北京人民电器厂有限公司直流断路器技术交流王文进.ppt

北京人民电器厂有限公司 直流断路器选择性保护研讨会,各位领导和专家： 大家好！ 我是北京人民电器厂有限公司的王文进。目前负责我公司直流市场和技术支持工作。 今天非常荣幸能有机会在此跟各位汇报北京人民电器厂有限公司近年来在直流断路器选择性保护领域所作的研究以及取得的一些主要成果。 同时，也非常感谢在座的领导，以及各位专家对我们的大力支持。,前言,提纲,保护电器选型分析,直流断路器的保护机理,目录,直流断路器的分类,使用熔断器应注意的问题,提纲,软件分析与服务,目录,应用举例某220KV变电站直流系统分析及解决方案,直流产品可靠性保证手段,一、直流断路器的分类 以壳架型式分：小型直流断路器，塑壳式直流断路器，万能式直流断路器。 以保护形式分：热磁式两段保护（热过载长延时保护、电磁短路瞬时保护）；电子式三段保护（热过载长延时保护、电磁短路瞬时保护、电子式短路短延时保护）；热磁式选择性保护（热过载长延时保护、热式短路短延时限流型反时限保护）。 以接线方式分：板前接线、板后接线、插入式接线、抽出式接线。 以外部附件分：手操机构、电操机构。 以内部附件分：辅助触头、报警触头、分励脱扣器、欠压脱扣器。 以额定电压分：DC48V、DC110V（125V）、DC220V（250V）、440V、500V、1000V、1500V,直流断路器的分类,二、直流断路器的保护机理 热磁式两段保护直流断路器的保护机理 热过载保护机理：过载保护主要是通过热反时限延时的双金属片来实现。 电磁短路保护机理：一般通过螺管式电磁铁，实现断路器短路瞬时保护。 电子式三段保护直流断路器的保护机理 热过载保护机理：同上。 电磁短路保护机理：同上。 电子式短路短延时保护机理：在脱扣机构上连接电子控制装置。 热磁式选择性保护直流断路器的保护机理 热过载保护机理： 热式短路短延时反时限保护机理：快动双金属片。,直流断路器的保护机理,三、保护电器选型分析,保护电器选型分析,1.蓄电池出口保护电器选型全程反时限GM5FB系列,蓄电池出口我们需要什么样的保护电器？,蓄电池出口对保护电器的要求： 1）高安全性和可靠性：不拒动，不误动，结构可靠； 2）选择性要求最高：禁止出现越级跳闸 3）兼顾灵敏性：满足选择性前提下，最大限度提高本级保护的灵敏性,保护电器选型分析,1）满足可靠性：GM5FB塑壳，动作特性逐台检测，纯机械式，短延时保 护不依靠线路板； 2）满足选择性： GM5FB塑壳，全程反时限延时保护； 3）满足灵敏性： GM5FB塑壳，全分断时间在100ms以内，优于熔断器,蓄电池出口，我们推荐什么样的产品？,蓄电池出口断路器和机组控制系统塑壳断路器选型,保护电器选型分析,GM5FB系列选择性保护塑壳式直流断路器 脱扣特性曲线,保护电器选型分析,GM5FB系列断路器电气原理图和结构示意图,GM5FB系列断路器电气原理图,In,Isd,保护电器选型分析,2.分电屏保护电器选择性和灵敏性的兼顾GM5B-40系列,1）定时限的短路短延时保护满足选择性； 2）在满足选择性的前提下，缩短短延时时间 3）响应DLT-5044新规程的要求，满足高分断能力,当分电屏本级出现短路，我们如何同时兼顾选择性和灵敏性？,保护电器选型分析, GM5B-32/GM5B-40系列断路器参数表,1）GM5B-32/40系列和下级两段式断路器自然实现选择性； 2） GM5B-32/40系列短延时时间7ms，满足选择性前提下用时更短； 3） GM5B-32/40系列分断能力最高可达20KA，满足各种直流系统要求,分馈电屏，我们推荐什么样的产品？,保护电器选型分析,3.直流末端保护电器的灵敏性和限流GM5-63L型,1）灵敏性的保证低脱扣倍数 2）可靠性要求不拒动，容性负载（储能电容） 3）动态选择性分析取代静态选择性分析 4）事故照明回路特殊要求： 国标GB10963.2规定：同时符合用于交流回路中，单极分断AC400V，6kA短路分断能力的要求。,灵敏性如何保证？可靠性？限流的必要性？,保护电器选型分析, GM5-63系列断路器参数表,1）GM5-63CL型脱扣倍数7-10In（低脱扣倍数，既保证灵敏性，又避免误跳）； 2）GM5-63CL型组合式灭弧系统极大提高限流能力； 3）GM5-63CL型（无极性）接线不再区分正负极，避免接错线烧开关,直流末端保护电器，我们推荐的产品？,保护电器选型分析, PT回路我们推荐的产品,1）要求电压互感器出口断路器自身为低压降，以减少电能计量装置的误差； 2）要求电压互感器出口断路器对PT线路快速保护，对断路器灵敏性要求高；,计量回路对交流微型断路器的技术要求？,保护电器选型分析,1）GMT32（B）系列断路器内阻值仅为普通断路器内阻值的10%15%； 2）GMT32（B）系列 断路器短路瞬时脱扣电流为2.83.5In；,四、使用熔断器应注意的问题 1.熔断器的种类，如下表。,使用熔断器应注意的问题,2.大熔断器与小熔断器的焦尔积分的区分明显，使得熔断器的选择性很好，但大趋势为什么不用了 （1）熔断器本身设计上的缺陷，熔体的老化现象： 无冶金效应的熔体老化现象：由于熔断体反复负载使熔体受到加热和冷却的循环，产生热膨胀和冷却收缩，使熔体受到机械应力，引起熔体金属材料晶格粗化、扭曲，导致电阻率增加而使特性变坏。 有冶金效应的熔体老化现象：由于熔体通过电流时温度的增加，还会使灭弧介质材料的分子溶解到熔体中去，产生合金现象，改变了熔点，而使特性变坏。 （2）由于熔断器受环境温度和湿度的影响较大，熔断时间分散性大。,使用熔断器应注意的问题,（3）熔断器受一次大短路电流冲击，特性变化非常大，无法检验。 （4）与基座的安装接触力的变化，接触表面氧化，使接触电阻变化很大。 （5）在使用或安装中，已因外力破坏致部分熔片折断或受伤，内部电阻增大，成为熔断器的薄弱点，熔断器整体性能下降，导致越级动作，导致存在全站直流失压的隐患。,RM10熔断器的熔断情况,使用熔断器应注意的问题,（6）由于熔断器结构原因，出厂无法检测其报警触点能否可靠动作所带来的严重问题。,使用熔断器应注意的问题,（7）由于熔断器结构原因，出厂无法检测其安秒特性曲线是否准确。 （8）熔断器存在“越用越耐用”的问题 熔断器内部除了熔断体外，还有灭弧介质。灭弧介质有多种，如粉末状灭弧介质等。此类灭弧介质由于温度、湿度影响，经过一段时间，有可能会结为块状结构，将使其散热性能大大加强，带来熔断时间变长，造成特性变坏。 （9）熔断器防护等级太低 熔断器防护等级为IP00 GM5FB系列断路器防护等级可达IP30,使用熔断器应注意的问题,小结： 1.综上所述，使用熔断器应制定一整套的完善的管理规范，如何时更换熔断器，熔断器经过一次大短路电流冲击但没有熔断等类似情况的管理。 2.应使用符合标准要求的，合格的熔断器。 3.但由于上述两点不容易实现，加之上述熔断器由于本身结构等的弊端，因此国网公司的趋势是用断路器逐步替代熔断器。这从近几年系统内变电站工程，电厂工程中可以看出这一点。,使用熔断器应注意的问题,五、应用举例 某省220kV变电站系统分析及解决方案 （1）系统现状描述 蓄电池容量400Ah 220V 104节，2电2充，有分屏 蓄电池出口电缆：S=50mm2，L=30m 蓄电池出口保护电器：250A 直流屏出口保护电器：至220kV继保室分电屏，100A 直流屏至220kV继保室分电屏电缆：S=25mm2，L=100m； 分电屏出口保护电器：至测控保护屏，C10A； 分电屏至测保屏导线：S=4mm2，L=20m； 测保屏出口保护电器：C6A； 测保屏到负载导线：S=2.5 mm2，L=5m。,应用举例,蓄电池出口保护电器,主馈电屏,220kV继保室 分馈电屏,测控保护屏,应用举例,问题1：电缆压降和断路器级差,问题2：选择性保护问题,问题3：灵敏度问题,蓄电池出口保护电器,主馈电屏,220kV继保室 分馈电屏,测控保护屏,应用举例,主馈电屏 100A,测保屏 6A,蓄电池 出口250A,蓄电池400Ah,分馈电屏 20A,Icc542,落在分馈电屏断路器短路瞬时脱扣器动作上限之外，越级动作概率为100%。,Icc1225,落在主馈电屏断路器短路瞬时脱扣器动作上限之外，越级动作概率为100%。,应用举例,Icc3145,Icc3245,此短路电流下，本级断路器与上级熔断器可实现选择性保护。,3245A 灵敏度校验,300ms,（2）系统建议方案一 蓄电池出口： 将蓄电池出口保护电器更换为GM5FB-800系列全选择性断路器，在大于57In的电流范围内，延时时间为2080ms，快于熔断器，避免蓄电池和线路承受较长时间的短路电流冲击，同时又解决了熔断器离散性差的问题。因此，特别适合用于蓄电池出口作为保护蓄电池之用。此系列断路器具有熔断器特性，特别易于与下级断路器实现选择性保护。 第一支路： 将馈电屏断路器设计为GM5FB-250系列全选择性断路器，同时，将分电屏两段断路器更换为GM5B-32系列三段保护断路器，短延时时间为7ms。 馈电屏全选择性断路器与分电屏三段断路器（7ms延时）可实现选择性保护。 分电屏断路器（7ms延时）可与下级测保屏中任何两段保护断路器自然实现选择性保护。,应用举例,第二支路： 将馈电屏两段断路器更换为GM5B-32系列三段保护断路器，短延时时间为7ms。 馈电屏断路器（7ms延时）可与下级测保屏中两段保护断路器自然实现选择性保护。,应用举例,第1步：判据 验证本级断路器出线端最远处短路电流是否大于本级断路器短路短延时或短路瞬时脱扣器的动作上限： GM5FB系列：Isd=7In GM5B-32系列：Isd=12In GM5-63系列：Ii=15In 第2步：结论 如大于上述脱扣器动作上限，则判断灵敏度合格。,问题2：解决灵敏度问题,应用举例,问题1：解决选择性保护问题,蓄电池出口保护电器,主馈电屏,220kV继保室 分馈电屏,测控保护屏,此短路电流落在测保屏断路器瞬动区，瞬时分断。 分电屏断路器短延时7ms，如果短路电流在7ms之后仍然存在，则分电屏断路器作为后备保护分断。,主馈屏和蓄电池出口断路器满足上下级额定电流大于2.5倍的规则，可实现选择性保护。,应用举例,主馈电屏 100A,测保屏 6A,蓄电池 出口250A,蓄电池400Ah,分馈电屏 20A,Icc531,Icc1170,Icc3118,Icc3230,3230A 灵敏度校验,此短路电流落在分电屏断路器短延时区，延时7ms分断。 主馈屏断路器延时2080ms，如果短路电流仍然存在，则主馈屏断路器作为后备保护分断。,小结： 这种方案可以在不改变现有测控保护屏断路器基础上，仅将上级断路器更换为选择性断路器和三段式断路器，即可实现选择性保护。 根据的判据是： “全选择性”断路器 之间，只要保证上级断路器额定电流是下级断路器的2.5倍或更大，即可靠实现选择性保护。 “全选择性”断路器与GM5B-32系列三段式段保护断路器，满足额定电流为大于3倍，即可实现选择性保护。 三段保护断路器可与两段保护断路器自然实现选择性保护。 （1）下级断路器负载端短路，短路电流小于上级断路器短路瞬时动作值Is1。 （2）判断上下级短延时时间是否符合t1t2。,应用举例,（3）系统建议方案二（限流方案） 蓄电池出口： 将蓄电池出口保护电器更换为GM5FB-800系列全选择性断路器，在大于57In的电流范围内，动作时间快于熔断器，避免蓄电池和线路承受较长时间的短路电流冲击，同时又解决了熔断器离散性差的问题。因此，特别适合用于蓄电池出口作为保护蓄电池之用。此系列断路器具有熔断器特性，特别易于与下级断路器实现选择性保护。 第一支路： 将馈电屏断路器设计为GM5FB-250系列全选择性断路器，分电屏和测保屏中断路器分别更换为GM5-63H延迟动作型微断和GM5-63L快速限流型微断。 馈电屏断路器（短延时时间最小20ms）可与分电屏中的H型两段保护断路器实现选择性保护。 分电屏H型（延迟动作型）与测保屏L型（快速限流型）同时使用，具有级联技术，可以极大的扩大选择性保护范围。本方案经计算得出结论：可实现选择性保护。,应用举例,第二支路： 将馈电屏和测保屏中断路器分别更换为GM5-63H延迟动作型微断和GM5-63L快速限流型微断。 馈电屏H型（延迟动作型）与测保屏L型（快速限流型）同时使用，具有级联技术，可以极大的扩大选择性保护范围。本方案经计算显示具有选择性保护特性。,应用举例,第1步：判据 验证本级断路器出线端最远处短路电流是否大于本级断路器短路短延时或短路瞬时脱扣器的动作上限： GM5FB系列：Isd=7In GM5-63H系列：Ii=15In GM5-63L系列：Ii=10In 第2步：结论 如大于上述脱扣器动作上限，则判断灵敏度合格。,问题1：解决选择性保护问题,问题2：解决灵敏度问题,应用举例,蓄电池出口保护电器,主馈电屏,220kV继保室 分馈电屏,测控保护屏,此短路电流落在分电屏断路器瞬动区，瞬时分断。 主馈屏断路器延时2080ms，如果短路电流仍然存在，则主馈屏断路器作为后备保护分断。,此短路电流落在测保屏断路器瞬动区，瞬时分断。 落在分电屏断路器过载长延时区域，由于具有级联特性，未达到分电屏断路器额定电流的20倍，有选择性。,主馈屏和蓄电池出口断路器满足上下级额定电流大于2.5倍的规则，可实现选择性保护。,测保屏 6AL型,蓄电池 出口 250A,蓄电池400Ah,主馈屏 100A,Icc438,Icc3118,Icc3230,应用举例,分电屏 20AH型,Icc1220,3230A 灵敏度校验,小结： 这种方案需要将蓄电池出口至主馈电屏的断路器设计为“全选择性”断路器，分电屏和测控保护屏断路器需成套改变，采用H型和L型的级联技术实现选择性保护。 根据的判据是： “全选择性”断路器 之间，只要保证上级断路器额定电流是下级断路器的2.5倍或更大，即可靠实现选择性保护。 “全选择性”断路器与H型两段保护断路器之间，可自然实现选择性保护。 两段保护断路器之间，采用H型和L型的级联技术实现选择性保护：只要保证经下级L型断路器限流并分断后的短路电流峰值，小于等于上级H型断路器额定电流的20倍。,应用举例,TIPS： 什么是级联技术？ 级联技术是一种在不扩大上级断路器额定电流的情况下，能够在一定短路电流范围内，扩大两段保护断路器之间选择性保护范围的一种技术。,快速引弧技术：超级限流能力,动作阈值区别设计：C（H）型+C（L）型,延迟/快速动作技术：瞬时脱扣器空行程区别设计,级联技术 可靠全选择性,级联选择性技术,GM5-63C（H）与GM5-63C（L）成套使用，形成级联配合，可以有效的实现上、下级直流断路器的全选择性配合。 （1）测控保护屏2A6A断路器和分电屏或馈电屏直流断路器的瞬动脱扣器的运动空行程区别设定。,采用不同工作气隙的GM5-63 C（H）和 C（L）型断路器,级联选择性技术,GM5-63 C（L）型快速(小行程）分断技术和超强的限流技术，使其分断限流以后的短路电流超过上一级断路器瞬时脱扣器动作阈值的维持时间不超过0.6ms。 GM5-63 C（H）采用大行程的瞬时脱扣器技术，使其瞬时脱扣器的空行程时间控制在大于0.8ms。 在一定的短路电流范围内，使得下级C（L）特性断路器动作速度要快于上级C（H）断路器动作速度，使其还来不及动作的情况下，就能先行分断短路电流，避免了越级误动。但这需要计算下级C（L）断路器出线端预期短路电流，根据预期短路电流查限流曲线得出实际短路电流。 快速限流型C（L）断路器分断并限制的短路电流峰值小于上级C（H）断路器额定电流的20倍以内，将可实现选择性保护。而单独给C（H）型断路器通12In的电流，它的瞬时脱扣器就有可能动作。,级联技术实现选择性保护的判据,级联选择性技术,GM5-63 C（L）、C（H）系列小型直流断路器限流曲线,返回,级联选择性技术,（2）提高测控保护屏GM5-63C（L） 2A6A断路器的限流性能和分断速度。采用小行程的独特设计，使得GM5-63C（L）全分断时间最快可达2ms.另外专利技术-复合式灭弧系统的应用，实现了超极限流。见下图,组合式灭弧系统原理图,永磁磁铁,导磁片,磁吹线圈,级联选择性技术,新型组合式灭弧系统由永久磁铁、磁吹线圈与金属导磁板组合而成。永久磁铁形成的磁场、导磁片之间产生的磁场与引弧片处的磁吹线圈产生的磁场相互叠加，总体提高了导磁片中磁场强度。 最终起到吹弧作用的是：几种方向一致的磁场的叠加，在分断大电流时，导磁片间形成了强大磁场，磁场把电弧快速拉长，变细，并吹入灭弧室冷却，这直接提高了电弧电阻，限制了短路电流的爬升，最终提高断路器限流能力。,级联选择性技术,Icc经断路器分断后的短路电流峰值 U直流系统电压 R直流系统截至到短路点的固有电阻 Rarc断路器分断时的电弧电阻 电弧电阻率 l电弧长度 S电弧截面积,级联选择性技术,GM5-63 C（L）、C（H）系列小型直流断路器限流曲线,级联选择性技术,（3）将测控保护屏2A6A断路器动作倍数阈值限制在更小的范围内；同时将分电屏或馈电屏上直流断路器的短路瞬时脱扣器动作倍数阈值适当加大，使其延迟动作。 具体的两段保护断路器之间的配合情况，可查询断路器选择性保护配合表。 下表4-1为上下级均为小型直流断路器时的选择性保护配合表，该表内的参数均经过大量的试验验证，这种查表方式，可不计算实际短路电流，仅了解蓄电池容量和系统导线电阻，即可查表得到选择性保护方案。,级联选择性技术,返回,级联选择性技术,四台断路器串联使用（有分屏）的选择性方案一,蓄电池,短延时时间,断路器,GM5B-32,GM5-63C特性,7ms,无,蓄电池出口 断路器,馈电屏断路器,分电屏断路器,测保屏断路器,产品配置方案及判据,GM5FB系列,20ms80ms,20ms80ms,GM5FB系列,产品配置方案及判据,变电站直流系统三级断路器串联使用（无分电屏）建议配置表,变电站直流系统四级断路器串联使用（有分电屏）建议配置表,变电站直流系统四级断路器串联使用（有分电屏）建议配置表,应用位置,短延时时间,10ms,0ms,蓄电池出口,馈电屏,分电屏,测保屏,60ms,30ms,第三代选择性断路器,短延时时间,7ms,0ms,20ms80ms,20ms80ms,GM5B-40,GM5-63CL,GM5FB,GM5FB,第二代选择性断路器,GMB-32,GM32,GMB系列,GMB系列,缺陷,电子式定时限,同上,2极宽度72mm，线路板持续带电，灵敏性差,限流效果差,颠覆,机械式反时限 强限流,同上,2极宽度45mm，线路板仅在短路时工作，兼顾灵敏性,合理脱扣倍数，超强限流，无极性,直流系统保护电器全面替换方案,保护电器选型分析,变电站直流系统三级断路器串联使用（无分电屏）建议配置表,关于直流系统保护电器参数选择,断路器的额定工作电流 1） Ipc Ica1：（新版直流规程DLT5044送审稿附录D.1.1）（确定In上限） 断路器的额定工作电流最大不应超过该断路器出口导线截面积的长期载流量 2）Ica= （新版直流规程DLT5044送审稿附录D.1.1） 3）直流系统不同位置断路器In的选择： 蓄电池出口：In不应小于1小时放电率电流I1h 主馈屏和分电屏：要满足上下级选择性的要求，如GM5FB与GM5B-40 之间In要满足3倍的关系 末端：根据实际负荷，并考虑启动电流。（新版直流规程DLT-5044送审 稿：5.1.4“直流分电柜供电的负荷侧终端断路器额定电流不宜大于6A”）,Scac*Up,*2l,变电站直流系统三级断路器串联使用（无分电屏）建议配置表,断路器的分断能力 1） 新版直流规程DLT-5044（送审稿）6.9.6： “当厂家未提供阀控铅酸蓄电池短路电流时，直流柜内元件应符合下列要求： 阀控铅酸蓄电池容量为800Ah以下的直流系统，可按10KA短路电流考虑； 阀控铅酸蓄电池容量为800Ah-1400Ah的直流系统，可按20KA短路电流考虑； 阀控铅酸蓄电池容量为1500Ah-1800Ah的直流系统，可按25KA短路电流考虑； 阀控铅酸蓄电池容量为2000Ah的直流系统，可按30KA短路电流考虑； 阀控铅酸蓄电池容量为2000Ah以上时，应进行短路电流计算。” 2）计算公式与经验值 公式：根据新版直流规程DL/T5044（送审稿）中的短路电流计算公式为： Idk=n*U0/n*rb+（n-1）r1+rj+rk,变电站直流系统三级断路器串联使用（无分电屏）建议配置表,式中：Idk为断路器安装处的短路电流，A；n为蓄电池组单体数；U0为蓄电池开路电压，V；rb为蓄电池单体内阻，；r1为蓄电池间连接条或导体内阻，；rj为蓄电池组至断路器安装处连接电缆或导体电阻之和，；rk为相关断路器内阻之和，。 经验值： 通过分析新版直流规程DLT-5044（送审稿）“表G2.1蓄电池组电阻及出口短路电流值”，表中 蓄电池出口短路电流Icc，一般为蓄电池容量的15倍左右。,延伸：充电机直流侧，母联开关选型,微型断路器的脱扣特性： 直流末端B型误动和CL型合理脱扣倍数,六、软件分析与服务,级联技术,1.提供客户培训课程 （1）直流产品类/交流产品类培训课程 （2）直流/交流系统选择性方案类培训课程 2.提供直流系统计算、验证软件 3.提供设计方案短路电流计算书。 4.提供电厂、变电站现场测算短路电流、 验证断路器级间选择性保护。,产品增值服务,产品增值服务,分电屏,测保屏,直流屏,蓄电池出口,GM5FB样本是否需要补充限流曲线？,产品增值服务,北京人民电器厂有限