變電所低壓直流系統開關設備級差配合的研究

徐政 黃濤 秦福興

摘 要：依據變電所直流系統典型的上下級之間的配合情況，以現場常用斷路器和熔斷器為試驗樣品，進行級差配合試驗。通過試驗數據，提出級差配合的具體配置原則，確保變電所直流系統回路故障時有選擇性地切除故障回路，把系統的故障限制在最小范圍內，維護系統安全運行。

關鍵詞：變電所；直流系統；開關設備；級差配合

變電所直流系統供給站內繼電保護及安全自動裝置、控制信號回路、事故照明等工作電源，是繼電保護、自動裝置和斷路器正確動作的基本保證。

目前，斷路器和熔斷器是變電所直流電源系統中使用最廣泛的主要保護電器，在回路故障時有選擇性地切除故障回路，把系統的故障限制在最小范圍內。

斷路器和熔斷器往往需要多級串聯使用，其上下級之間具有選擇性保護是保證電力系統安全可靠運行的重要條件。國內電力系統發生多起變電站低壓直流系統開關設備因上下級失去了配合關系，而造成故障擴大的事故。這種隱患嚴重威脅著系統的安全運行，需要從根本上解決此類問題。

目前，直流系統保護元件級差配合存在的主要問題有以下四個方面：

1）變電所直流系統的終端控制屏和保護屏中，尚存在著不少用交流斷路器代替直流斷路器的現象，存在著不安全的隱患。交流斷路器用于直流回路，造成實際定值偏大，與上級實際級差變小。

2）熔斷器本身不規范，熔體的分散性和內阻不一致。

3）產品質量問題。目前國內低壓電器生產廠家過多，質量難以保證。

4）上下級間的額定值級差選擇不當。

對于直流斷路器之間、直流斷路器與熔斷器之間的級差配合照搬熔斷器間的配合規定。熔斷器與直流斷路器動作原理不同，安秒特性曲線不同，配合級差也不同。另外僅選擇兩段保護直流斷路器作保護操作電器的直流系統，在一定條件下存在著上下級配合不可靠的隱患。

在對吉林省變電所直流系統參數調研的基礎上，我們制定了直流系統級差配合的整體試驗方案。

對目前常用的進口和國產的二段、三段保護直流斷路器、交直流兩用斷路器、熔斷器的短路分斷特性和它們之間的級差配合的選擇性以及交流斷路器分斷臨界小直流電流等方面進行了試驗研究。

直流試驗系統接線電路如圖1所示。

通過大量的試驗，得到了豐富的、寶貴的試驗數據。結合吉林省電網直流系統當前存在的主要問題，對試驗數據進行了詳盡而細致的分析與歸納，最后總結出一系列級差配合的具體配置原則。

1 斷路器——斷路器之間級差配合

1）同廠家、同類型（均為塑殼或微型的）的兩段式直流斷路器上、下級配合時，當級差控制在4-5級時，短路電流不超過8-10倍上級斷路器額定電流，即可保證斷路器選擇動作的可靠性和正確性。

2）不同廠家、同類型的兩段式直流斷路器上、下級配合時，當級差控制在4-5級時，短路電流不超過8-10倍上級斷路器額定電流，即可保證斷路器選擇動作的可靠性和正確性。當配合條件滿足了兩級斷路器的級差配合時，三級斷路器的級差配合也滿足。

3）相同廠家上級三段式斷路器、下級兩段式直流斷路器配合時，短路電流可以延伸到25-30倍的上級斷路器額定電流，可保證斷路器選擇動作的正確性。

4）不同廠家上級三段式斷路器、下級兩段式直流斷路器配合，當級差控制在2-5級時，短路電流可以延伸到25-40倍上級斷路器額定電流，可保證斷路器選擇動作的正確性。

5）相同廠家、上下級均為三段式直流斷路器配合時，應避開上、下級之間相同短延時動作區段，根據各級短路電流計算結果，按照廠家推薦的斷路器選型方案執行。以保證斷路器選擇動作的正確性。

6）相同廠家、上下級均為三段式直流斷路器配合時，當無法避開上、下級之間相同短延時動作區段時，應控制下級短路電流全分斷時間在上級斷路器短延時時間內恢復到額定電流，即可保證斷路器選擇動作的正確性。三段式斷路器保護動作曲線見圖2所示。

7）上級配塑殼斷路器、下級配微型斷路器配合時，由于微型斷路器固有分斷時間短，極限短路電流可以延伸到20倍左右的上級斷路器額定電流，能夠保證斷路器選擇動作的正確性。

8）在三級三段保護式直流斷路器串聯的級差配合中，合理選用GMB三段保護式直流斷路器，上下級之間能具有保護的選擇性。選用方法為短路短延時脫扣器動作值全部選用10In（In為額定電流），斷路器短路短延時時間按從負荷側向電源側逐級加大時延的方法（0ms、10ms、30ms、60ms）選擇。

2 熔斷器——熔斷器之間級差配合

1）同廠家、同型號的熔斷器配合時，因其具有相同的安秒特性，兩級之間級差的配合應在3級，必要時應加大級差到4級或以上。在短路電流達到上級的10～20倍范圍內，可保證熔斷器選擇動作的正確性（符合反時限特性），配合特性良好。

2）同廠生產的熔斷器間易實現級差配合，但不同廠家的熔斷器間存在離散性， 原因是熔斷器生產廠家眾多，產品工藝及質量參差不齊，難以保證。

3 熔斷器——斷路器之間級差配合

1）當直流斷路器裝設在熔斷器的下一級時，熔斷器的額定電流應為直流斷路器額定電流的2倍及以上，則在短路電流小于一定范圍時具有選擇性保護。

2）運行中的熔斷器保護性能會隨著下級保護動作次數（工作電流大或沖擊負荷長期多次受熱）增加而降低，直到影響熔斷特性，因此建議定期更換新品。

3）上級熔斷器的額定電流應不小于下級斷路器額定電流的2倍以上，并核定下級最大短路電流不應超過上級熔斷器額定電流的8～10倍（短路電流過大時易使熔體受熱而降低熔絲使用壽命），不同廠家的熔斷器在使用前須經過動作特性校核。選擇性配合的級差應隨著可靠性要求的提高而加大。

4）蓄電池出口選用熔斷器時，應按照蓄電池1 h放電容量并加大一級選擇（與直流斷路器選擇相似），建議蓄電池出口采用斷路器。

4 斷路器——熔斷器之間級差配合

當熔斷器裝設在直流斷路器的下一級時，一般直流斷路器的額定電流應為熔斷器額定電流的4倍及以上，則在短路電流小于一定范圍時具有選擇性保護。

另外，根據《國家電網公司——變電站直流電源系統技術改造指導意見》，同一支路中空氣斷路器與熔斷器不應混用，直流斷路器與熔斷器配合時，調整級差保證動作選擇性，原則上選用同一廠家產品，尤其在直流斷路器下一級不應再接熔斷器。

本文是以吉林省內主要一次變電所直流系統接線圖為基礎，依據典型的上、下級間的配合情況來編制級差配合試驗方案進行試驗。試驗所得到的數據與曲線真實準確，由此分析提出的變電所低壓直流系統開關設備級差配合的具體配置方案具有實際的應用價值。

參考文獻：

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基金項目：

本文系吉林省大學生創新創業訓練計劃項目的研究成果（項目編號：201611437112）

作者簡介：

徐政（1972-），女，吉林長春人，長春工程學院，本科，副教授，電力系統及其自動化方向；

黃濤（1970-），男，吉林長春人，吉林電力科學研究院，碩士，高級工程師，電力系統及其自動化方向；

秦福興（1993-），男，河南林州人，長春工程學院，在讀學生，電氣工程及其自動化方向。