装设熔断器的型号和各熔件材料相同,为保证选择性,必须使电路中相邻两级熔断器熔件的额定电流的级差至少相差两级。

 

  本次试验的前提是选取了同厂、同型号、同批次的产品。因其具有相同的安秒特性,两级级差的配合,在短路电流达到上级的1030倍范围内,均正 确动作,表现出良好的配合特性。石家庄供电公司曾对变电站直流回路的熔断器进行了统一更换,具备此项试验的现场条件。

 

  2.3.2 断路器—熔断器

 

  设计规程要求:断路器下一级可装设熔断器作为保护电器,断路器的额定电流应大于熔断器的额定电流4倍及以上。

 

  此项试验结果与设计规程相吻合。

 

  但此项试验的前提是短路电流为上级额定电流的89倍,刚进入上级断路器的速断区,如果短路 <--→参考文献CH(开始)-->电流增大到一定值时,按照参考文献[2]中的试验结果,上、下级会同时动作,造成越级。因此,在工程应用中,除断路器的额定电流应大于熔断器的额定电流4倍及以上外,还应核定较大短路电流不应超过上级断路器额定电流的10倍。

 

  2.3.3 熔断器—断路器

 

  此项试验条件严于设计规范,熔断器的额定电流大于断路器额定电流的1.6倍。试验结果与设计规范相吻合。

 

  但此项试验的短路电流是上级熔断器额定电流的1213倍,因此:

 

  a.蓄电池出口熔断器因按照蓄电池1 h放电容量并加大一级选择,其较大短路电流在此范围内,能够与下一级断路器配合,不必核定较大短路电流。

 

  b.如用于回路下级,因熔断器的熔断速度随短路电流增加而加快,而断路器的脱扣速度基本不变,在短路电流大到一定程度时,二者动作接近而造成越级。参考文献[2]的试验结果也证实了此点。

 

  因此,在工程应用中,除断路器的额定电流应大于熔断器的额定电流4倍及以上外,还应核定较大短路电流不超过上级断路器额定电流的1012倍。

 

  2.3.4 直流断路器—直流断路器

 

  2.3.4.1 两段式直流断路器

 

  两段式直流断路器在短路电流是上级开关额定电流的810倍范围、45级级差配合下,正确动作,配合良好。

 

  但如果短路电流达到或超过上级断路器额定电流的10倍时,上下级断路器均进入速动区,同时动作,造成越级跳闸。

 

  另外,因塑壳式直流断路器的固有动作时间高于微型断路器,因此上级配塑壳断路器、下级配微型断路器的配合,其具备选择性的短路电流值要高于同型配合,据国内有关试验,其选择性极限电流延伸到约为20倍左右的上级额定电流。

 

  2.3.4.2 三段式直流断路器

 

  三段式直流断路器,上级为三段式,下级为两段式或三段式直流断路器时,级差为2级,在短路电流为上级断路器额定电流的2540倍范围均正确动作。

 

  设计规程对三段式直流断路器的级差配合未做规定。从试验结果看,由于上级断路器短延时时间大于下级断路器全分断时间,上级短延时能够返回,因此可以实现小级差配合,而且不须考虑短路电流的影响,能够适应设计规程关于直流分电屏设计方案中多级配合的要求。

 

  3 直流系统保护方案选择建议

 

  3.1 熔断器—熔断器配合

 

  应选用正规生产厂家同厂、同型号的产品,可方便地用于对变电站原有熔断器的统一更换工作。但对于新建站,由于熔断器均为设备自带,难以保证同厂、同型号,特别是难以保证设计规范要求的“各熔件材料相同”的要求,因此,不同厂家、型号的熔断器配合,应加大级差。

 

  3.2 熔断器与断路器(两段式)间及同型两段式断路器间的配合

 

  除应按设计规程执行外,还应核定较大短路电流不应超过上级元件额定电流的810倍。

 

  3.3 不同型号断路器的配合

 

  应考虑断路器的固有动作时间,必须保证上级断路器固有动作时间不小于下级固有动作时间。推荐采用上级塑壳式断路器、下级微型断路器的配合。

 

  3.4 三段式断路器

 

  采用三段式断路器可以实现小级差配合,而且不必考虑短路电流的影响,能够适应设计规程关于直流分电屏设计方案中多级配合的要求。

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