變電站直流電源系統(tǒng)用微型斷路器解決保護(hù)誤動(dòng)的問題

1、變電站直流電源系統(tǒng)用微型斷路器解決保護(hù)誤動(dòng)的問題摘要：介紹在新建或改造直流電源系統(tǒng)設(shè)備工程中應(yīng)用直流斷路器時(shí)，不但要考慮負(fù)載的容量、電壓允許范圍等常見參數(shù)，還要重點(diǎn)考慮直流斷路器是否有選擇性保護(hù)，特別是在負(fù)載并聯(lián)了大容量濾波電容器時(shí)，造成斷路器誤動(dòng)作的問題及解決方案。關(guān)鍵詞：對(duì)地電容，直流系統(tǒng)， 誤動(dòng)， 選擇性保護(hù)一、課題的由來近來在我們大連供電公司改擴(kuò)建的姚家、由家、二道河等變電所直流電源系統(tǒng)設(shè)備驗(yàn)收時(shí)，發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)問題：當(dāng)直流主饋屏微機(jī)保護(hù)電源的下級(jí)各測(cè)控保護(hù)屏電源開關(guān)(小容量斷路器)全部處于“合”位的情況下，在直流主饋屏上無法投入此路饋出斷路器(投入即脫扣)。這給我們驗(yàn)收調(diào)試帶來許多不便

2、，更重要的是給今后安全運(yùn)行帶來極大的事故隱患。為了探究其根本原因、并提出切實(shí)可行的解決方案。我們對(duì)此進(jìn)行深入的調(diào)查研究、分析論證、模擬試驗(yàn)等工作，現(xiàn)將情況介紹如下。二、現(xiàn)場(chǎng)誤動(dòng)作和問題描述在姚家、由家、二道河等變電所直流電源設(shè)備驗(yàn)收時(shí)：當(dāng)直流主饋屏上的微機(jī)保護(hù)電源總斷路器的下級(jí)各測(cè)控保護(hù)屏中的直流小型斷路器(小容量斷路器)全部處于“合”位的情況下，在直流主饋屏上無法投入此路饋出斷路器(投入即脫扣)。后采取先投入直流主饋屏上微機(jī)保護(hù)電源總斷路器后，逐個(gè)投入微機(jī)保護(hù)屏上的斷路器，則系統(tǒng)供電完全正常。詳見示意圖1。圖 1 分電示意圖用后面的方法投入電源后，直流系統(tǒng)負(fù)載無故障現(xiàn)象(無過載、短路故障)，

3、而斷路器容量和脫扣特性嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì)配置，級(jí)差配合完全符合規(guī)程要求。雖然后面的方案也能解決跳閘問題，因微機(jī)保護(hù)與電源保護(hù)往往是兩個(gè)部門各自管理，非常不方便和不合理;在每次檢修或驗(yàn)收時(shí)都將保護(hù)屏的上斷路器都斷開后再去合饋電屏上的斷路器，容易引發(fā)其它問題而責(zé)任無法區(qū)分。先合保護(hù)屏上的直流斷路器，再合饋出屏上的直流斷路器時(shí)如出現(xiàn)上述越級(jí)誤動(dòng)屬于事故性質(zhì)，要對(duì)通往保護(hù)屏的每條線路進(jìn)行排查，最后要下結(jié)論是因?yàn)閷?duì)地電容引起的還是某一回路短路故障引起的。直流系統(tǒng)中，分饋電屏和保護(hù)屏上的直流斷路器，應(yīng)能滿足在任意情況下，合上某一斷路器不誤動(dòng)，才能解決安全和管理上的問題。三、誤動(dòng)作問題的分析和測(cè)量針對(duì)后

4、合饋電屏上的直流斷路器時(shí)如出現(xiàn)誤動(dòng)的情況，經(jīng)過我們分析和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)上述問題是各類保護(hù)、自動(dòng)化等設(shè)備內(nèi)部DC/DC電源變換中的濾波電容引起的。隨著變電所電壓等級(jí)的不斷提升、容量的不斷增大，綜合自動(dòng)化水平的不斷提高，大量電子設(shè)備的應(yīng)用及提高設(shè)備的抗干擾能力，大量的負(fù)載電容量是一個(gè)直流系統(tǒng)中各負(fù)載整合過程中出現(xiàn)的一個(gè)新問題，由于各制造成均將供電電源看做一個(gè)理想的電源，無數(shù)個(gè)濾波電容給直流系統(tǒng)帶來了新的問題。由于“微機(jī)保護(hù)裝置”的電源回路中，分散采用著各種電壓等級(jí)的高頻開關(guān)型電源變換器，而每個(gè)電源變換器的輸入端都采用了大量高容量的濾波電容器。大家知道，大容量的電解濾波電容器，對(duì)穩(wěn)定直流系統(tǒng)電壓波動(dòng)和抑

5、制直流電源中紋波電壓作用十分積極，但同時(shí)在加電瞬間也帶來了特別大的電容充電電電流問題。大家都知道在電路換路的瞬間電容器兩端的電壓U和電感線圈中電流I是不能突變的。在“合”直流主饋屏上微機(jī)保護(hù)電源總斷路器時(shí)，直流系統(tǒng)是在給其所帶電容充電，由于電容極片上電荷量的聚集是要經(jīng)過一定時(shí)間的，所以電容上的電壓是不能突變的，剛一合閘送電，電容兩極相當(dāng)于短路，這一瞬間充電電流最大，充電電流大小主要取決于充電電壓和充電回路電阻值。在剛一合閘的瞬間，電容的充電電流為：I=E-U/R=E/R，經(jīng)過一段時(shí)間，U由0逐漸上升，E-U變小了，所以電流I也變小了，直到最后E=U、則I=0，電容器兩端的電壓變化是按指數(shù)曲線規(guī)

6、律而變化，電容充電的快慢僅與電容C和回路電阻R的乘積有關(guān)，我們規(guī)定T=RC為阻容回路的時(shí)間常數(shù)(電阻單位為歐、電容單位為法、時(shí)間常數(shù)單位為秒)。一般情況下經(jīng)過三個(gè)時(shí)間常數(shù)后，電容上電壓就上升至穩(wěn)態(tài)值的95%，五個(gè)時(shí)間常數(shù)后，電容上電壓就上升至穩(wěn)態(tài)值的99%。例如姚家變電所饋電屏上通往“1#微機(jī)保護(hù)”支路的總斷路器，其額定電流為32A，短路瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作電流值為C型715In(256480A)，分?jǐn)鄷r(shí)間<5ms，可以看出，“1#微機(jī)保護(hù)”支路上因電容沖擊電流達(dá)到400A以上的持續(xù)時(shí)間為5ms左右。四、解決方案要科學(xué)正確的選擇直流斷路器，就要對(duì)直流斷路器的保護(hù)原理和直流系統(tǒng)的選擇性理論進(jìn)行分

7、析：1、過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)脫扣器斷路器的發(fā)展過程中，最先采用的是雙金屬片熱效應(yīng)動(dòng)作脫扣，其典型特征為熱功率達(dá)到設(shè)計(jì)值Pt即動(dòng)作，忽略氣溫等離散因素，表達(dá)式符合Pt= ，即動(dòng)作脫扣，此特性正是過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)需要的特性，故與傳統(tǒng)空氣開關(guān)(甚至熔斷器)的設(shè)計(jì)一致。過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)脫扣器是保護(hù)電纜和電器設(shè)備不受過載發(fā)熱而燒毀。2、瞬時(shí)脫扣器(短路脫扣)瞬時(shí)脫扣器(短路脫扣)是避免由于短路電流而引起電線電纜的絕緣損壞和電器設(shè)備燒毀。由于雙金屬片脫扣機(jī)構(gòu)的原理局限，依靠其受熱彎曲，其彎曲速度很難做到能滿足在較大過電流或短路情況下迅速脫扣，因此，各斷路器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品均有由電磁線圈和銜鐵等機(jī)構(gòu)組成的電磁式瞬時(shí)脫扣

8、器。以小型直流斷路器為例，根據(jù)IEC60898-2，將斷路器分為B特性和C特性。需要說明的是，這兩種特性的斷路器過載脫扣器的特性完全相同，主要的區(qū)別在于短路瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作閾值的不同。B特性為47In，C特性為715In。見圖2、圖3。圖2 B特性脫扣曲線      圖3 C特性脫扣曲線3、短路短延時(shí)保護(hù)特性DL/T5044-2004E.4.3.1中規(guī)定“當(dāng)上、下級(jí)斷路器安裝處較近，短路電流相差不大，引起短路瞬時(shí)保護(hù)(脫扣器)誤動(dòng)作時(shí)，應(yīng)選用短路短延時(shí)保護(hù)(脫扣器)”。其保護(hù)特性示意圖見圖4。圖4 短路短延時(shí)保護(hù)特性示意圖4、關(guān)于選擇性保護(hù)的相關(guān)問題斷路器上下級(jí)之間

9、應(yīng)滿足選擇性的要求。為了防止越級(jí)動(dòng)作帶來的事故面擴(kuò)大，保證故障電流僅僅由距離故障點(diǎn)最近的斷路器來切除，有時(shí)要求上級(jí)斷路器在遭遇短路電流時(shí)，經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)(一般為ms級(jí))后再動(dòng)作。在短延時(shí)期間，如果下級(jí)斷路器已經(jīng)將故障回路切除，則斷路器不動(dòng)作;如下級(jí)斷路器發(fā)生故障，不能執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，上級(jí)斷路器作為后備保護(hù)，將主干回路切斷，以保護(hù)設(shè)備和線路。選擇性保護(hù)是一個(gè)基于系統(tǒng)短路電流計(jì)算的綜合選型過程。工程中應(yīng)根據(jù)DL/T5044-2004電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程中的規(guī)定，計(jì)算各斷路器負(fù)載端短路電流，用此短路電流比對(duì)上下級(jí)斷路器的安-秒特性曲線，得出的兩個(gè)動(dòng)作時(shí)間，通過比對(duì)動(dòng)作時(shí)間差，從而判斷上下級(jí)

10、斷路器是否滿足選擇性保護(hù)的要求。直流斷路器是保護(hù)性電器，一要不誤動(dòng)，二要不拒動(dòng)，拒動(dòng)的危害比誤動(dòng)更甚。所以，直流斷路器既要滿足接地電容產(chǎn)生短路的選擇性要求，還要滿足發(fā)生短路故障時(shí)的選擇性要求，同時(shí)還要滿足過載保護(hù)的要求。解決斷路器因接地電容產(chǎn)生的短路電流而誤動(dòng)的問題，是要增大斷路器的瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作電流值，此值要大于接地電容所產(chǎn)生的短路電流值(因微機(jī)保護(hù)的數(shù)量因各個(gè)變電站而異，數(shù)量越多，接地電容量越大，產(chǎn)生的短路電流越大，工程中已采用的斷路器瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作電流值已達(dá)到400A，還出現(xiàn)誤動(dòng))，如要實(shí)現(xiàn)可靠性要求，選用斷路器的瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作電流值達(dá)到600A以上。增大瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作電流值有以下方法：

11、一是增加C型特性斷路器的額定電流值，如達(dá)到100A以上，其瞬動(dòng)則相應(yīng)會(huì)增加，但斷路器體積會(huì)增大很多，同時(shí)會(huì)對(duì)回路的過載保護(hù)不利和在短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生拒動(dòng);二是將C型特性的直流斷路器改為D型特性。根據(jù)IEC規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)：D型特性直流斷路器瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作電流值為(1250In);其動(dòng)作范圍太大，也就是誤差太大，選小了誤動(dòng)，選大了拒動(dòng)。所以，一般D型特性的直流斷路器不能應(yīng)用于電力保護(hù)系統(tǒng)中。三是采用帶短路短延時(shí)特性的斷路器。從圖5可以查出，該斷路器的瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作電流為2.5kA。短路短延時(shí)脫扣器的動(dòng)作電流范圍為10In2.5kA時(shí)，斷路器可以延時(shí)710ms動(dòng)作，需要說明的是：雖然此電容器充電電流不是物理意

12、義上的短路，但是其幅值足夠的大(已經(jīng)大于斷路器短路瞬時(shí)脫扣器啟動(dòng)值10In)，時(shí)間常數(shù)(電容器與線路電阻組成的充電回路)較動(dòng)作時(shí)間也大，所以將其視為短路電流來分析。采用帶短路短延時(shí)特性的斷路器，可以通過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，來躲過普通兩段式斷路器不可避免的保護(hù)動(dòng)作，待充電電流衰減至合適的電流值后，斷路器就不會(huì)動(dòng)作?？梢詽M足接地電容引發(fā)的短路保護(hù)的選擇性要求。例如姚家變電所“1#微機(jī)保護(hù)”支路的啟動(dòng)充電電流達(dá)到1100A，在微機(jī)保護(hù)屏回路如發(fā)生短路故障，經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)，最大的短路電流為500A左右，如果饋電屏斷路器選用32A規(guī)格的具有短路短延時(shí)脫扣器的斷路器，則不會(huì)誤動(dòng)和拒動(dòng)，可以解決由于各個(gè)濾波電容較大，

13、同時(shí)啟動(dòng)后沖擊電流過大導(dǎo)致總開關(guān)越級(jí)動(dòng)作的問題，又能很好的解決短路保護(hù)的選擇性問題。這是因?yàn)?，此系列斷路器的?dòng)作特性為320A2500A電流范圍內(nèi)，它要固定延時(shí)710ms之后，再動(dòng)作。這短短的幾毫秒，正是躲過沖擊電流、避免斷路器誤動(dòng)作的關(guān)鍵所在。經(jīng)搜索，我們了解到北京人民電器廠的“G系列直流斷路器”中的 GMB系列為帶短路短延時(shí)保護(hù)特性的斷路器。成型系列產(chǎn)品此延時(shí)時(shí)間有10ms、30ms、60ms，也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定制(見附表1)。由于此延時(shí)特性原理上就適合阻斷電容器充電電流“過大”而造成的越級(jí)動(dòng)作，而且延時(shí)時(shí)間多樣，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載電容量的大小靈活選擇，從根本上解決了這一誤動(dòng)作。所以我們認(rèn)為采用帶短路短延時(shí)特性的斷路器解決這一問題的最佳方案。同時(shí)較好地解決了直流系統(tǒng)級(jí)差配合的問題。五、結(jié)束語小小空氣斷路器在直流電源系統(tǒng)中看似很簡(jiǎn)單，其實(shí)技術(shù)含量和發(fā)展速度都很高，它是目前為止直流電源系統(tǒng)保護(hù)電器最直接、最有效的器件。我們不能重蹈先前因?yàn)樾⌒〉目諝忾_關(guān)著火造成變電所直流電源系統(tǒng)癱瘓的