低壓直流配電系統的斷路器保護探討分析

翁 國 璋

[ABB(中國)有限公司 南京分公司, 江蘇 南京 210005]

0 引 言

直流電廣泛應用于電力工程、通信、光伏、軌道交通、數據中心等行業及電網儲能系統中。直流電不像交流電那樣具有周期性、過零點,其一直保持在恒常值,這對直流電電路保護提出了不同的要求。斷路器在開斷直流線路時因直流電沒有過零點,致使開關開斷電弧的難度變大了。

1 低壓直流系統的接地型式

低壓直流系統的接地分接地系統和不接地系統,其中接地系統分為一個極(負極或正極)接地和電源中點接地2種接地型式。低壓直流系統的接地型式如圖1所示。

圖1 低壓直流系統的接地型式

2 常用交流斷路器的直流分斷能力要求及小型斷路器在直流系統中的應用

根據文獻[1]第四章“短路電流計算”圖4-1短路電流波形圖(a)“遠端短路時的電流波形圖”,預期短路電流中包含有初始值為A衰減到零的直流分量,其熱效應依據文獻[1]第五章“高壓電器及開關柜的選擇”式(5-23)及表5-7,變電所各級電壓母線及出線處的短路電流直流分量熱效應值為

Qf=0.02I2

式中:I——超瞬態短路電流有效值。

由此可見,常用的交流斷路器也應具有直流分斷能力。這從元器件廠家的樣本也可以得以驗證。如ABB的SH200/S200/S200M系列小型斷路器可使用于不超過125 V的直流系統中,且無需考慮極性,即斷路器上、下進線均可以。但當電壓超過直流125 V時,就需要選用DC專用的S200MDC系列產品,其主觸頭2P串聯使用時,額定工作電壓可達DC 440 V,Icu達到10 kA。

不是所有的廠家都在樣本上標示交流斷路器的直流應用參數,如常熟開關的CH3N/H普通小型斷路器的技術參數表中就未標示直流的應用情況,需要選擇專用的CH3Z微型斷路器,1P的額定工作電壓為DC 125 V,2P的額定工作電壓為DC 250 V。良信電器專用于直流的NDB1Z-63小型斷路器額定工作電壓DC 440 V時,需要選擇4P的斷路器。施耐德C65H-DC,2P時的額定工作電壓為DC 250 V,Icu=10 kA。

3 不同電壓時斷路器主觸頭連接方案

直流電流沒有過零點,隨著工作電壓的提高,直流電流的電弧分斷越來越難,此時必須依賴將主觸頭串聯起來,使得分配到每個主觸頭上的電壓降低,這樣斷路器就能應用于更高電壓的回路中[2-3]。ABB公司的Emax DC系列斷路器四極串聯時,其額定工作電壓能達到DC 1 000 V的值。

應用于直流電壓≤500 V的斷路器主觸頭串接方案如圖2所示。

圖2 應用于直流電壓≤500 V的斷路器主觸頭串接方案

4 額定極限短路分斷能力的變化

本文主要基于圖1(a)及圖2(a)分析負極接地型式時的Icu變化。以ABB的E2N1600 PR122/DC R1600 3P萬能式斷路器按圖2(a)串接方案進行說明。

(1)當發生如圖1(a)中的a類即正負極間直接發生短路時,斷路器依靠正極回路上的2個串接主觸頭和負極上的1個主觸頭串聯,共同負責短路故障電流的分斷,斷路器的Icu=50 kA。

(2)當發生如圖1(a)中的b類即正極與地間直接發生短路時,回路短路電流值與發生(1)故障時短路電流值很相近,但斷路器僅能依靠正極回路上的2個串接主觸頭來分斷短路電流,造成每個主觸頭上承受的電壓值提高。查樣本得知,斷路器的Icu=25 kA,降低了很多。

(3)選擇斷路器的額定極限短路分斷能力Icu時,必須考察最不利情況下的斷路器分斷能力。E2N1600斷路器在上述使用情況下只能按Icu為25 kA來設計(電路計算預期接地短路電流不能大于25 kA)。

5 接線極性

在高電壓、大電流的直流使用場合下,元器件廠家為了實現所要求的短路分斷能力,均采取了一些有別于交流應用的措施。ABB的Tmax DC塑殼斷路器采用磁吹弧技術來保證DC 750 V下的分斷能力達到50 kA。該技術利用確定方向的電流在線圈中產生確定方向的磁場,該磁場與電弧發生相互作用,將電弧強力吹入滅弧罩,以達到盡快滅弧的目的。所以,用于直流系統的萬能式斷路器及塑殼斷路器,需要嚴格按照元器件生產廠家標示的極性進行接線或訂貨時提前提出要求。

6 保護脫扣器

應用于直流系統中的塑殼斷路器及小型斷路器一般都是采取熱磁式保護方式,這與交流時的保護方式類似[4-6];萬能式斷路器有的采用電子液晶保護脫扣器,如ABB的Emax DC萬能式斷路器配置的PR122/DC及PR123/DC直流專用電子式脫扣器,選用時需要注意PR122/DC僅適用于不接地和負極接地直流系統,而PR123/DC則不受限制。

7 結 語

為了實現斷路器對直流供電系統的可靠保護,必須清楚直流系統的接地型式,其在不同的短路故障形式下將影響斷路器的短路分斷能力,同時還應根據系統的電壓高低采取適當的主觸點串接方案,并嚴格按照出廠的正負極性進行接線。