（电气工程专业论文）直流电源系统断路器的级差配合研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 在电力系统中，由于发电厂和变电所直流系统的供电负载多，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来进行保护，并往往 分成三至四级串联，这就存在着保护电器如何正确选型及上下级之间选择性保护 的配合问题。电力系统向超高压、大容量方向发展，为这些大容量电力设备提供 控制、保护、信号和操作电源的直流系统的安全、可靠、经济运行就必须提到一 个新的高度。因此，级差配合问题就成为直流系统运行中一个比较关键的问题 本文主要针对5 0 0 k v 陈家桥变电站2 2 0 v 直流系统，依据目前实际的运行情 况，对此系统进行级差配合的分析，对系统中熔断器和断路器的选择给出合理的 建议。 论文首先介绍了5 0 0 k v 陈家桥变电站2 2 0 v 直流系统的特点，根据断路器和 熔断器的工作原理，结合各种型号断路器和熔断器的电流一时间特性，在m a t l a b 中建立直流系统中断路器和熔断器的模型，并对模型进行了验证分析，然后根据 直流系统的接线图，建立了直流系统的模型。 其次，论文分析了负荷为1 0 0 以及实测运行数据的情况下，上下级器件间的 级差配合问题。采用先理论分析，找到越级的临界点，再用建好的直流系统模型 进行仿真验证的方法。分析的结果和实际比较接近，为各级器件的选择提供了依 据。 最后，论文为陈家桥站的直流系统改造提出了合理的建议，也为以后直流系 统中上下级器件选择的提出了依据。 关键词：直流断路器，直流熔断器，级差配合，建模，m a t l a b 仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nt h ep o w e rs y s t e m s ，a st h e r ea r em o r el o a d si nd cs y s t e mo fp o w e rp l a n t sa n d s u b s t a t i o n sa n dt h ec i r c u i tw i d e l yd i s t r i b u t e d ，m a n yb r a n c hc i r c u i t sn e e db r e a k e r sa n d f u s e st op r o t e c tt h es y s t e mi nd cn e t w o r ka n dt h ep r o t e c t i o ns y s t e ma r eo f t e nd i v i d e d i n t ot h r e eo rf o u rs t a g e s s ot h ep r o b l e m se x i s ti nt h es y s t e ma r eh o wt op r o p e rs e l e c t t h ep r o t e c t e dd e v i c e sa n dt h em a t c h i n gb e t w e e nt h eu p p e ra n dt h el o w e rp r o t e c t e d d e v i c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e mt ol a r g e - c a p a c i t ys y s t e ma n de h v s y s t e m ，t h es a f e ，r e l i a b l ea n de c o n o m i co p e r a t i o no f d cs y s t e m , w h i c hp r o v i d e sc o n t r o l ， p r o t e c t i o ns i g n a l s a n do p e r a t i o np o w e rt o l a r g e c a p a c i t ye l e c t r i cd e v i c e s ，w i l lb e r e f e r r e dt oan e w h e i g h t t h e r e f o r e , t h es t a g ed i f f e r e n c ec o o r d i n a t i o np r o b l e mw i t ht h e o p e r a t i o no f d cs y s t e mh a s b e c o m eak e yi s s u e t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t h2 2 0 vd cs y s t e mo f5 0 0 k vc h e nj i a o q i a os u b s t a t i o n t h es t a g ed i f f e r e n c ec o o r d 妇f i o ni sa n a l y z e db a s e do nc u r r e n to p e r a t i o no ft h ed c s y s t e ma n dt h er e a s o n a b l ep r o p o s a l sa r eg i v e nt oc h o i c et h eb r e a k e r sa n dt h ef u s e si n t h i sd cs y s t e m a tf i r s tt h eo p e r a t i o nf e a t u r e so f2 2 0 vd cs y s t e mo f5 0 0 k vc h e nj i a o q i a o s u b s t a t i o na r ei n 拄o d u e e d a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec u r r e n t - t i m e c h a r a c t e r i s t i co fb r e a k e r sa n df u s e s ，t h em o d e l so ft h e ma r ee s t a b l i s h e di nm a t l a b a n dt h et e s ta n a l y s i sh a sd o n e t h e nb a s e do nt h ed i a g r a mo fd cs y s t e m ，t h es y s t e m m o d e li se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h es t a g ed i f f e r e n c ec o o r d i n a t i o ni sa n a l y z e do ft h es y s t e ma tl o a do f 1 0 0 a n dm e a s u r e dd a t ao f d cs y s t e m t h e o r e t i c a la n a l y s i si su s e dt of i n dt h ec r i t i c a l p o i n to f l c a p f f o ga n d t h e n s i m u l a t i n gt h ed cs y s t e mm o d e lt e s t st h er e s u l t s t h er e s u l t s o ft h ea n a l y s i sa r ef a i r l yc l o s et or e a l i t y ；, t h er e a s o n a b l ep r o p o s a l sa r eg i v e nt oc h o i c e d e v i c e s f i n a l l y , r e a s o n a b l ep r o p o s a l sa r ep o i n t e dt oc h e nj i a o q i a od cs y s t e ma n dh o wt o s e l e c tt h eu p p e ra n dl o w e rp r o t e c t e dd e v i c e s k e y w o r d s ：d cb r e a k e r , d cf u s e s ，s t a g ed i f f e r e n c ec o o r d i n a t i o n , m o d e l ， l t l a b s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：槲砖签字日期：抽g 年，月砑目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重迭盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印沣和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重瘥盔堂可以将学7 二论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩e 或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后于主用本授权书。 本学位论文属于 不保密( x ) 。 ( 请只在上述个括号内打“- 4 ”) 学位论文作者签名：铆灞硅 签字日期：。泐z 年，月2 - 3 日 谚 目铲年 帮耐 l 下 一 名 期 签 日 煨 字 斟 签 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着我国电力工业的不断进步，电力系统向超高压、大容量方向发展，为这 些大容量电力设备提供控制、保护、信号和操作电源的直流系统的安全、可靠、 经济运行就必须提到一个新的高度【l 卅。 电力工程必须具备安全可靠的控制电源。控制电源一般分为两类：一类是直 流电源，一类是交流电源。由于直流电源独立于交流动力电源系统之外，不受交 流电源系统事故的影响，具有安全可靠、运行维护方便等特点，从而得到广泛应 用，特别是对于高电压和大容量机组等可靠性要求较高的电力设备，直流电源几 乎是唯一可供选择的控制电源。当前，由阀控式密封铅酸蓄电池、高频开关整流 器、直流电源监控装置、直流断路器或熔断器构成的直流电源系统，已经成为电 力系统发电厂、变电站不可缺少的必要装备【2 训。 正常运行时，直流系统为断路器提供合闸电源，为继电保护及自动装置、通 讯等提供直流电源；故障时，特别是交流电源中断的情况下，直流系统为继电保 护及自动装置、断路器的合跳闸、事故照明提供安全可靠的直流电源。这是电力 系统继电保护、自动装置和断路器正确动作的基本保证。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之内，这对防止 系统破坏、事故扩大和主设各严重损坏至关重要。因此，加强熔断器、断路器的 选择和配置的正确性，对提高电力系统运行的安全可靠性具有重要的意义【i 。5 1 。 随着发电厂、变电站的控制负荷和动力负荷对直流电源的要求越来越高，其 保护电器的过载保护、短路保护要求也十分严格。为保证电力设备安全运行，要 求保护电器准确、可靠、快速切断故障电流，它不应拒动，也不应误动，尤其是 不允许越级误动，否则将导致电力设备的损坏和系统故障、事故波及范围扩大甚 至造成大面积停电等严重事故。 目前，我国高频开关电源的研发、生产和运用已走在世界的前列，但在如熔 断器、断路器等重要元器件的研发、生产和运用还远远不能满足系统安全的要求， 这也成为制约直流系统发展的瓶颈问题。 1 2 断路器的工作特性 断路器又称为空气开关，按结构型式可分为框架式和塑料外壳式。是用于当 重庆大学硕士学位论文】绪论 电路中发生过载、短路和欠电压等不正常情况时，能自动分断电路的电器；也可 以用作不频繁地起动电动机或接通、分断电路。它是低压交、直流配电系统中的 重要保护器件之一。它具有过载反时限动作断开和短路快速切除的保护功能们。 其结构框图如图1 1 所示。 脱扣器 操作机构 传动机构 触头 自由脱扣机构灭弧系统 主轴 图1 1 断路器的结构框图 f i g1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f b r e a k e r 由于直流短路电流的灭弧比交流困难，不像交流电流有过零的特征，容易熄 弧，所以直流开关的开断距离要大于交流开关。为更好的提供灭弧能力，在开关 的消弧槽内附加了恒定磁场，它可与直流电弧作用在灭弧室内，使之更容易灭弧， 因此直流断路器的接入是有极性的，不能接反。 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中不能 有效、可靠地熄灭直流电弧，容易造成上下级越级动作。河北电力公司某1 1 0 k v 变 电站直流屏馈线开关原采用交流c 4 5 n 型断路器，曾两次越级动作造成事故。 空气开关的过载和过流特性与熔丝不同，由于有两个动作元件( 电磁线圈、双 条金属) ，整个动作曲线实际上由两个曲线拼合而成，如图1 2 所示。 图1 2 断路器的保护特性 f i g1 2p r o t e c t i o nf e a t u r ec u r v co f b r e a k e r 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 从曲线中可以看出，当开关中通过的电流超过额定工作电流时，过载保护元 件就开始动作，其动作曲线具有反时限性质，当过载电流大于6 8 倍额定电流时， 速断元件动作，瞬时将开关断开。 断路器全分断一次的时间t = t + t o + t 。，是从短路出现瞬间开始到触头分断 和电弧熄灭为止，以m s 计算。其中t ：电流上升到整定电流( 脱扣电流) 的时间， t o ：开关固有动作时间，t 。：燃弧时间。 断路器的主要技术参数包括：分断能力、限流能力、动作时间、使用寿命和 保护特性。 常用直流断路器的分类乒8 】： ( 1 ) 两段型保护：过载长延时+ 短路瞬时保护 g m 3 2 2 5 4 0 ( 北京人民电器厂) 5 s x 5 2 3 4 0 ( 西门子公司) 5 2 5 2 s d c ( a b b ) c 3 2 h d c ( 梅兰日兰) n d m l 6 3 ( 良信) ( 2 ) 三段型保护：过载长延时+ 短路短延时+ 短路瞬时保护 g m b 3 2 2 5 ( 北京人民) g m b l 0 0 5 0 、8 0 ( 北京人民) 按脱扣电流分： c 型：脱扣电流为额定电流的5 1 0 倍 d 型：脱扣电流为额定电流的1 0 1 4 倍 b 型：脱扣电流为额定电流的3 5 倍 由于直流断路器的结构特点，切断直流电弧快速，分断指标高，限流作用明 显，直流断路器的瞬时脱扣动作的安秒特性比熔断器的熔断特性和选择性、经济 性都优越，可明显简化保护，便于维护管理和提高了直流电源系统的可靠性。所 以，直流断路器作为控制和保护器件在直流电源系统馈电回路中广泛得到使用。 1 3 熔断器的工作特- 陛 熔断器在结构上主要由熔断管、熔体和导电部件等部分组成。而其中熔体是 主要组成部分，它既是感测元件又是执行元件，是由一种电阻率较大而熔点较低 的合金制成，当有过大的电流通过时，熔丝产生较多的热量，使它的温度迅速达 到熔点，使熔丝熔断【5 咖。 熔断器的发热量遵循以下公式： q = 0 2 4 1 2 r t( 1 1 ) 重庆大学硕士学位论文1 绪论 其中q ：发热量，i ：流过导体的电流，r ：导体的电阻，t ：电流流过导体的 时间。若产生的热量的速度小于热量耗散的速度时，熔丝不会熔断；当速度相同 时，在相当长的时间内它也不会熔断；若产生热量的速度大于热量耗散的速度时， 熔丝温度升高，就会熔断。 熔丝的熔断性具有反时限特性，大于额定电流值越大，熔断时间就越短，其 熔断特性如图1 3 所示。l 是最小熔化电流或临界电流。选择熔断器时，熔体的额 定电流，。应小于j ，一般取，= ( 1 5 2 ) ，。 图1 3 熔断器的保护特性 f i g1 3p r o t e c t i o nf e a t u r ea v eo f f u s e 熔断器的主要技术参数如- f t l 2 - 1 s ： 额定电压：指熔断器长期工作时和分断后能够耐受的电压，其值一般等于 或大于电器设备的额定电压 额定电流：指熔断器长期工作时，各部件温升不超过规定值时所能承受的 电流。 极限分断能力：指熔断器在规定的额定电压和功率因数( 或时间常数) 的条 件下，能分断的最大电流值。 直流电源系统的保护器件以往用熔断器较多，要求上下级间的熔断性配合一 般要求2 3 级配合，但由于熔片的特性及管理上的原因，可靠性较差，其原因为： 熔片局部熔化。 熔片氧化。 熔片内阻不一致。 安装中固定螺栓的压力不一样，熔片有损伤等，造成熔断器的熔断特性变化 等。 由于熔断器切断直流电弧能力差和安秒特性不稳定、选择性差等，从而引起 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 误动或越级熔断事故，故不能可靠满足直流电源系统保护的要求。为此，目前在 直流系统中广泛采用直流断路器做主要的保护元件，在特殊情况下才采用熔断器 或与直流断路器配合作保护元件。 1 4 直流系统级差配合的重要性及其研究的意义 在电力系统中，由于发电厂和变电所直流系统的供电内容多，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来进行保护，并往往 分成三至四级串联，这就存在者保护电器如何正确选型及上下级之间选择性保护 的配合问题。所谓选择性保护是指配电系统中两个或几个断路器之间的电流一时 间特性的配合，当在给定范围内出现过电流故障时，指定在这个范围动作的断路 器动作，而其它的断路器不动作，从而将受故障影响的负载支路数目保持在最小 程度m 。 决定一个低压直流系统运行安全性和可靠性的不是某一个元件的性能，而是 全部元件的协同配合。开关电器元件的最佳协同工作的前提是导线和设备保护的 选择性工作方式。每个分支、每台电器元件应尽可能受到过载和短路保护，通过 通断动作来保护沿着供电方向的其他设备不受任何影响。在该系统中低压断路器 和熔断器的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，直接关系到能否把直流电源的故障限制在最小范围内，关系到系统的安全 可靠运行。甘肃电力公司两个1 1 0 k v 变电站在直流支路发生短路时，支路断路器 未动作，越级使蓄电池总熔丝熔断，造成全站失电。据调查统计2 0 0 0 - - - 2 0 0 4 年间， 由直流开关引起的故障占5 【l “。 过去越级误动的原因主要是由保护电器选择不合理造成的。多年来，在直流 系统中应用的直流断路器逐渐增多，而目前各生产厂家提供的断路器选择性配合 表是在产品型式试验时得到的，且缺乏直流方面的数据，其使用大多数是凭经验 而定，选用是否合理，是否能真正实现选择性保护配合并不很清楚。另外一些新 型的低压直流专用断路器开始用于直流电源系统，它分断直流电弧可靠、转换能 力高，对短路故障设备能起到最合理的保护，特别是在使用三段保护式直流断路 器时，大大简化了线路设备的设计和工艺，但未能被人们普遍认识及合理选用。 而对于重庆电网来说，直流系统使用断路器作为保护电器的情况越来越普遍， 其使用范围、场合以较快的速度增长。但断路器动作特性怎样，上下级差如何配 合，特别是熔断器与断路器的级差配合问题，以及怎样根据直流系统实际状况选 择合理的保护电器等问题，很多方面并不很清楚。许多单位凭经验、感觉使用， 造成配置方式多种多样。或采用熔断器，或采用直流断路器，或采用熔断器和直 流断路器混用，或交直流断路器都采用。如此多的配置方式，给维护、运行人员 5 重庆大学硕士学位论文i 绪论 带来了极大的困惑，越级动作的隐患更让人防不胜防。曾经发生过由于越级跳闸 使蓄电池脱离系统，造成全站失电，使主变保护拒动致使主变烧毁的重大事故。 此一事件引起了高度重视，让直流专业从继保专业独离出来，以便于直流系统安 全运行的管理和维护1 1 l “j 。 因此，级差配合问题就成为直流系统运行中一个比较关键的问胚，现在各单 位在建设中，变电站的直流系统级差一般都按设计单位给出的2 - 3 级进行配合，而 没有根据实际直流系统的接线方式、蓄电池和保护电器的内阻差异进行具体分析， 特别是没有考虑到熔断器与直流空开混合配置以及熔断器和直流空开的分散性等 问题。随着电力设备的不断发展和更新，直流负荷的性质也发生了相应的变化， 原本多使用电磁操作机构，进行分合闸时，冲击电流较大，而现在多用液压或弹 簧贮能操作机构，使分合闸电流减小，而些设计者和使用者没有注意到此变化， 往往选择的保护电器过大，实际上不能起到保护作用。在设备制造过程中，国内 多数厂家并没有意识到级差配合的重要性，或者没有能力进行级差配合检测。在 直流电源设备在安装调试中，安装单位也不进行任何保护级差配合的调试工作， 而对于运行单位而言，由于没有直流系统级差配合的实际数据，也是心中无底， 始终是一个安全隐患。当直流系统投入运行后，由于连续供电等安全因素的限制， 使得运行中的保护级差配合的测试工作显得更加重要和困难。 电力安全重在预防，国家电网也非常重视保护电器的选择和级差配合问题， 在国标、行业标准及各类管理规范都做出了相应的规定【1 9 侧： d 1 z r5 6 4 4 - - 2 0 0 4 电力工程直流系统设计技术规程中的第6 1 条：保护 规定采用直流断路器或熔断器。当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；而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。第7 5 条规定了直流断路器选择原则 为：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。第7 6 条规定了熔断器选择原则是：隔离电器、报警触点、断流能力、级差配合。 国电发 2 0 0 0 1 5 8 9 号防止电力生产重大事故的2 5 项重点要求中的第l o 条防止汽轮大轴弯曲，轴瓦烧损事故，要求直流电源系统应有足够容量其各级熔 断器应合理配置防止故障时熔断器熔断而失电。第1 3 条防止继电保护事故，要求 保证继电保护操作电源的可靠性。第2 0 条防止枢纽变电所全停电事故，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。第2 3 条防止全厂停电事故，要 求加强蓄电池和直流系统( 含逆变电源) 的维修。 国网公司文件预防直流电源系统事故措施中第1 1 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台要求，使用前宜进行安秒特性和动作 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 电流抽检 国网公司文件直流电源系统技术标准中5 3 2 2 条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 条直流空气断路器、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，并应满足动作选择性的要求。5 3 2 6 条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 气断路器的上级使用熔断器。防止在回路故障时失去动作选择性。 国网公司文件直流电源系统技术监督规定中第2 7 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；自动空气断路器使用前应进行特 性和动作电流抽查。国网公司文件直流电源系统运行规范中第1 2 条直流熔断 器和空气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，并定期进行核对，防止因其不正确动作而扩大事故。 华中电网有限公司预防直流系统事故措施中，第4 6 条各级熔断器的定值 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，电源端选上限，网络末端选下限。第4 7 条为防止事故情况下 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。 第4 8 条新、扩建或改造的变电所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，应及时更换为具有自动脱扣功能的直流断路器。第4 9 条当直流断路器与 熔断器配合时，应考虑动作特性和级差配合，直流断路器下一级不应再接熔断器。 第4 1 0 条当直流断路器与直流断路器配合时，应保证级差配合，级差倍数应根据 直流系统短路电流计算结果确定。第4 1 1 条直流系统用断路器、熔断器在投运前， 应按有关规定进行现场检验。 上述标准的理解和执行尚有不完善和困难之处，而对空气开关和熔断器进行 安秒特性和动作电流抽检工作比较困难。级差配合事故还是不断出现，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。 1 。5 直流系统级差配合问题的复杂性及其研究现状 国标规定：直流空气断路器，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。虽然这些措施和规定原则性很强，但在实际中可操作性较差。这 是由于直流系统级差配合问题的复杂性【l - 3 】： 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 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 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( 选用三极空开) ，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 得到很好解决。 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 l 5 l ，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，也是级差配合中的难题。 熔断器保护由于特性的不稳定性沼厂家的产品有差异) ，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，必须定期更换合 格产品。 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。 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( 往往使系统产生环形供电) 。这给直流电 源馈线保护电器的选择和级差配合出了难题【4 】。 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 1 3 j 4 】。 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 - 1 5 1 n ( c 型脱扣) ，塑壳断路器为8 1 2 i n ， 短路电流大小也对断路器的全分断时间有一定分散性 1 5 , 1 6 1 。 直流电源设备投运前的生产、安装调试中，也不进行任何保护级差配合的 调试工作。 针对以上问题可采用以下的解决办法【1 。4 2 3 6 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。 新设计的工程在设计、生产和安装调试中都应按设计规程的规定进行。 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、充电机出口保护要计算短路电流，正确选择保护电器， 特别是蓄电池出口的保护电器的选择；直流母线进线和出线之间的级差( 短路电流 基本一样) ；直流电源末级与当出现直流负荷有并联支路时需要解决的问题：各类 重庆大学硕士学位论文1 绪论 保护器件内阻和限流特性；短路电流的计算值( 预期值) 与实测值的关系；各种保护 电器的动作特性。 统一选用全系列熔断器，级差配合是比较方便的，但装直流隔离电器和馈 线熔断器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。 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 2 5 ，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，主要是订货为非标件，麻烦。另一种是短路电流小，灵敏度 1 2 5 ， 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。 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，避免了越级误动。但并不是任何短路电流下均不动作，当短 路电流太大时( 大于6 0 i n 或以上) 还是要瞬动的，这是直流断路器耐受能力的需要， 实际上这种情况不是越级误动的。( 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( 1 0 、3 0 、6 0 m s ) + 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。) 智能脱扣器是按逻辑关系实现级差配合，目前还不具有商业化的市场产 品。 限流型断路器没有权威部门的检测数据，因而应用领域还不成熟。 直流隔离开关的选择，其直流隔离功能远优于某些用交流开关的设计。用 直流隔离开关在正常切断负荷电流时电弧不外波和具有符合标准的隔离功能等。 总之，直流电源保护电器的选择，首先要研究各种保护电器的特性，然后从 系统上研究级差配合的问题，加强运行维护的管理，达到安全运行的目的。因而 是一个应该重视的问题。 近年来，各地直流设备生产厂家相继建立直流试验站进行级差配合试验的研 究，主要是采用模拟变电站的实际运行环境进行短路试验研究的方梨】，原则是 假定直流短路电流逐步增加，直至上下级之间不能配合为止。其试验接线如图1 4 ， 1 5 所示： 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 盈i 畦 图1 4 直流断路器越级脱扣试验接线图 f i g1 4w i r i n gd i a g r a mo f d cb r i e r so n p p i n gt e s t 4 0 1 电秒表 图1 5g m 系列直流断路器热敏电磁过流脱扣试验接线图 f i g1 5 w i r i n g d i a g r a m o f s e r i e s - g m d c b r e a k e r s 0 1 1 h e a t - e l e c t r o m a g n e to v e r - c u r r e n t a - i p p i n g t e s t 但级差配合的研究成果尚没有纳入标准之中，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 西等地的研究正在进行中，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。但这些研究多是定性分析，进行定量 的数据分析较少，并且均未从系统的高度上进行。 1 6 论文的主要工作 一般的研究只是单条支路上单个断路器与其上下级的配合关系，而实际运行 中却是多支路多个断路器并联运行，它们相互影响，构成一个整体，所以对运行 中的直流系统的级差配合研究必须从系统的高度进行研究。随着对直流系统安全、 可靠和经济的运行的要求越来越高，直流系统级差配合的研究就越来越重要。对 于一些复杂的直流系统，直接进行试验研究是不可行的。因此就需要对直流系统 的保护器件建立模型，进行仿真研究，该方法不用在运行的设备上做试验便能取 得相关的数据，可操作性、便于修改、通用性强，更接近于实际运行情况。本论 文也为运行中的直流断路器进行级差配合研究探索了一条新路。 1 0 j 一 迥+ lo婪 重庆大学硕士学位论文1 绪论 本论文的主要工作是针对5 0 0 k v 陈家桥变电站2 2 0 v 直流系统，根据断路器 和熔断器的工作原理，结合各种型号断路器和熔断器的电流一时问特性，在 m a t l a b 中建立直流系统中断路器和熔断器的模型，并对模型进行了验证分析， 然后根据5 0 0 k v 陈家桥变电站2 2 0 v 直流系统的接线图，建立了直流系统的模型。 其次，论文分析了负荷为1 0 0 以及实测运行数据的情况下，上下级器件间的 级差配合问题。采用先理论分析，找到越级的临界点，再用建好的直流系统模型 进行仿真验证的方法。分析的结果和实际比较接近，为各级器件的选择提供了依 据。 最后，论文为陈家桥站的直流系统改造提出了合理的建议，也为以后直流系 统中上下级器件选择的提出了依据。该论文在对运行中的直流系统进行级差配合 研究方面具有创新性，对直流系统的安全运行以及直流设备安全性评价具有实用 价值。 论文的主要内容包括以下几个方面： 搜集陈家桥变电站直流系统的接线图，了解系统构成情况； 确定主要研究的断路器、熔断器型号和在系统接线图中的功能； 联系断路器生产厂家，对断路器和熔断器的工作原理进行分析，拟合了断 路器和熔断器的保护特性函数，建立了断路器和熔断器的模型，并进行了仿真验 证： 对建立的模型进行封装，根据陈家桥2 0 0 v 直流系统接线图，搭建了直流 系统的系统模型； 在负荷为1 0 0 和实际测试的数据两种情况下，对不同支路、不同支路条 数和两种支路组合的情况，对直流系统的模型进行了理论分析和仿真验证。 对现有的不合理配置提出整改措施和对保护器件器件的选择给出了合理 的建议。 重庆大学硕士学位论文 25 0 0 k v 变电站直流系统的运行特点 25 0 0 k v 变电站直流系统的运行特点 2 15 0 0 k v 陈家桥变电站简介 5 0 0 k v 陈家桥变电站始建于1 9 9 2 年5 月1 日，是重庆电网中第一座5 0 0 k v 站， 是川渝电网联络最为重要的枢纽变电站，是川电东送的重要通道，是重庆电网负 荷交换中心。 5 0 0 k v 陈家桥变电站位于重庆市沙坪坝区陈家桥镇莲花滩村，是国家重点水 利工程二滩水电站配套送出工程的一部分。整个工程分两期进行。一期工程 建成了2 2 0 k v 开关站，于1 9 9 3 年年1 2 月2 5 日投运。二期工程于1 9 9 8 年3 月1 0 日开始扩建，完成了5 0 0 k v 、3 5 k v 开关场扩建以及2 2 0 k v 母线双母线双分段改造 等。二期工程结束后，形成了5 0 0 k v 变电站，成为承担全重庆市最大供电负荷的 最重要的变电站。 5 0 0 k v 陈家桥变电站由西南电力设计院设计，四川送变电建设公司承建，四 川电力工程建设监理有限责任公司负责监理。全所总占地面积1 1 2 0 5 6 米2 。 变电站安装并投运两组主变压器，每组容量为7 5 0 m v a 。5 0 0 k v 主接线方式为 3 2 接线，设计5 串，现投运4 串。第一串的陈长二、第二串的陈长一与重庆市5 0 0 k v 长寿变电站连接；第四串的洪陈一、第五串的洪陈二与四川省自贡市5 0 0 k v 洪沟 变电站连接，5 0 0 k v 电源由5 0 0 k v 洪沟变电站送入；2 2 0 k v 主接线方式为双母线 双分段带旁路接线，目前投运出线1 4 回，分别与我市5 个供电局的8 个变电站连 接；3 5 k v 为两段单母线接线，共接有8 台电抗器、7 组电容器、两台所用变。 5 0 0 k v 陈家桥变电站的一、二次设备分别选用了日本、瑞士、法国、美国、 加拿大、英国、荷兰等国家和国内技术先进厂家的设备，对提高变电站安全运行 水平和供电可靠性起到了积极作用。 一次设备： 主变：日本东芝公司制造的单相无激磁自耦变压器 5 0 0 k v 高压断路器：瑞士a b b 公司制造的e l f s p 7 2 1 、2 2 型s f 6 断路器； 北京a b b 公司制造h p l 5 5 0 8 2 型s f 6 断路器 2 2 0 k v 高压断路器：法国a l s t h o m 公司生产的f x l 2 型s f 6 断路器；河南平 顶山高压开关厂生产的l w 6 2 2 0 w 型s f 6 断路器 3 5 k v 高压断路器：法国a l s t h o m 公司生产的f x l 2 i i i 、f x l l f 型s f 6 断 路器： s v c 无功补偿装置：中国电科院 二次设备： ， 重庆大学硕士学位论文 2 5 0 0 k v 变电站直流系统的运行特点 主变保护：英国g e c a l s t h o m 公司生产的保护： 5 0 0 k v 线路保护：美国g e 公司生产的t l s i b 型保护：国电南瑞继电保护公司生 产的l f p 一9 0 0 型系列保护 5 0 0 k v 开关保护：国电南瑞继电保护公司生产的l f p 一9 2 1 型保护 5 0 0 k v 母差保护：西班牙g e 公司生产的b u s 一1 0 0 0 型保护 2 2 0 k v 线路保护：国电南瑞继电保护公司生产的l f p 一9 0 0 型系列保护。 5 0 0 k v 陈家桥变电站的建成标志着重庆5 0 0 k v 电网的建立，为提高重庆地区 电网供电能力，为国家西部开发和重庆直辖市的建设提供了有利保证。 2 25 0 0 k v 变电站直流系统运行的特点 5 0 0 k v 变电站直流系统一般是双蓄电池组、双充电机( 若是相控充电则为三充 电机) 、分段运行，蓄电池为3 0 0 a h 及以上，设有单独的蓄电池室，在直流配电室 内有直流充电屏、直流主屏，主屏数量为牛5 面，电池室和直流配电室一般在底楼， 主控楼的保护室、开关场的保护小室有数量不等的直流分屏分接于两段母线上。 直流馈电一般由四级组成，第一级为蓄电池和充电机的熔断器和微型断路器； 第二级为直流主屏的熔断器和微型断路器；第三级为直流分屏的熔断器和微型断 路器；第四级为保护屏及其它屏的熔断器和微型断路器。这四级按照树状接线， 进行辐射供电，每一级上并联有几个至几十个熔断器和微型断路器，它们互相影 响，构成一个整体。由于其供电范围大，供电负荷的多样性，使其供电结构较为 复杂，级差配合的问题也突显出来【”弗】。 如果我们从每一级取一个熔断器或微型断路器进行级差配合试验，结果与实 际运行状况相差甚远，无多少实际意义。又由于5 0 0 k v 变电站设备运行安全性要 求的严格，我们不可能在运行现场进行试验，使短路电流的实测比较复杂，因此 灵敏度的校验也十分困难。 本课题就是针对5 0 0 k v 陈家桥变电站2 2 0 v 直流系统，依据现有的标准和规 定的直流断路器和熔断器的选择和配合原则，对此系统进行级差配合的分析，对 此系统中熔断器和断路器的选择给出合理的建议。采用的方法是用m a t l a b 对断 路器和熔断器建立模型，搭出陈家桥站2 2 0 v 直流系统的模型图，从系统上对其级 差配合的问题进行理论分析和仿真研究。该方法不用在运行的设备上做试验便能 取得相关的数据，可操作性、通用性强，更接近于实际运行情况。 5 0 0 k v 陈家桥站直流系统由两组3 0 0 a h 防酸蓄电池、三台相控充电机、四个 直流主屏、五个直流分屏组成。两组蓄电池和两台充电机分别挂于两段直流母线， 直流主屏和分屏也分别接于两段母线，另一台充电机可倒向两段母线备用，正常 运行时为分段运行。陈家桥直流系统经过几次改造，直流系统中用到的保护器件 1 3 重庆大学硕士学位论文 25 0 0 k v 变电站直流系统的运行特点 有北京人民电器的g m l 0 0 m 系列断路器，西门子5 s x 5 2 系列断路器和n t 系列的 熔断器。由于两段配置和负荷互为对称，为简化分析，本次课题以2 2 0 v i 段为研 究对象，5 0 0 k v 陈家桥站2 2 0 v i 段直流系统结构图如图2 1 所示： 0 棚 图2 1 陈家桥站2 2 0 v i 段直流系统 f i r2 12 2 0 vd cs y s t e md i a g r a mo f c h e n j i a q i a os u b s t a t i o n n t 0 0 1 0 0 a - 1 和g m l 0 0 m 1 0 0 a - 1 装于充电屏上，n t l 2 0 0 a 和n t 2 2 5 0 a 装 于进线主屏上，面接于i 段直流母线上的其它断路器和熔断器分别安装于出线主屏 上。直流分屏母线的进线一般有两回，分别来源两段不同的母线或同一条母线， 一回合上运行，一回断开备用，当一回断开，另一回需人工合上运行。也有两回 同时合上运行的( 此时要求两回来自同一母线电源) ，是因为主屏和分屏的距离远， 又加上使用的是铝芯线，造成压降大。而此次研究为简化接线，根据陈家桥站的 实际运行情况，将不供电的回路略去。 直流系统的负荷一般分为三类：经常负荷、事故负荷和冲击负荷。保护器件 的选择与实际运行的负荷有着密切的关系。 经常负荷就是在各种运行状态下，由直流母线不间断供电的负荷。包括经常 带电的继电器、信号灯、位置指示器和u p s 电源。陈家桥变电站i 段的经常负荷 约为1 3 a 左右，对蓄电池的浮充电流约为o 3 a ，主要分以下几种类型：