火電廠直流級差配合測試及優(yōu)化分析

李林猛 任素梅

（鄭州裕中能源有限責任公司，河南 鄭州 452376）

0 引言

直流電源系統(tǒng)在電力系統(tǒng)特別是火電廠內(nèi)部具有重要的地位，是繼電保護及自動裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)和事故保安負荷等重要設備的工作與保障電源。

直流電源系統(tǒng)一般由蓄電池組、交流進線柜、高頻充電模塊、直流饋線柜、直流聯(lián)絡柜以及監(jiān)控系統(tǒng)、絕緣監(jiān)察裝置、輔助指示儀表等構成。交流電源由廠用380 V保安段供電，經(jīng)高頻充電模塊連接至相應直流母線，蓄電池組直接向母線供電。直流系統(tǒng)正常運行時，輸入的交流電源經(jīng)高頻充電模塊整流后向直流母線供電，同時對蓄電池組進行充電，直流母線通過直流饋線開關采用集中輻射形式或分層輻射形式向各路負載供電。

當采用分層輻射型拓撲時，負載支路具有多級斷路器或熔斷器，若選擇性配合不當，在直流供電回路發(fā)生短路時，將導致上級斷路器越級跳閘，被切斷供電范圍擴大，引起重要設備或裝置失去工作電源，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 直流斷路器級差配合試驗目的及方法

1.1 測試目的

在火電廠部分直流操作電源供電網(wǎng)絡中，從電源引出至最末級負載一般有2～3級斷路器，文獻[1]中要求“各級斷路器的保護動作電流和動作時間應滿足上、下級選擇性配合要求，且應有足夠的靈敏系數(shù)”。與交流供電網(wǎng)絡中對于繼電保護的運行要求相似，同樣要求上、下級直流斷路具有選擇性及靈敏性。

文獻[2]明確要求“新建或改造的發(fā)電機組、變電站、發(fā)電廠升壓站的直流電源系統(tǒng)，應進行直流斷路器的級差配合試驗”。可以通過模擬饋線分支末端短路，測試各級直流斷路器的保護動作特性，驗證在直流系統(tǒng)故障時斷路器是否有選擇性配合關系。

1.2 測試方法

級差配合試驗的原理和方法主要如下：

（1）直流充電模塊及蓄電池組正常向直流母線供電，斷開末級直流負載，末級負載開關保持斷開狀態(tài)。

（2）分別用正、負連接電纜和電壓采樣線將測試儀器的輸入端子和電壓采樣端子連接到待測直流開關的下口。

（3）測試儀器正常上電就緒，將待測斷路器合上，對回路進行測試，并錄取短路電流波形數(shù)據(jù)，計算弧前持續(xù)時間、滅弧時間、短路電流峰值等，判斷直流斷路器實際動作特性是否滿足要求。

（4）觀察上、下級斷路器動作情況，僅被測斷路器脫扣，上級斷路器不應脫扣跳閘。

（5）試驗完畢，恢復正常接線和運行方式。

2 直流斷路器的級差配合試驗

下面為某火電廠主廠房控制直流系統(tǒng)斷路器級差配合試驗的情況，該控制直流系統(tǒng)電壓等級為220 V，配置104只型號為GFM-1500、2 V、1 500 Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池。

2.1 試驗內(nèi)容

本次試驗選取了5路直流斷路器典型配置進行測試：

（1）6 kV 2C漿液循環(huán)泵開關；

（2）6 kV 2B漿液循環(huán)泵開關；

（3）#2發(fā)變組保護B屏；

（4）380 V鍋爐PC2B段6號柜；

（5）380 V鍋爐PC2A段6號柜。

2.2 試驗結(jié)果

（1）6 kV 2C漿液循環(huán)泵開關試驗，本回路直流開關配置參數(shù)如表1所示，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 6 kV 2C漿液循環(huán)泵受試開關配置

表2 6 kV 2C漿液循環(huán)泵受試開關試驗數(shù)據(jù)

（2）6 kV 2B漿液循環(huán)泵開關試驗，本回路直流開關配置參數(shù)如表3所示，試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 6 kV 2B漿液循環(huán)泵受試開關配置

表4 6 kV 2B漿液循環(huán)泵受試開關試驗數(shù)據(jù)

（3）#2發(fā)變組保護B屏試驗，本回路直流開關配置參數(shù)如表5所示，試驗數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 #2發(fā)變組保護B屏受試開關配置

表6 #2發(fā)變組保護B屏受試開關試驗數(shù)據(jù)

（4）380 V鍋爐PC2B段6號柜試驗，本回路直流開關配置參數(shù)如表7所示，試驗數(shù)據(jù)如表8所示。

表7 鍋爐PC2B段6號柜受試開關配置

表8 鍋爐PC2B段6號柜受試開關試驗數(shù)據(jù)

（5）380 V鍋爐PC2A段6號柜試驗，本回路直流開關配置參數(shù)如表9所示，試驗數(shù)據(jù)如表10所示。

表9 鍋爐PC2A段6號柜受試開關配置

表10 鍋爐PC2A段6號柜受試開關試驗數(shù)據(jù)

3 分析與整改措施

針對某火電廠主廠房控制直流系統(tǒng)中的典型直流斷路器級差配合試驗，對試驗結(jié)果進行分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）6 kV負荷開關位于汽機側(cè)6.3 m配電間，末級直流開關額定電流6 A，直流饋線屏位于鍋爐側(cè)0 m直流室，第一級直流開關32 A。通過6 kV兩個開關試驗數(shù)據(jù)可以分析得到，本級斷路器出口處實際短路時短路電流為437.3～449.2 A，達到斷路器額定電流的13.6～14倍，整個短路持續(xù)時間為3.11～3.21 ms，短路電流達到第一級斷路器短路瞬時動作值，越級跳閘。短路電流測試曲線如圖1所示，結(jié)果不滿足級差配合要求。

圖1 6 kV 2B漿液循環(huán)泵開關測試曲線

（2）#2發(fā)變組保護B屏位于鍋爐側(cè)12.6 m電子間，末級直流開關額定電流6 A，直流饋線屏位于鍋爐側(cè)0 m直流室，第一級直流開關32 A。直流電纜長度較短，電流線徑選項偏大，本級斷路器出口處實際短路1 187.9 A，達到斷路器額定電流的37倍，整個短路持續(xù)時間2.43 ms，短路電流達到第一級斷路器短路瞬時動作值，越級跳閘。短路電流測試曲線如圖2所示，結(jié)果不滿足級差配合要求。

圖2 #2發(fā)變組保護B屏測試曲線

（3）380 V鍋爐PC2B段位于鍋爐側(cè)6.3 m配電間，末級直流開關額定電流6 A，直流饋線屏位于鍋爐側(cè)0 m直流室，第一級直流開關32 A、40 A。直流電纜長度較短，本級斷路器出口處實際短路649.2～701.6 A，達到斷路器額定電流的20～17.5倍，整個短路持續(xù)時間2.16～2.5 ms。短路電流達到32 A第一級斷路器短路瞬時動作值，越級跳閘，結(jié)果不滿足級差配合要求；短路電流未達到40 A第一級斷路器短路瞬時動作值，未越級跳閘。短路電流測試曲線如圖3所示，結(jié)果滿足級差配合要求。

圖3 380 V鍋爐PC2B段6號柜測試曲線

針對上述結(jié)論及出現(xiàn)的問題，提出以下整改措施：

（1）將220 V饋線屏至6 kV及380 V PC段直流斷路器額定電流增加一個級差（40 A）。

（2）在電子間增加直流分屏，各保護屏采用輻射式供電，220 V直流饋線屏斷路器額定電流增加一個級差（40 A）。

（3）結(jié)合實測短路電流及持續(xù)時間，選用國產(chǎn)GM5B-40H 40A型直流斷路器，該斷路器短路試驗電流1 200 A，7 ms不脫扣，理論值可滿足級差配合需求。

電廠采購上述型號直流斷路器進行改造后，重新進行級差配合測試未發(fā)生越級跳閘。

4 火電廠直流電源系統(tǒng)直流斷路器配置常見問題及建議

本次試驗選取了典型的幾種直流級差配合類別，通過模擬短路電流測試斷路器的動作特性，總結(jié)了一些火電廠直流系統(tǒng)中的常見問題，提出建議如下：

（1）早期電廠設計時未充分考慮直流級差配合問題，往往根據(jù)經(jīng)驗進行選型，部分廠用直流電源系統(tǒng)的設計不滿足級差要求，須進行更正與重新配置。本文中直流系統(tǒng)電壓為220 V，短路電流較110 V直流系統(tǒng)理論值大一倍，短路電流容易達到第一級開關的短路瞬時動作值，根據(jù)經(jīng)驗選型容易發(fā)生越級跳閘問題。建議結(jié)合級差配合試驗結(jié)果及直流斷路器短路保護特性曲線重新選型。

（2）380 V PC段、6 kV段廠用直流末級斷路器誤配為交流斷路器，該類問題主要集中在380 V段，部分開關柜廠家未按要求配置。建議全面排查后更換為直流斷路器。

（3）發(fā)變組及線路保護未按照反措要求采用輻射式供電，仍沿用直流屏頂小母線供電，級差不滿足要求時越級跳閘會造成所有保護失電。建議按照反措要求，增加直流分屏，改造為輻射式供電。

5 結(jié)語

火電廠中直流電源系統(tǒng)具有重要的地位，特別是控制直流系統(tǒng)，是保護裝置安全運行的基礎保障。因此，必須提升直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，從設計階段做好直流系統(tǒng)的級差配置，并通過級差試驗進行驗證，根據(jù)測試結(jié)果進行整改，杜絕越級跳閘。