火力發(fā)電廠直流系統(tǒng)設(shè)計中的保護電器選擇性配合探討

劉梓洪, 沈玨瑋(.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司, 江蘇 南京 009;.江蘇新海發(fā)電有限公司, 江蘇 連云港 03)

火力發(fā)電廠直流系統(tǒng)設(shè)計中的保護電器選擇性配合探討

劉梓洪1, 沈玨瑋2
(1.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司, 江蘇 南京 210019;2.江蘇新海發(fā)電有限公司, 江蘇 連云港 222023)

指出了目前直流系統(tǒng)中保護電器選擇性配合出現(xiàn)的一些主要問題,分析了影響保護電器選擇性配合的主要因素。提出了直流系統(tǒng)的主要設(shè)計原則,并通過工程實例進行了保護電器選擇性配合的計算,計算結(jié)果能滿足保護電器選擇性配合的要求。

直流系統(tǒng); 保護電器; 選擇性配合; 小型斷路器

0 引 言

為保證火力發(fā)電廠安全、可靠、穩(wěn)定運行,發(fā)電廠內(nèi)應(yīng)裝設(shè)蓄電池組,設(shè)置獨立于交流電源系統(tǒng)的直流電源,向機組的控制、信號、繼電保護、自動裝置等控制負荷和直流油泵、不間斷電源、斷路器合閘機構(gòu)及事故照明負荷等動力負荷供電[1-2]。直流系統(tǒng)中的蓄電池出口回路、充電裝置直流側(cè)出口回路、直流饋線回路和蓄電池試驗放電回路等應(yīng)裝設(shè)保護電器,且各級保護裝置的配置應(yīng)保證具有可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求[3]。直流系統(tǒng)具有供電負荷多、分布范圍廣、供電層級多、系統(tǒng)復(fù)雜等特點,因此直流斷路器級差配合計算十分復(fù)雜,與蓄電池的容量和內(nèi)阻、電纜的截面積、壓降要求、直流斷路器的型號和規(guī)格、直流網(wǎng)絡(luò)分布情況等密切相關(guān),任何相關(guān)因素的變化均會直接影響下級保護電器的級差配合。雖然國內(nèi)各發(fā)電公司和電網(wǎng)公司對直流系統(tǒng)的運行安全非常重視,頒布了相關(guān)的直流系統(tǒng)反事故措施或管理規(guī)定[4-6],但直流系統(tǒng)發(fā)生保護電器的越級跳閘事故仍時有發(fā)生,成為影響電力系統(tǒng)設(shè)備正常、安全運行的重要因素之一。

1 直流系統(tǒng)中保護電器選擇性配合

1.1 存在選擇性配合問題的常見原因

直流系統(tǒng)中保護電器的選擇性配合是直流系統(tǒng)中各個因素整體、綜合考慮的結(jié)果,包括單體蓄電池的開路電壓、單體蓄電池的內(nèi)阻、蓄電池的容量、蓄電池的串并聯(lián)節(jié)數(shù)、蓄電池之間的連接導(dǎo)體的電阻、蓄電池至故障點之間各段導(dǎo)線的截面積和長度、各級保護電器的內(nèi)阻和保護特性、負荷大小和特性等因素。

目前,存在選擇性配合問題的常見原因主要體現(xiàn)在以下幾點:

(1) 直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不合理,層級過多,造成保護配合級差過多。尤其在分層輻射性直流網(wǎng)絡(luò)中,如果分層的層數(shù)過多,在保護電器的選擇過程中往往無法滿足選擇性配合的要求。

(2) 在直流系統(tǒng)設(shè)計過程中,上、下級保護電器采用不同廠家的產(chǎn)品,其短路動作特性可能不一樣,導(dǎo)致配合性差,甚至無法配合。尤其在供電末端,保護或控制柜的供貨廠家不一樣,導(dǎo)致柜內(nèi)小型斷路器(Miniature Circuit Breaker,MCB)與分電柜內(nèi)的MCB無法配合。

(3) 直流系統(tǒng)供電回路的電力電纜截面選擇過大,導(dǎo)致電纜末端的短路電流過大,使電纜兩端的上、下級保護電器無選擇性,主要體現(xiàn)在直流分電柜到終端負荷側(cè)保護電器的配合設(shè)計中。

(4) 輻射性網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)較多時,在直流分電柜中沒有合理采用三段式(瞬時電流速斷、短延時電流速斷和反時限過電流保護)保護電器,導(dǎo)致上、下級保護電器沒有選擇性。

1.2 直流系統(tǒng)的主要設(shè)計原則

在火力發(fā)電廠直流系統(tǒng)設(shè)計時,通常適度提高上、下級保護電器的電流比;采用具有高倍率脫扣器動作整定值和高精度脫扣器動作整定范圍的二段式(瞬時電流速斷和反時限過電流保護)保護電器,必要時采用三段式斷路器或具有級聯(lián)功能的二段式斷路器等方法來滿足保護電器選擇性的配合要求。

(1) 在直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時,盡量采用集中輻射型或較少分層(最好只有一個分層)的輻射型直流系統(tǒng)。在集中輻射型網(wǎng)絡(luò)中,直流系統(tǒng)主饋線柜的下一級是保護柜或控制柜等對應(yīng)的終端斷路器。對于僅有一個分層的輻射型網(wǎng)絡(luò),直流系統(tǒng)主饋線柜的下一級可以是保護柜或控制柜等對應(yīng)的終端斷路器,也可以是直流分電柜。直流分電柜供電至其他的保護柜或控制柜等對應(yīng)的終端斷路器。

(2) 對于控制、保護、信號等控制負荷的供電,其終端斷路器采用B型脫扣器MCB;對于直流分電柜,其饋線斷路器采用C型脫扣器MCB,且當分電柜饋線斷路器采用的標準型二段式MCB無法滿足保護電器選擇性的配合要求時,可采用具有高倍率脫扣器動作整定值和高精度脫扣器動作整定范圍的二段式保護電器,或采用三段式斷路器。

根據(jù)GB 10963.2—2008《家用及類似場所用過電流保護斷路器 用于交流和直流斷路器》,直流斷路器B型脫扣器的脫扣電流范圍為(4～7)In,直流斷路器C型脫扣器的脫扣電流范圍為(7～15)In,取消了斷路器D型脫扣器。

針對直流系統(tǒng)選擇性配合的特殊要求,北京人民電器廠有限公司(簡稱北京人民電器)和上海良信電器有限公司(簡稱良信)開發(fā)出具有高倍率脫扣器動作整定值和高精度脫扣器動作整定范圍的二段式保護電器及三段式斷路器。

北京人民電器GM5-63系列MCB,除普通脫扣范圍的B型外,還有延時動作C(H)型(脫扣范圍為(12～15)In)和快速限流C(L)型(脫扣范圍為(7～10)In)。C(H)型和C(L)型上、下級配合使用,具有很好的級聯(lián)技術(shù)特點,能夠在不擴大上級斷路器額定電流的條件下,擴大選擇性保護范圍。另外,GM5B系列的三段式直流MCB,以及具有熔斷器反時限特性、良好限流功能和短路短延時保護功能的GM5FB系列塑殼斷路器(Moulded Case Circuit Breaker,MCCB),為直流系統(tǒng)選擇性配合提供了更好的選擇。

良信NDB2Z系列兩段式直流MCB,除普通的B型和C型外,還有高倍率和高精度的C(G)型,脫扣范圍為13In(±10%)。此外,也有NDB2ZB系列的三段式直流MCB和NDM2ZB系列三段式直流MCB可供選擇。

(3) 蓄電池組出口的保護電器宜選擇熔斷器,也可采用具有短路短延時保護和過負荷長延時保護的直流斷路器。直流斷路器具有切除故障快捷、監(jiān)視開關(guān)狀態(tài)便利、維護工作量小等優(yōu)點。對于容量不大的蓄電池(通常小于800 Ah的蓄電池組),當工作回路電流在500 A以內(nèi)時,建議采用直流斷路器。容量較大的蓄電池組,價格較高,因此建議采用熔斷器作為保護電器。

(4) 合理選擇直流電纜的截面。電纜截面選擇過大,電纜兩端的上、下級保護斷路器在短路故障時無選擇性跳閘。因此,電纜截面并不是越大越好。

電纜截面應(yīng)按電纜長期允許載流量和回路允許電壓降兩個條件選擇[3]。對于直流控制饋線電纜,由于控制回路的工作電流通常較小,一般不超過10 A,因此選擇電纜截面的主要因素是回路允許的電壓降。對于蓄電池出口至直流進線柜的進線電纜、動力負荷電纜以及直流主饋線柜至分電柜的電纜,其截面的選擇則需要綜合考慮載流量和回路允許電壓降。總之,應(yīng)根據(jù)滿足要求的電纜下限截面選擇電纜,將有利于保護電器的選擇性配合。

2 保護電器選擇性配合計算實例

2.1 直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某火力發(fā)電廠新建2臺1 000 MW汽輪發(fā)電機組,2臺機組均采用發(fā)變組單元接線。機組直流系統(tǒng)的配置:每臺機組裝設(shè)3組蓄電池,2組對控制負荷供電,1組對動力負荷供電。專供控制負荷的直流系統(tǒng)電壓為110 V,專供動力負荷的直流系統(tǒng)為220 V。110 V直流系統(tǒng)采用分層輻射型系統(tǒng),設(shè)置有6 kV配電裝置直流分電柜和電氣繼電器室直流分電柜。單元機組110 V直流系統(tǒng)圖如圖1所示。

由圖1可以看出,每臺機組配置2組容量為600 Ah的蓄電池組,每組蓄電池配置52節(jié)2 V的單體蓄電池;每組蓄電池配置1套額定電流為320A的充電裝置;直流系統(tǒng)的母線接線方式為單母分段,兩段之間通過斷路器和隔離開關(guān)連接。蓄電池出口采用直流MCCB,型號為GM5FB-800/400,額定電流為400 A。主饋線柜至直流分電柜的饋線斷路器采用MCCB,型號為GM5FB-250/100,額定電流為100 A。直流分電柜的饋線斷路器采用MCB,型號為GM5B-40/40,額定電流為40 A。

圖1 單元機組110V直流系統(tǒng)圖

2.2 直流系統(tǒng)短路計算

以層級最多、綜合內(nèi)阻最小、級差最小的一個直流接線回路為例,進行保護電器選擇性配合計算和分析。由圖1可以看出,層級最多的一個直流接線回路為蓄電池組、主饋線柜、直流分電柜、控制或保護屏柜的終端負荷斷路器。層數(shù)最多的直流接線回路如圖2所示。 根據(jù)每個層級的工作回路電流、供電距離和回路允許電壓降,計算出各個層級斷路器的額定電流、電纜截面及相應(yīng)的電纜阻抗。根據(jù)DL/T 5044—2004《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》表G.1,2 V單體閥控式密封鉛酸蓄電池的內(nèi)阻為0.358 mΩ。 圖2中斷路器的選型分別如下:

(1) QF1,型號為GM5FB-800/400,額定電流為400 A,延時限流二段式保護。

圖2 層數(shù)最多的直流接線回路

(2) QF2,型號為GM5FB-250/100,額定電流為100 A,延時限流二段式保護。

(3) QF3,型號為GM5B-40/40,額定電流為40 A,三段式保護。

(4) QF4,型號為GM5-63/2B6,額定電流為6 A,B型二段式保護。

根據(jù)圖2中的參數(shù),在不考慮各直流斷路器內(nèi)阻時,短路電流計算如下:

(1) d1、d2點短路電流,Id1=Id2=110/(Rb+Rl1)=5.222 kA。

(2) d3點短路電流,Id3=110/(Rb+Rl1+Rl2)=1.837 kA。

(3) d4點短路電流,Id4=110/(Rb+Rl1+Rl2+Rl3)=0.451 kA。

2.3 選擇性配合分析

(1) d1點短路,短路電流Id1=5.222 kA。直流斷路器QF1額定電流In1=400 A,80 ms短延時保護動作電流7In1=2 800 A

圖3 d1短路點動作分析圖

(2) d2點短路,短路電流Id2=5.222 kA。直流斷路器QF1額定電流In1=400 A,80 ms短延時保護動作電流7In1=2 800 A

圖4 d2短路點動作分析圖

(3) d3點短路,短路電流Id3=1.837 kA。直流斷路器QF2額定電流In2=100 A,80 ms短延時保護動作電流7In1=700 A

因此,在d3點短路時,QF3瞬時動作,動作時間為7 ms,QF2由于需延時15 ms而不動作,滿足選擇性要求。

(4) d4點短路,短路電流Id4=451 A。QF3瞬時動作下限為1 200 A,因此QF3電流速斷保護不動作。d4點短路電流落在短延時動作區(qū)或過負荷保護動作區(qū),QF3延時大于7 ms動作。

QF4屬于終端斷路器,脫扣器瞬時保護動作范圍為(4～7)In4,即24～42 A,遠小于Id4,瞬時動作時間約為3 ms。

因此,在d4點短路時,QF4瞬時動作,動作時間為3 ms,QF3延時大于7 ms而不動作,滿足選擇性要求。

4 結(jié) 語

直流系統(tǒng)保護電器的選擇性對于火力發(fā)電廠安全、穩(wěn)定的運行具有重要的作用。直流系統(tǒng)保護電器的選擇性配合是直流系統(tǒng)中各個因素整體、綜合考慮的結(jié)果。

在直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時,要盡量采用集中輻射型或較少分層的輻射型直流系統(tǒng)。對于直流分電柜的饋線斷路器,建議采用C型脫扣器MCB,且當分電柜饋線斷路器采用標準型二段式MCB而無法滿足保護電器選擇性的配合要求時,可采用具有高倍率脫扣器動作整定值和高精度脫扣器動作整定范圍的二段式保護電器,或者采用三段式斷路器。蓄電池組出口保護電器的選擇,應(yīng)根據(jù)蓄電池組的容量進行選擇,大容量的蓄電池組宜選擇熔斷器,小容量的則采用具有短路短延時保護和過負荷長延時保護的直流斷路器。在選擇直流電纜的截面時,為減小短路電流,提高保護電器上、下級的選擇性配合,應(yīng)根據(jù)滿足要求的下限截面選擇電纜。

[1] GB 50660—2011 大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50049—2011 小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范[S].

[3] DL/T 5044—2004 電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司發(fā)電廠重大反事故措施(試行)[G].2007.

[5] 國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)[G].2011.

[6] 中國大唐集團公司.中國大唐集團公司防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求實施導(dǎo)則[G].2005.[7] GB 10963.2—2008 家用及類似場所用過電流保護斷路器 用于交流和直流斷路器[S].

Discussion about Selectivity Coordination of Protective Devices in Thermal Power Plant DC System Design

LIU Zihong1, SHEN Juewei2

(1.Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co., Ltd., Nanjing 210019, China;2.Jiangsu Xinhai Power Generation Co., Ltd., Lianyungang 222023, China)

This paper pointed out some main problems with selectivity coordination of protective devices in the current DC systems,and analyzed the main factors affecting on the selectivity coordination of protective devices.The main design principles of the DC system were proposed.As a example of an power plant project,the selectivity coordination of protective devices was calculated,which can meet the requirement of selectivity coordination of protective devices.

DC system; protective device; selectivity coordination; miniature circuit breaker(MCB)

劉梓洪(1975—),男,高級工程師,從事發(fā)輸變電電氣設(shè)計工作。

TM 621.6

A

1674-8417(2015)04-0028-05

2014-11-26

沈玨瑋(1962—),女,工程師,從事發(fā)電廠繼電保護工作。