大型水電站直流系統(tǒng)級(jí)差設(shè)計(jì)可行性計(jì)算

付恩狄

（天生橋二級(jí)水力發(fā)電有限公司，貴州 興義 562400）

天生橋水力發(fā)電總廠位于貴州省興義市，隸屬于調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，系南方電網(wǎng)公司應(yīng)急調(diào)峰調(diào)頻電廠，成立于1988年3月，負(fù)責(zé)運(yùn)行管理黔、桂界河南盤江上的天生橋二級(jí)水電站和500kV開關(guān)站、220kV開關(guān)站各一座。天生橋二級(jí)電站是西電東送的發(fā)源地，也是西電東送南路工程第一個(gè)電源點(diǎn)。電站至廣東、貴州和廣西的4回500千伏、8回220千伏輸電出線，構(gòu)成了南方電網(wǎng)交流輸電主網(wǎng)架的重要樞紐，為西電東送及地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)，被譽(yù)為“高原明珠”“西電東送的排頭兵、橋頭堡”。

天生橋二級(jí)電站220V直流系統(tǒng)如下。

（1）廠房I段220V直流系統(tǒng)。

（2）中控II段220V直流系統(tǒng)。

廠房I段與中控II段為手拉手雙套220V直流系統(tǒng)，主系統(tǒng)采用單母分段接線，配置雙套蓄電池、雙套充電系統(tǒng)（6×20A）。本文接下來將以廠房I段220V直流系統(tǒng)為例，對(duì)蓄電池、接線及空開型號(hào)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)電纜截面及長度。進(jìn)行短路電流計(jì)算，通過比對(duì)各種保護(hù)設(shè)備動(dòng)作曲線，對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)備級(jí)差配合的可行性計(jì)算。

1 廠房I段220V直流系統(tǒng)蓄電池組

廠房I段直流系統(tǒng)采用104節(jié)HOPPECKE 80PzV800型電池，容量800Ah，電池組電壓及內(nèi)阻數(shù)據(jù)如下表1所示。

2 廠房I段220V直流主系統(tǒng)圖及保護(hù)設(shè)備曲線圖

本系統(tǒng)采用的上海滬工NT2 gL400A型熔斷器，動(dòng)作曲線如圖1所示。

表1 天生橋二級(jí)電站廠房I段220V直流系統(tǒng)蓄電池組參數(shù)

圖1 廠房I段220V直流主系統(tǒng)圖

主系統(tǒng)采用 HH15A-400隔刀，主饋線柜的大電流回路均采用ABB S3N R250/3P型，有3種可選（3倍額定電流以上瞬時(shí)動(dòng)作、5倍額定電流以上瞬時(shí)動(dòng)作以及10倍額定電流以上瞬時(shí)動(dòng)作），此處使用的斷路器脫扣電流倍數(shù)未知，根據(jù)本站其它斷路器的習(xí)慣推測(cè)，應(yīng)為10倍額定電流以上瞬時(shí)動(dòng)作型，動(dòng)作曲線如圖2所示。

圖2 廠房I段220V直流系統(tǒng)熔斷器動(dòng)作曲線圖

圖3 廠房I段220V直流系統(tǒng)ABB S3N R250/3P斷路器動(dòng)作曲線圖

本直流系統(tǒng)的饋線回路采用的斷路器，動(dòng)作曲線如圖4、圖5所示。

圖4 廠房I段220V直流系統(tǒng)SIMENS 5SX52 C型斷路器動(dòng)作曲線圖

圖5 廠房I段220V直流系統(tǒng)MOELLER Xpole PL9-C型斷路器動(dòng)作曲線圖

本系統(tǒng)采用的merlin Gerin（梅蘭日蘭）/Multi9 C45N型斷路器、F&G JP67/62B C型斷路器、FATO斷路器、北京人民固安祥斷路器無法取得樣本，因此按照普通的C型斷路器曲線計(jì)算。

3 廠房I段220V直流系統(tǒng)存在問題

通過對(duì)斷路器、隔刀、熔斷器、電纜參數(shù)及短路電流及動(dòng)作分析，本系統(tǒng)存在以下問題。

（1）各級(jí)饋線柜進(jìn)線、分段及隔離設(shè)備均采用了斷路器，1QF、2QF、3QF回路甚至配置了第二級(jí)熔斷器（型號(hào)與第一級(jí)相同），饋線柜級(jí)數(shù)過多，導(dǎo)致部分保護(hù)設(shè)備無法配合。

（2）斷路器品牌、型號(hào)繁多，部分饋線采用了交流型斷路器（梅蘭日蘭C65N/C45N）；部分饋線斷路器無法找到樣本；FATO斷路器、北京人民固安祥斷路器額定電流未知；ABB S3N斷路器磁脫扣電流未標(biāo)注。由于斷路器品牌型號(hào)過多，即使理論分析曲線可以配合，也有可能由于跳閘時(shí)間延遲不同，或下級(jí)動(dòng)作較慢上級(jí)來不及返回導(dǎo)致配合失敗。

4 廠房I段220V直流系統(tǒng)級(jí)差設(shè)計(jì)模型

由于本系統(tǒng)分級(jí)饋線屏較多，饋線數(shù)量大，因此統(tǒng)一進(jìn)行相對(duì)簡化的分析。以廠房I段1ZL2柜至220kV保護(hù)室#1直流電源分配柜回路建立模型計(jì)算分析。

（1）廠房220V系統(tǒng)I段1ZL2柜典型回路直流系統(tǒng)描述。

①蓄電池容量800Ah 220V 104節(jié)，2電2充，有分屏。

蓄電池出口電纜：S=185mm2，L=42m（充電機(jī)出口熔斷器與蓄電池出口熔斷器均在主屏，在此按充電機(jī)出口熔斷器計(jì)算）。

蓄電池出口保護(hù)電器：直流塑殼斷路器GM5FB-800R/500A DC250V。

②主饋屏1ZL2出口至220kV保護(hù)室#1直流電源分配柜分屏電纜：S=25mm2，L=190m。

主饋屏出口至分屏保護(hù)電器：小型直流斷路器GM5FB-250R/100A DC250V。

③220kV保護(hù)室#1直流電源分配柜至天馬I線主一保護(hù)屏電源開關(guān)電纜：S=2.5mm2，L=19m（為了方便計(jì)算，這里取L=20m，因線纜越短，短路電流越大。軟件中的線纜截面積參數(shù)無5mm2，這里等效為6mm2，L=24m。

分屏至測(cè)保屏保護(hù)電器：GM5-63H/2C10A。

④保護(hù)屏電源開關(guān)建議使用GM5-63L/2C 2A：電纜取 S=2.5mm2，L=1m。

（2）各點(diǎn)短路電流計(jì)算。

①保護(hù)電器靈敏度分析：保護(hù)電器的額定電流規(guī)格應(yīng)根據(jù)實(shí)際直流系統(tǒng)短路電流大小選擇，不應(yīng)過大（易造成拒動(dòng)），也不應(yīng)過小（易造成誤動(dòng)）。靈敏度分析指的是單級(jí)保護(hù)元件的校核，即分析當(dāng)直流系統(tǒng)中出現(xiàn)故障電流時(shí)保護(hù)元件是否會(huì)拒動(dòng)的判斷。分析之前，先要計(jì)算直流系統(tǒng)中各處的短路電流大小。

②保護(hù)元件選擇性分析：保護(hù)元件選擇性分析指的是上、下兩級(jí)保護(hù)元件的級(jí)差配合分析。當(dāng)直流系統(tǒng)中出現(xiàn)故障電流時(shí)，距離故障位置最近的保護(hù)元件需斷開。同時(shí)與之相對(duì)應(yīng)的上級(jí)保護(hù)元件不應(yīng)動(dòng)作，確保將故障范圍縮小到最小范圍。在進(jìn)行選擇性分析時(shí)，也需首先計(jì)算直流系統(tǒng)各處的短路電流值大小。

通過分析和短路電流計(jì)算，可由專業(yè)軟件生成以下短路電流計(jì)算圖，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)狀方案短路電流計(jì)算圖

從上面專業(yè)軟件校驗(yàn)后的生成圖可以判斷，此系統(tǒng)每級(jí)所選擇的斷路器可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)線路的全選擇性保護(hù)，級(jí)差配合合理（不顯示紅色即為配置合理）。圖中蓄電池出口至斷路器電纜顯示為紅色，原因是電纜電阻分壓至電纜出口壓降為3.68V，大于許可壓降2.2V，但對(duì)于本直流系統(tǒng)無影響。

5 結(jié)語

根據(jù)直流系統(tǒng)圖紙，建立直流系統(tǒng)級(jí)差設(shè)計(jì)模型進(jìn)行短路電流計(jì)算，得到各故障點(diǎn)的短路電流（包括饋線出口與末端），通過比對(duì)搜集到的熔斷器、斷路器等保護(hù)設(shè)備樣本中動(dòng)作曲線，得到動(dòng)作時(shí)間，進(jìn)行了比較詳細(xì)的保護(hù)級(jí)差配合分析，指出了各直流系統(tǒng)中存在的問題，同時(shí)給出了設(shè)備替換等建議解決方案。

（1）由于進(jìn)線、分段斷路器保護(hù)作用不大，易造成誤動(dòng)，因此應(yīng)將所有進(jìn)線斷路器及分段斷路器改為隔刀。

（2）將所有交流斷路器替換為直流斷路器，保證短路時(shí)可靠動(dòng)作。

（3）對(duì)于上級(jí)斷路器與下級(jí)饋線柜出線斷路器配合的問題，應(yīng)取消無必要的保護(hù)設(shè)備（如1、2、3QF的前級(jí)熔斷器）；推薦選用三段式保護(hù)斷路器來解決下級(jí)饋線出口短路時(shí)上級(jí)斷路器越級(jí)動(dòng)作問題。

（4）在條件允許的情況下，可更換電纜末端短路時(shí)動(dòng)作過慢的斷路器。