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直流係統斷路器和熔斷器級差配合研究與應用

在直流回路中,熔斷器、斷路器是直流係統各出線過流和短路故障主要的保護元件,可作為饋線回路供電網絡斷開和隔離之用,其選型和動作值整定是否適當以及上下級之間是否具有保護的選擇性配合,直接關係到能否把係統的故障限製在*小範圍內,這對防止係統破壞、事故擴大和主設備嚴重損壞至關重要。因此,加強熔斷器、 斷路器選擇及配置的準確性,對提高電力係統運行的安全可靠性具有重要意義。

 

  1 級差配合存在的主要問題

 

  由於變電站直流係統供電內容多,回路分布廣,在一個直流網絡中往往有許多支路需要設置斷路器或熔斷器進行保護,並往往分成三級或四級串聯,這就存在著正確選擇保護方案和保護上下級之間的配合問題。

 

  1.1 交直流斷路器混用

 

  由於交、直流的燃弧及熄弧過程不同,額定值相同的交直流斷路器開斷直流電源的能力並不完全一樣,用交流斷路器代替直流斷路器或交、直流斷路器混用是保護越級誤動的主要原因之一。

 

  斷路器瞬時動作采用磁脫扣原理,判據為通過的電流峰值,斷路器標定的額定值為有效值,而交流電的峰值高於有效值,在相同定值下,在直流回路中交流斷路器實際額定值高於直流斷路器。另外,因交流斷路器與直流斷路器滅弧原理不同,交流斷路器用於直流回路不能有效、可靠地熄滅直流電弧,容易造成上級越級動作。

 

  1.2 熔斷器質量及參數問題

 

  各生產廠家提供的熔斷器技術數據是在產品型式試驗時得到的,且校驗熔斷器的分斷能力是在交流電源周期分量有效值下做的,熔體動作選擇配合特性曲線也是交流安秒特性曲線。這與變電站直流係統發生短路故障時的實際情況有一定差距。

 

  各熔斷器廠家及設計手冊提供的級差配合是按同一型號、同熔體材料確定上、下級差,從而保證滿足選擇性的,當回路中有不同類型的熔斷器時,熔斷器之間的級差配合更應引起高度重視。同時,由於目前低壓電器生產廠家較多,不能完全保證產品質量,所以即使同一廠家、同一型號的熔體,其參數也有一定的分散性。

 

  1.3 上、下級間的額定值級差選擇不當

 

  熔斷器采用熱效應原理,而斷路器是磁效應與熱效應相結合,安秒特性曲線不同,配合級差也不同。對於斷路器之間、斷路器與熔斷器之間的級差配合不應照搬熔斷器間的配合規定。

 

  2 熔斷器、直流斷路器級差配置現場試驗

 

  為了適應新頒DL/T5044-2003《電力工程直流設計技術規程》(以下簡稱設計規程)有關規定,驗證變電站直流係統中斷路器和熔斷器幾種典型的級差配置方案是否滿足選擇性保護的要求,探索直流斷路器之間的級差配合、直流斷路器與熔斷器的配合及其上下級之間的選擇配置,選擇了石家莊供電公司所轄變電站直流係統中部分直流斷路器、熔斷器的典型保護級差配合方案進行了現場試驗,並對具備延時功能的三段式直流斷路器也進行了試驗驗證,確認了實現選擇性保護的配合條件。

 

  2.1 短路電流的選取

 

  按照直流斷路器及熔斷器安裝現場可能出現的*大短路電流,將試驗元件串聯安裝進行短路試驗。為保證試驗電流高於現場可能出現的*大短路電流,增加了適當裕度,短路電流選取結果為:

 

  a.300 Ah200 Ah蓄電池組,對於合閘饋出線電纜短路故障,短路電流選2 000 A

 

  b.100 Ah蓄電池組,對於合閘饋出線電纜短路故障,短路電流選1000 A

 

  c.控製、保護回路末端熔斷器或直流斷路器出口短路,短路電流選200 A

 

  2.2 試驗方案及結果

 

  經對變電站直流係統安裝使用的保護電器進行調查,按照設計規程有關規定,確定出熔斷器—熔斷器、斷路器—熔斷器、熔斷器—斷路器、斷路器—斷路器412項試驗方案。試驗結果見表1

 

  2.3 結果分析

 

  2.3.1 熔斷器—熔斷器

 

  設計規程要求:如果裝設熔斷器的型號和各熔件材料相同,為保證選擇性,必須使電路中相鄰兩級熔斷器熔件的額定電流的級差至少相差兩級。

 

  本次試驗的前提是選取了同廠、同型號、同批次的產品。因其具有相同的安秒特性,兩級級差的配合,在短路電流達到上級的1030倍範圍內,均正 確動作,表現出良好的配合特性。石家莊供電公司曾對變電站直流回路的熔斷器進行了統一更換,具備此項試驗的現場條件。

 

  2.3.2 斷路器—熔斷器

 

  設計規程要求:斷路器下上等可裝設熔斷器作為保護電器,斷路器的額定電流應大於熔斷器的額定電流4倍及以上。

 

  此項試驗結果與設計規程相吻合。

 

  但此項試驗的前提是短路電流為上級額定電流的89倍,剛進入上級斷路器的速斷區,如果短路 <--→參考文獻CH(開始)-->電流增大到一定值時,按照參考文獻[2]中的試驗結果,上、下級會同時動作,造成越級。因此,在工程應用中,除斷路器的額定電流應大於熔斷器的額定電流4倍及以上外,還應核定*大短路電流不應超過上級斷路器額定電流的10倍。

 

  2.3.3 熔斷器—斷路器

 

  此項試驗條件嚴於設計規範,熔斷器的額定電流大於斷路器額定電流的1.6倍。試驗結果與設計規範相吻合。

 

  但此項試驗的短路電流是上級熔斷器額定電流的1213倍,因此:

 

  a.蓄電池出口熔斷器因按照蓄電池1 h放電容量並加大上等選擇,其*大短路電流在此範圍內,能夠與下上等斷路器配合,不必核定*大短路電流。

 

  b.如用於回路下級,因熔斷器的熔斷速度隨短路電流增加而加快,而斷路器的脫扣速度基本不變,在短路電流大到一定程度時,二者動作接近而造成越級。參考文獻[2]的試驗結果也證實了此點。

 

  因此,在工程應用中,除斷路器的額定電流應大於熔斷器的額定電流4倍及以上外,還應核定*大短路電流不超過上級斷路器額定電流的1012倍。

 

  2.3.4 直流斷路器—直流斷路器

 

  2.3.4.1 兩段式直流斷路器

 

  兩段式直流斷路器在短路電流是上級開關額定電流的810倍範圍、45級級差配合下,正確動作,配合良好。

 

  但如果短路電流達到或超過上級斷路器額定電流的10倍時,上下級斷路器均進入速動區,同時動作,造成越級跳閘。

 

  另外,因塑殼式直流斷路器的固有動作時間高於微型斷路器,因此上級配塑殼斷路器、下級配微型斷路器的配合,其具備選擇性的短路電流值要高於同型配合,據國內有關試驗,其選擇性極限電流延伸到約為20倍左右的上級額定電流。

 

  2.3.4.2 三段式直流斷路器

 

  三段式直流斷路器,上級為三段式,下級為兩段式或三段式直流斷路器時,級差為2級,在短路電流為上級斷路器額定電流的2540倍範圍均正確動作。

 

  設計規程對三段式直流斷路器的級差配合未做規定。從試驗結果看,由於上級斷路器短延時時間大於下級斷路器全分斷時間,上級短延時能夠返回,因此可以實現小級差配合,而且不須考慮短路電流的影響,能夠適應設計規程關於直流分電屏設計方案中多級配合的要求。

 

  3 直流係統保護方案選擇建議

 

  3.1 熔斷器—熔斷器配合

 

  應選用正規生產廠家同廠、同型號的產品,可方便地用於對變電站原有熔斷器的統一更換工作。但對於新建站,由於熔斷器均為設備自帶,難以保證同廠、同型號,特別是難以保證設計規範要求的“各熔件材料相同”的要求,因此,不同廠家、型號的熔斷器配合,應加大級差。

 

  3.2 熔斷器與斷路器(兩段式)間及同型兩段式斷路器間的配合

 

  除應按設計規程執行外,還應核定*大短路電流不應超過上級元件額定電流的810倍。

 

  3.3 不同型號斷路器的配合

 

  應考慮斷路器的固有動作時間,必須保證上級斷路器固有動作時間不小於下級固有動作時間。推薦采用上級塑殼式斷路器、下級微型斷路器的配合。

 

  3.4 三段式斷路器

 

  采用三段式斷路器可以實現小級差配合,而且不必考慮短路電流的影響,能夠適應設計規程關於直流分電屏設計方案中多級配合的要求。

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