关于直流电源系统级差配合.docx
《关于直流电源系统级差配合.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于直流电源系统级差配合.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
关于直流电源系统级差配合
关于蓄电池直流电源系统短路电流计算及自动空气断路器的选择
一、前言：
近几年，随着我国电力事业的飞速发展，新建和扩建的厂、站大量增加，尤其是城农网改造；直流电源系统的设备也得到了前所未有的发展和提高，阀控蓄电池和直流断路器得到了广泛采用，其使用范围、场合以较快的速度增长，设备的总体健康状况和技术水平得到了较大的提高，安全运行和节能环保得到了进一步好转和改善；但是存在的问题仍然不能忽视，务必引起各级领导高度重视，不然会造成严重的后果。
尤其是在城农网改造时，注重了一次设备和二次保护装置的更新改造、而忽视了直流电源系统设备及网络的更新改造，尤其是直流供电网络的更新改造；目前运行中直流电源系统采用的保护电器是多型号、多厂家、多组合的被动局面，这给直流电源系统的保护级差配合带来了一定的难度。
一旦级差配合不满足要求、失去动作选择性，其后果不堪设想。
二、造成目前直流系统级差不配合的主要原因和解决的措施：
一）、级差配合问题的主要原因及复杂性
1、接线复杂。
原则上应该简化接线即蓄电池接单母线运行辐射供电。
但是目前的控制合闸母线环行供电；硅降压，闪光母线不变的情况下，强制将熔断器改为直流断路器级差配合是十分复杂的，短路电流无法计算，控母合母馈线合用断路器，控母闪光合用断路器无法整定瞬动脱扣器等一系列问题没有很好解决。
2、交流或交直流两用断路器应用在直流电源中，其降容能力，临界分断能力，没有产品数据，试验证明交流断路器的分断能力仅为直流断路器的分断能力的1/5~1/8，额定电流分断直流电流弧光引起烧坏触头现象经常发生，全分断时间的不确定性，也是级差配合中成为难题。
3、熔断器保护由于特性的不稳定性，受温度和湿度影响较大，而且和接触松紧及熔片是否经受过大电流冲击损伤有关，有经验的单位在现场运行规程明确规定定期检查或更换、短路发生后必须更换合格产品。
一是随着变电站无人值班的发展，熔断器因自身结构的限制熔断后不能报警，不满足运行要求；二是目前保护成套厂已不再采用熔断器均为直流断路器。
建议运行单位积极创造条件进行改造。
4、熔断器和直流断路器混装且品牌不成系列，安秒特性的不完善也给级差配合带来困难。
5、直流电源负荷侧的成套继电保护和自动装置保护电器是由成套厂选用，往往是从供电可靠性出发，而不按满足最大负荷电流的选择原则，选用了较大额定电流的保护电器，并且有多路供电的要求。
这给直流电源馈线保护电器的选择和级差配合出了难题。
6、短路电流计算和实测的复杂性，蓄电池内阻是动态的，计算中无法取得准确值，回路电阻值包括断路器内阻以及限流性能（断路器分断时的电弧限流，熔断器承受冲击电流使熔片改变特性的限流等）都给短路电流计算带来困难，因此脱扣器的整定和灵敏度检验也十分困难。
7、不同保护电器有不同的保护特性和离散特性，例如直流断路器瞬动脱扣电流按制造标准规定：
直流微型断路器为7~15In，塑壳断路器为8~12In，短路电流大小也对断路器的全分断时间有一定分散性。
8、直流电源设备投运前的安装调试中，也不进行任何保护级差配合的调试工作。
二）、相关标准的规定
1、DL/T5644~2004《电力工程直流系统设计技术规程》
6.1保护规定采用直流断路器或熔断器
1.熔断器在上而直流断路器在下时，熔断器为直流断路器额定电流的2倍及以上。
2.直流断路器上而熔断器在下时，直流断路器额定电流应为熔断器额定电流的4倍及以上。
7.5规定了直流断路器选择原则；经受冲击电流的安全性，级差配合，断流能力、选择性+灵敏度计算见附录E。
7.6规定了熔断器选择原则；隔离电器、报警触点、断流能力、级差配合
2、DL/T459-2000《电力系统直流电源柜订货技术条件》
5.3.2.4直流断路器、熔断器应具有安一秒特性曲线，上下级应大于2级的配合级差。
5.3严禁使用交流断路器，交直流断路器应满足开断直流回路短路电流和动作选择性要求。
3、DL/T724-2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护规程》
5.3.9C）按图验收按图更换
4、国电发[2000]589号《防止电力生产重大事故的25项重点要求》
20．防止枢纽变电所全停电事故；要求2组蓄电池，3台充电装置
直流母流分段运行，每段母线应分别蓄电池供电，母线设联络断路器，正常运行处于断开位置。
直流熔断器应按有关规定分级配置，加强直流熔断器的管理，对直流熔断器应采用合格的产品，防止因直流熔断器在正常熔断而扩大事故。
23．防止全厂停电事故；要求加强蓄电池和直流系统（含逆变电源）……的维修。
5、国家电网公司十八项电网重大反事故措施：
13.2.2、 加强直流系统熔断器的管理，防止越级熔断：
13.2.2.1、各级熔断器的定值整定应保证级差的合理配合。
上、下级熔体之间（同一系列产品）额定电流值，应保证2～4级级差，电源端选择上限，网络末端选择下限。
13.2.2.2、为防止事故情况下蓄电池组总熔断器无选择性熔断，该熔断器与分熔断器之间，应保证3～4级级差。
13.2.3、 加强直流系统用直流断路器的管理：
13.2.3.1、新、扩建或改造的变电站直流系统用断路器应采用具有自动脱扣功能的直流断路器，不应用普通交流断路器替代。
在用直流系统用断路器如采用普通交流开关的，应及时更换具有自动脱扣功能的直流断路器。
13.2.3.2、当直流断路器与熔断器配合时，应考虑动作特性的不同，对级差做适当调整，直流断路器下一级不应再接熔断器。
6、国家电网公司直流电源系统管理规范
《直流电源系统技术标准》：
5.3.2.2直流回路中严禁使用交流空气断路器；当使用交直流两用空气断路器时，其性能必须满足开断直流回路短路电流和动作选择性的要求。
5.3.2.5直流空气断路器、熔断器应具有安－秒特性曲线，上下级应大于2级的配合级差，并动作选择性的要求。
5.3.2.6直流电源系统中应防止同一条支路中熔断器与空气断路器混用，尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。
防止在回路故障时失去动作选择性。
《直流电源运行规范》
第十二条运行管理
（8）直流熔断器和华侨断路器应采用质量合格的产品，其熔断体或定值应按有关规定分级配置和整定，并定期极性核对，防止因其不正确动作而扩大事故。
（9）直流电源系统同一条支路中熔断器与空气断路器不应混用，尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。
防止在回路故障时失去动作选择性。
严禁支路回路使用交流空气断路器。
《直流电源系统技术监督》
第二十七条 应加强直流系统熔断器的管理，熔断器应按有关规定分级配置。
一个厂、站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一厂家系列产品。
自动空气断路器使用前应进行特性和动作电流抽查。
同一条支路上直流熔断器或自动空气断路器不应混合使用，尤其不能在自动空气断路器之后（下级）再使用熔断器。
直流电源系统各级熔断器或自动空气断路器的选择必须保证级差配合合理，防止越级跳闸。
不同厂家的产品混用，由于动作特性的分散性，有可能失去动作选择性。
所以，一个厂、站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一厂家系列产品。
空气断路器与熔断器混合保护的级差配合比较困难，由于无时限的空气断路器的脱扣速度基本不随电流的大小变化，而熔断器的动作具有反时限特性。
无论空气断路器安装在熔断器之前或之后，总在某些短路电流值范围内会失去动作选择性。
因此，应尽量避免这种组合保护方式。
尤其不能在自动空气断路器之后（下级）再使用熔断器，这样，级差配合更加困难。
《预防直流电源系统事故措施》
第十一条直流系统熔断器应分级配置，上下级熔体应满足选择性配合要求。
一个站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一制造厂系列产品。
使用前宜进行安秒特性和动作电流抽检，同一条支路上的空气开关和熔断器不宜混合使用。
直流回路中采用空气自动空气断路器时，必须选用合格的直流空气断路器，严禁采用交流空气断路器。
对已经采用的，必须安排更换。
7、上述规定和要求究竟其原因何在，为什么要作这样规定？
1）、严禁在直流电源系统中采用交流或交直流两用断路器，是因为其分断能力和灭弧能力都不能满足直流的要求，试验和运行实践都证明了交流断路器的分断能力仅为直流断路器的分断能力的1/5～1/8，额定电流分断时、直流电弧引起烧坏触头现象时有发生，全分断时间的不确定性，也是级差配合中的难题。
2）、熔断器保护特性由于不稳定、熔断时间分散性大，温度和湿度对其影响较大，而且和接触松紧及熔片是否经受过大电流冲击有无损伤等因素有密切关系，尤其是在大电流冲击后特性会发生变化；所以很多基层运行单位都作出这样规定：
熔断器在经受大电流冲击后必须进行检查或更换及运行中应定期进行检查或更换制度。
另外随着变电站无人值班的发展，熔断器因自身结构的限制熔断后不能报警，不满足运行要求；二是目前保护成套厂已不再采用熔断器均为直流断路器。
建议运行单位积极创造条件进行改造。
3）、熔断器和直流断路器混合使用不成系列，一个是反时限动作原理、一个是定时限动作原理；安秒特性的不完善也给级差配合带来难题，不宜采用。
尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。
熔断器RM10、RTO保护特性详见图1、图2。
我们现用熔断器RM10和直流断路器GM32组合在一起，按断路器+熔断器、
熔断器+断路器方式、在短路故障发生时，看其动作结果如何？
详见下表：
保护电器位置
保护电器
短路故障发生
短路故障发生
类型
额定电流
短路电流
动作时间
动作结果
短路电流
动作时间
动作结果
末断（下级）
断路器
6
6*10＝60
6ms
动作正确
150
6ms
动作正确
上级
熔断器
15
60
2.5s
未动正确
150
0.3s
不动正确
末断（下级）
熔断器
6
60
0．2.5s
动作正确
250
18ms
未动不正确
上级
断路器
25
25*10＝250
6ms
不动正确
250
6ms
动作越级
熔断器与断路器组合后有以下几个特征：
（1）、回路故障电流在断路器额定电流10In以下的过载情况时，熔断器熔断时间与断路器动作时间均处于过载保护范围，由其动作曲线决定，不同的熔断器与不同的断路器组合其动作结果是不一致的，同样会出现误动越级现象。
（2）、回路短路电流在断路器额定电流10In以上的短路电流情况时，断路器动作时间比熔断器熔断时间快。
如果熔断器在下级、上级断路器就会先动作，就出现了误动。
（3）、无论空气断路器安装在熔断器之前或之后，总在某段短路电流值范围内会失去动作选择性。
因此，应尽量避免这种组合保护方式。
尤其不能在自动空气断路器之后再使用熔断器，这样，级差配合更加困难。
4）、断路器和断路器组合使用时，由于不同系列的断路器其过载反时限特性和短路瞬时脱扣特性不同，级差配合和选择性应很难满足要求。
IEC60898、GB10963.2标准规定脱扣特性为：
B型4～7倍额定电流、C型7～15额定电流，不同厂家生产的断路器选用的短路瞬时脱扣标准不同，组合在一起就有很大的差异，往往很难匹配、不能满足动作选择性的要求，原则上应选用同一制造厂家的系列产品。
5）、所以在直流技术监督的规定中明确指出：
无论采用何种保护电器，原则上应选用同一制造厂家的系列产品，因为不同厂家的产品混用，由于动作特性的分散性，有可能失去动作选择性。
所以，一个厂、站的断路器或熔断器原则上应选用同一厂家系列产品；使用前应进行安秒特性和动作电流的抽检工作。
6）级差配合事故不断出现，直流电源已经影响了电力系统的安全运行，不应只从标准中找解决方法，而应该根据具体情况做些工作，近年北京、浙江、河北（石家庄）、广州、湖南等研究成果并不公开发表，同时可操作性也并不完善。
上海、吉林、山西等仍在研究中，地区级的级差配合研究以及数个发电厂进行设备改造工程也使用一些试验研究（如直接短路）方案。
但研究成果尚没有纳入上述标准之中。
三）、统一认识问题
1、蓄电池直流电源应该是在蓄电池寿命期中长期浮充运行的可靠设备，长期开路或不用倒是有问题的。
不存在一组运行一组备用的概念。
仅考虑蓄电进行核对性放电时的解决办法（例如配合主设备检修，50%容量放电减少停用时间，临时用一组蓄电池替代供电等）。
2、设计规程规定发电厂总容量为100mw上和重要的110kv变电所，宜装或可装2组蓄电池，这种特定的电力工程也不解释为一组运行一组备用的概念。
3、蓄电池直流电源系统接线，元件选择的原则是满足交流事故全停电的1h（2h）内直流负荷的需要，不能越级停直流电源，供电必需可靠，更不能有任何直流电源停电现象，
4、设计规程规定的允许2组蓄电池短时并联，是指切换过程中的短时并联是有条件的。
同时规定了不允许任何支路馈线形成的并联。
理解为可能出现的误操作和避免不可控制的环流。
5、根据有关规定：
双重化的要求是除了继电保护和高压断路器跳闸线圈外，蓄电池直流电源也应该是双重化配置。
但供电电缆可由直流接地检测和短路保护检出故障，不需双重化。
因此简化接线，辐射供电是正确设计。
总之，蓄电池直流电源应该长期可靠运行，不设备用。
所有参数均按交流事故停电1h（2h）时间内直流负荷的需要选择，保证可靠供电。
2组蓄电池的短时并联只能在直流母线进行。
双重化配置应包括蓄电池直流电源，但不包括馈线电缆。
简化接线辐射供电。
四）、级差配合的解决办法
1、简化直流电源接线，从蓄电池到负荷2~3级最好，最多不应超过4级，当然取消控母合母分家，取消硅降压，闪光独立供电按规程取消保护，取消环形供电改辐射供电。
2、新设计的工程，应按设计规程的规定进行。
3现有工程，找出共同点和不放心的配置方案，做些具体试验研究工作，重点解决如下问题。
——蓄电池出口保护要计算短路电流，正确选择保护电器。
——直流母线进线和出线之间的级差（短路电流基本一样）。
——直流电源末级与直流负荷当出现直流负荷有并联支路时需要解决。
——各类保护器件内阻和限流特性。
——短路电流的计算值（予期值）与实测值的关系。
——各种保护电器的动作特性。
4、选用全系列熔断器，级差配合是比较方便的，但装直流隔离电器和馈线宜装辅助报警触点的要求有一定困难。
定期维护更换的工作也很难做。
5、直流断路器过载长延时保护和熔断器一样，级差配合容易选择，但短路瞬动脱扣整定的级差配合有一定困难，用短路电流校验灵敏度其结果可能有两种情况。
一是短路电流灵敏度高>1.25而按额定电流选择的直流断路器有越级可能，设计规程要求提高上级直流断路器额定电流，一些单位也有采用将上级直流断路器拆除瞬动脱扣器的办法，或者要厂家提高瞬动脱扣整定值的办法，近来用这种办法的人少了，主要订货非标的麻烦。
另一种是短路电流小，灵敏度<1.25，这种情况主要是因为蓄电池容量小或系统回路电阻大，这种情况也有要求降低瞬动脱扣整定值的办法或认真根据负荷电流减小额定电流的选择，否则瞬动脱扣不具备保护能力。
6、由于保护电器的动作特性不同，不同系列的产品混合使用，有可能失去动作选择性，所以规定一个厂、站、的保护电器（直流断路器或熔断器）原则上应选用同一厂家的系列产品。
7、短路电流相近的上下级直流断路器，其上级选用具有短路短延时特性的直流断路器。
当短路发生在下一级的直流断路器的负荷侧时，上级断路器工作在短延时的范围内，在下级断路器将短路故障切除后，上级断路器可以从动作状态自动返回到工作状态，避免了越越级误动。
并不是任何短路电流下均不动作，当短路电流太大时（大于60In或以上）还是要瞬动的，这是直流断路器耐受能力的需要实际上这种情况不会出现越级误动的。
[所谓具备三段式保护的直流断路器即具有过载长延时+短路短延时（10、30、60ms）+短路瞬时的保护特性。
直流断路器具有短路短延时的功能和继电保护中的延时速断保护有相同之处。
]
8、智能脱扣器是按逻辑关系实现级差配合，目前还不具备商业化市场产品。
9、限流型断路器设有权威部门的检测数据，因而应用领域还不成熟。
四、断路器的现状及选择：
1、目前国内生产的直流断路器现状
根据目前所掌握的资料和信息，生产直流断路器的厂家和公司有：
西门子（5SX）、ABB（S252S）、梅兰日兰（C32H）、施耐德（C32H－DC）、德力西（CDB7DC-63）及北京人民电器厂（G系列）等多家企业。
详见表1和表2。
以北京人民电器厂生产的G系列塑料外壳式直流断路器，规格最全、品种最多、以成为系列产品；而且具有二段和三段式断路器，可以满足100～3000Ah蓄电池直流电源系统从蓄电池出口至负荷处，1～4级的各级保护级差配合的要求。
可以满足系统保护级差实现全选择性的要求；同时该厂还建成了3000Ah/220V直流电源研究试验站，可以满足运行单位的各种保护配置方式的试验和研究。
其它几家公司主要是以生产交流断路器为主，直流断路器只是小电流规格，未形成系列产品。
就说西门子公司生产的5SX52直流型断路器，额定电流只要：
3、4、6、8、10、13、16、20、25、32、40、50十二种规格。
为了保证电力系统和电气设备的安全运行，要求直流电源系统所采用的保护电器要准确、可靠、快速切断故障电流，北京人民电器厂经过不断研究，于1999年在只有两段保护的直流断路器（过载长延时保护+短路瞬时保护）基础上，成功地研制出G系列全选择性三段保护（过载长延时保护+短路短延时保护+短路瞬时保护）直流断路器，具有分断能力高、体积小、飞弧短、短路短延时准确，规格齐全等特点，较好地解决了直流电源系统保护电器的越级、误动、拒动等问题。
。
表1――部分生产厂家生产的直流断路器
生产厂家
保护类型
断路器额定电流规格
西门子公司
两段保护
5SX――DC 3、4、6、8、10、13、16、20、25、32、40、50共计12种规格。
ABB公司
两段保护
S252S――DC 1、2、3、6、10、16、20、25、32、40、50、63共计12种规格。
施耐德电公司
两段保护
C32H－－DC 1、2、3、6、10、16、20、25、32、40、共计10种规格。
德力西集团
两段保护
CDB7DC-630.5、1、3、6、10、16、20、25、32、40、50、63共计12种规格。
北京人民电器厂
两段保护
三段保护
GM32GM100GM225GM400GM800GM1250
GMB32GMB100GMB225GMB400GMB800GMB1250共计65个规格
两段保护特性的断路器称为A类保护断路器（即：
过载长延时保护+短路瞬时保护）
三段保护特性的断路器称为B类保护断路器
（即：
过载长延时保护+短路短延时保护+短路瞬时保护）
断路器
型 号
断路器
额定电流
短延时电流整定值
断路器
型号
断路器额定电流
短路
短延时
电流整值
短延时
时间整定值mS
GM32
1、3、6、10、16、20、25、32、40
10In
GMB32
16、20、25、32、40
10In～1.2KA
（16、20）
10In～1.8KA
25.4cm～2.5KA
（32、40）
GM100
10、16、20、25、32、40、50、63、
80、100
10In
GMB100
50、63、80、100
10In～6KA
10、30、60
GM225
100、125、140、160
180、200、225
10In
GMB225
100、125、140、160、180、200、225
10In～8KA
10、30、60
GM400
250、315、350、400
10In
GMB400
250、315、350、400
10I～15KA
30、60
GM800
400、500、630、700、800
5In
GMB800
400、500、630、700
800
5In～20KA
30、60
GM1250
800、1000、1250
5In
GMB1250
800、1000、1250
5In～20KA
30、60
表2――北京人民电器厂生产的G系列直流断路器
2、断路器保护特性和动作方式：
为进一步理解和掌握断路器的保护特性和动作方式，现以GMB32/2400R-32A型直流断路器为例来说明各种故障电流发生时断路器动作情况：
1）、过载脱扣：
Int、（1.13*32＝36.16）～Id～10In（320A）；Id发生时，过载长延时脱扣器按图2～5所示紫色反时限曲线动作，随着过载电流Id在（1.13*Int～10Int）区间内增大，过载脱扣器动作时间T逐渐减小。
当Id＝1.13*Int＝36.16A时GMB32----32不动作时间应大于1小时以上；
当Id＝1.45*Int＝46.4A时GMB32----32在小于1小时内动作；
当Id＝3*Int＝96A时GMB32----32在7秒内动作；
当Id＝7Int＝224A时GMB32----32在3秒内动作；
当Id＝10*Int＝320A时GMB32----32在2秒内动作；
2）、短路短延时脱扣：
10Int（320）～Id～2.5KA；当Id属于一般短路电流时，短路短延时脱扣器按图2～5所示红色部分定时限曲线动作，随着过短路电流Id在（10Int～2.5KA）区间内增大，短延时脱扣器经过一个固定的延时时间t后再动作，延时时间为10毫秒，且如果Id在该延时时间t内被GMB32—32的下一级断路器切除，则GMB32----32断路器脱扣器复位。
3）、短路瞬时脱扣：
2.5KA～Id～20KA；当Id大于等于2.5KA时，属于较大短路电流时，短路脱扣器按图2～5所示黑色曲线瞬时动作，随着过短路电流Id在（2.5KA～20KA）区间内增大，短路脱扣器瞬时动作。
Icu为断路器额定极限短路分断能力，动作时间为4毫秒。
当Id在10Int～2.5KA区间内，此时过载脱扣器也会被触发，但由于双金属片的弯曲速度在数百毫秒，而短路短延时脱扣器的延时时间加上断路器的固有动作时间仅仅为十几毫秒，这样的差距足够保证了两个脱扣器的先后动作顺序。
3、直流断路器保护特性执行的标准：
目前断路器因使用场所不同、其执行的标准也存在一定的差异；大致分以下几种类型：
配电保护型断路器其保护特性符合GB14048.2《低压开关设备和控制设备低压断路器》标准；其等效采用国际（IEC947-2标准.
电动机保护型断路器其保护特性符合GB14048.2《低压开关设备和控制设备低压断路器》和GB14048.4《低压机电式接触器和电动机起动器》标准；其等效采用国际（IEC947-4）标准.
家用和类似场所保护型断路器其保护特性符合GB10963.《家用和类似家用场所过电流保护断路器》；其等效采用国际（IEC60898）标准.
剩余电流保护型断路器其保护特性符合GB6829、GB16916其等效采用国际（IEC1008）和GB16917其等效采用国际（IEC1009）和（IEC755）等标准.
不同类型的断路器其保护特性也有较大的差异,其中《家用和类似场所保护型断路器》瞬时脱扣器的型式有三种：
B型脱扣电流为大于3In～5In、C型脱扣电流为大于5In～10In、D型脱扣电流为大于10In～50In；详细资料见相关标准或低压断路器及其应用一书6～7页。
20世纪九十年代国内没有专门的直流断路器生产标准，有关科研和相关管理部门在GB10963.《家用和类似家用场所过电流保护断路器》派生了G
升级会员 