300 MW火電機組直流電源系統(tǒng)斷路器保護配合校驗

羅麗佳

(內蒙古京泰發(fā)電有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

0 引 言

火電機組的直流電源系統(tǒng)是電力二次系統(tǒng)的重要組成部分，是控制、調節(jié)、保護和監(jiān)測重要電氣設備的供電電源，同時也為廠用重要負荷直流電動機、UPS裝置、斷路器操作機構、應急照明、熱工設備提供動力電源，直流電源系統(tǒng)關系著整個機組的運行安全[1]。2015年6月，河北某發(fā)電廠2號機組檢修階段，人員誤碰造成直流終端斷路器出線側短路，引起直流終端斷路器、直流分電柜饋線斷路器、直流柜饋線斷路器三級開關同時跳閘，直流斷路器失去選擇性配合，導致直流分電柜失電，給機組安全穩(wěn)定運行帶來極大隱患。2018年3月，陜西某發(fā)電廠直流終端負荷側線路發(fā)生絕緣損壞導致短路，直流終端斷路器由于靈敏性不滿足要求，未及時分斷短路電流造成電纜絕緣融化，交流竄入直流系統(tǒng)，導致機組跳閘，嚴重威脅電力系統(tǒng)安全運行。近年來，直流電源系統(tǒng)故障影響機組乃至電力系統(tǒng)案例呈現(xiàn)增長趨勢[2-3]。直流電源系統(tǒng)保護配合要滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性——“四性”基本要求，實現(xiàn)該動作時不拒動，不該動作時不誤動，才能有選擇地可靠快速切除故障從而保護正確動作。

目前，很多電廠及變電站的實際生產中，僅核對直流斷路器上下級級差關系，開展保護選擇性配合校驗[4-5]，并未進行系統(tǒng)性保護配合校驗，導致直流系統(tǒng)保護“四性”無法協(xié)調統(tǒng)一，給現(xiàn)場帶來安全隱患。文獻[6]根據直流系統(tǒng)短路計算結果及斷路器配置，研究了直流系統(tǒng)保護級差配合特性，但并未給出保護配合校驗具體方案。文獻[7]提出了采用3種動作特性直流斷路器相結合的選擇性保護解決方案，但在保護靈敏度方面并未深入分析。

本文以某300 MW火電機組直流電源系統(tǒng)配置為基礎，通過分析直流系統(tǒng)保護配置的“四性”要求，結合直流短路計算，提出系統(tǒng)性保護配合校驗方案。該方案以檢驗直流系統(tǒng)保護“四性”為目的，對系統(tǒng)短路故障及過負荷情況下斷路器保護配合分別進行針對性綜合校驗，規(guī)范化直流系統(tǒng)保護配合校驗流程，有助于直流系統(tǒng)保護“四性”的協(xié)調統(tǒng)一。并結合實例計算對校驗方案進行論述，對方案的具體實現(xiàn)過程進行重點闡述。

1 系統(tǒng)概述

某電廠為內蒙古地區(qū)坑口火力發(fā)電廠，一期工程為2臺300 MW機組，直流系統(tǒng)采用標準設計[8]。每臺機組裝設3組蓄電池，其中2組采用兩段單母線接線方式對110 V控制負荷供電，兩段單母線間設有聯(lián)絡電器，正常運行時兩段直流母線分別獨立運行；1組采用單母線接線方式對220 V動力負荷供電，2臺機組動力負荷直流母線間設有聯(lián)絡電器，正常運行時兩段直流母線分別獨立運行。110 V直流電源系統(tǒng)采用集中輻射形和分層輻射形組合供電方式，具有供電距離遠、負荷分散、斷路器分級多、保護配合復雜的特點；220 V直流電源系統(tǒng)采用集中輻射形單一供電方式，供電距離近、負荷集中性好、斷路器分級少、保護配合簡單[9]。以下以一段110 V直流電源系統(tǒng)為例，開展保護配合校驗分析，系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)接線

每段110 V直流母線配置1套充電裝置，1套充電裝置包括8臺高頻開關電源模塊，高頻開關電源模塊銘牌參數見表1。

表1 高頻開關銘牌參數Table 1 Parameters of high frequency switch nameplate

每段110 V直流母線配置1組閥控式密封鉛酸蓄電池，每組蓄電池包含單體2 V蓄電池共計52個，蓄電池組銘牌參數見表2。

表2 蓄電池組銘牌參數Table 2 Parameters of battery pack nameplate

每段110 V直流母線均采用集中輻射形和分層輻射形組合供電方式向控制負荷供電，供電方式如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)供電方式

直流系統(tǒng)保護電器分為熔斷器和斷路器兩種，熔斷器熔體存在元件老化、環(huán)境因素影響大、熔斷時間分散性大、安秒特性曲線不易于測試、保護配合難度大等問題，相比之下直流斷路器具有更加穩(wěn)定完善的保護特性，易于實現(xiàn)保護配合和性能測試。近年來，直流斷路器逐漸取代熔斷器成為直流電源系統(tǒng)的主要保護電器[10]。從圖1和圖2可以看出，該廠110 V直流電源系統(tǒng)在蓄電池組出口回路、放電回路、充電裝置直流側回路、直流饋線回路均裝設相應直流斷路器作為保護電器，110 V直流電源系統(tǒng)各回路直流斷路器配置情況見表3。

表3 直流斷路器配置情況Table 3 Configuration of DC circuit breaker

負荷終端柜以保護柜、測控柜、高低壓配電柜為主，由于各負荷盤柜生產廠家、負荷類型不同，負荷終端柜采用的直流終端斷路器型號也不盡相同。根據現(xiàn)場控制負荷實際統(tǒng)計情況，直流終端斷路器額定電流不大于6 A，均采用標準型B型直流斷路器。

針對電纜過負荷運行造成的電纜過熱損壞，直流斷路器配置反時限長延時保護；針對直流系統(tǒng)短路故障，直流斷路器配置瞬時保護和短延時保護，各級斷路器保護動作特性見表4。

表4 直流斷路器動作特性Table 4 Active characteristics of DC circuit breakers

2 保護配合校驗分析

繼電保護配置應滿足“四性”基本要求，這一點對于交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)都是相同的，要滿足這一要求，應從系統(tǒng)結構、保護配置、設備制造、整定計算、運維管理等方面進行統(tǒng)籌考慮[11]。開展直流系統(tǒng)保護配合校驗工作就是對保護電器“四性”進行檢驗，保障直流電源系統(tǒng)安全可靠平穩(wěn)運行。

2.1 直流系統(tǒng)保護“四性”

繼電保護“四性”是保護正確動作的基礎，同時相互之間又存在互相制約關系。在現(xiàn)場實際中，常常遇到選擇性與靈敏性、選擇性與速動性的矛盾，有必要開展直流系統(tǒng)保護配合校驗工作，實現(xiàn)保護電器“四性”統(tǒng)一協(xié)調。

可靠性，即不誤動、不拒動。性能可靠、質量優(yōu)良的直流斷路器作為保護電器在直流系統(tǒng)中得到了廣泛應用，在此基礎上配置完善、合理的保護方案，從而有效保障保護電器可靠性能。

靈敏性，保護對故障的反應能力。校驗每級直流斷路器在規(guī)定保護范圍內的靈敏度，保證線路發(fā)生過載或短路故障均能有效反應。

選擇性，故障元件的保護切除故障，將故障影響范圍限制在最小。合理整定直流斷路器定值，保證直流系統(tǒng)中任一點發(fā)生過載或短路，各級直流斷路器均能正確動作，不發(fā)生誤動或拒動。

速動性，盡可能快速切除故障。直流斷路器切除異?；蚬收蠒r間應滿足電纜發(fā)熱要求，保證保護電器速動性。

直流系統(tǒng)保護配合校驗，就是從保護配置、定值整定、靈敏度、電纜配合等方面開展校驗工作，實現(xiàn)保護“四性”統(tǒng)一協(xié)調，滿足系統(tǒng)運行要求。

2.2 直流系統(tǒng)短路計算

直流系統(tǒng)短路計算是開展直流系統(tǒng)保護配合校驗工作的依據，是實現(xiàn)保護“四性”統(tǒng)一協(xié)調的基礎[12]。與交流系統(tǒng)不同，直流系統(tǒng)短路計算僅計及元件的電阻分量，為簡化計算，計算電壓采用系統(tǒng)標稱電壓，并計及充電裝置助增電流，對蓄電池短路電流計算進行技術處理和數據調整，計算式如下：

式中：Ik為回路短路電流；Un為系統(tǒng)標稱電壓；n為蓄電池個數；rb為蓄電池內阻；r1為蓄電池間連接條電阻；∑RL為蓄電池至短路點電纜電阻之和；∑RZK為蓄電池至短路點斷路器觸頭電阻之和。

短路點的選取是直流系統(tǒng)短路計算至關重要的一步，根據系統(tǒng)結構、保護配置合理確定短路點位置，是開展直流系統(tǒng)保護配合校驗工作的前提。結合該廠110 V直流系統(tǒng)結構及配置，短路點設置如圖3所示，通過將短路點設置在各級斷路器安裝處及各段直流母線上，以滿足保護靈敏性和選擇性校驗需要。

圖3 短路計算網絡

2.3 直流系統(tǒng)短路保護靈敏性及選擇性校驗

圍繞直流斷路器瞬時保護和短延時保護開展直流系統(tǒng)短路保護靈敏性及選擇性校驗工作，具體校驗方法如下：

1) 直流斷路器應根據保護范圍內相應短路點短路電流進行靈敏性校驗，以保證在保護范圍內發(fā)生短路時保護可靠動作，靈敏系數計算式如下：

式中：KL為靈敏系數；Ik為回路短路電流；ID為斷路器瞬時保護或短延時保護動作電流。要求KL不宜低于1.05，從而確保保護可靠動作。

2) 選擇性校驗包括兩個方面：一方面，上下級直流斷路器靈敏性應配合，即上級斷路器保護的保護范圍應比下級斷路器保護的保護范圍短，且上級斷路器瞬時保護范圍不應延伸至下級；另一方面，在動作時間方面，下級保護范圍內上級斷路器動作保護的短延時時間應大于下級斷路器動作保護全分斷時間，兩者必須做到完全配合才能滿足選擇性要求。

2.4 斷路器與電纜配合校驗

完成各級保護電器短路靈敏性及選擇性校驗后，還需校核各級斷路器與相應電纜之間匹配情況，針對短路故障和系統(tǒng)過負荷分別開展校驗分析。

1) 校核各級斷路器短路保護與相應電纜截面配合情況，判斷短路保護速動性是否滿足配合要求，計算式如下[13]：

(1)

式中：t為電纜溫升允許時間；k為導體溫度系數，對于直流系統(tǒng)采用的交聯(lián)聚氯乙烯電纜取143；S為電纜截面；Ik為短路電流；T為短路故障時斷路器動作保護全分斷時間。

2) 校核各級斷路器反時限長延時保護與相應電纜載流量配合情況，實現(xiàn)對系統(tǒng)過負荷情況下保護“四性”的檢驗，計算式如下[14]：

(2)

式中：IB為回路計算電流；In為斷路器額定電流；Iz為電纜持續(xù)載流量；I2為斷路器約定時間內可靠動作電流。

2.5 保護配合校驗方案

斷路器保護配合校驗工作以檢驗直流系統(tǒng)保護“四性”為目的，結合直流系統(tǒng)短路計算，具體校驗方案如下：

1) 根據系統(tǒng)結構及保護配置情況，查找統(tǒng)計各元件電阻數據，確定系統(tǒng)短路點位置，計算直流系統(tǒng)短路電流。

2) 根據短路計算結果，結合各級斷路器動作特性，校驗各級斷路器在靈敏度、定值整定方面配合情況，確保斷路器靈敏性和選擇性滿足要求。

3) 校核各級斷路器與相應電纜截面之間是否滿足匹配要求，確保在線路短路故障及過負荷引起的電纜溫升造成損害前，直流斷路器保護能夠及時動作，實現(xiàn)保護動作與電纜承受能力相配合。

4) 對整個系統(tǒng)保護配置進行總結評價，檢驗保護配置是否合理、完善，確保保護可靠實現(xiàn)該動作時不拒動、不該動作時不誤動。

3 算例分析

結合該廠110 V直流電源系統(tǒng)結構及保護配置情況，進行斷路器保護配合校驗。

3.1 數據統(tǒng)計及短路計算

根據圖3所示的110 V直流電源系統(tǒng)短路計算網絡圖，做出相應的短路計算電阻圖，見圖4。

圖4 短路計算電阻

圖4中，r為52只110 V、400 A·h蓄電池雙連接條軟連接方式的綜合內阻;RL1為電纜L1的電阻，L1取60 m;R13ZK為13ZK斷路器的觸頭電阻;R14ZK為14ZK斷路器的觸頭電阻;R17ZK為17ZK斷路器的觸頭電阻;RL2為電纜L2的電阻，集中輻射形負荷供電距離相近，L2取平均距離120 m;R18ZK為18ZK斷路器的觸頭電阻;R17′ZK為17′ZK斷路器的觸頭電阻;RL3為電纜L3的電阻，分層輻射形負荷各分電柜供電距離相差較大，為控制電纜壓降在(3%～5%)Un范圍內，不同供電距離采用不同截面電纜，回路電阻相差不大，L3取60 m;R18′ZK為18′ZK斷路器的觸頭電阻;RL4為電纜L4的電阻，L4取平均距離50 m;R19′ZK為19′ZK斷路器的觸頭電阻。

r=n×(rb+r1)=52×(0.33+0.019 1)=

18.153 mΩ

RL1=0.018 4×2×60/(150×2)=7.36 mΩ

R13ZK=0.2×2=0.4 mΩ

R14ZK=0.2×2=0.4 mΩ

R17ZK=6.8×2=13.6 mΩ

RL2=0.018 4×2×120/10=441.6 mΩ

R17′ZK=1.7×2=3.4 mΩ

RL3=0.0184×2×60/35=63.1 mΩ

R18′ZK=18×2=36 mΩ

RL4=0.0184×2×50/4=460 mΩ

根據短路計算電阻圖，結合系統(tǒng)各元件電阻數據，對各短路點的短路電流進行計算，結果見表5。

3.2 斷路器短路保護配合特性校驗

根據表5直流系統(tǒng)短路計算結果，結合各級斷路器動作特性，校驗各級斷路器在靈敏性、選擇性方面配合情況，針對集中輻射形和分層輻射形供電方式分別開展校驗工作，對于充電回路、放電回路、聯(lián)絡回路參考集中輻射形負荷線路校驗過程。

1) 集中輻射形負荷供電方式下，各短路點短路時保護動作配合情況見表6。根據表6可以看出，集中輻射形負荷供電方式下，在斷路器安裝處及各段母線短路時，斷路器13ZK、14ZK、17ZK、18ZK均能有效動作反應，可靠保護本線路全長，并與下級保護有良好配合關系，下級保護范圍內上級斷路器動作保護的短延時時間均大于下級斷路器動作保護全分斷時間，保護電器的靈敏性、選擇性滿足配合要求。為便于系統(tǒng)運行方式切換，蓄電池組出口設置了兩組斷路器13ZK、14ZK，兩組斷路器在系統(tǒng)短路故障下跳閘的作用是相同的，考慮到兩者電氣距離較短和短路故障快速切除的需要，將兩組斷路器保護整定一致，不再增加時間級差，起到雙重化保護作用。

表5 直流系統(tǒng)短路電流Table 5 Short circuit current in DC system

2) 分層輻射形負荷供電方式，各短路點短路時保護動作配合情況見表7。

根據表7可以看出，分層輻射形負荷供電方式下，在斷路器安裝處及各段母線短路時，斷路器13ZK、14ZK、17′ZK、18′ZK、19′ZK均能有效動作反應，可靠保護本線路全長，并與下級保護有良好配合關系，下級保護范圍內上級斷路器動作保護的短延時時間均大于下級斷路器動作保護全分斷時間，保護電器的靈敏性、選擇性滿足配合要求。

3.3 電纜配合特性校驗

統(tǒng)計各段直流電纜與斷路器配合參數見表8，結合上述各級斷路器保護全分斷時間，代入計算式(1)、(2)進行校核，各級斷路器與相應電纜滿足匹配要求。系統(tǒng)各點短路時斷路器全分斷時間不超過電纜溫升允許時間，保護速動性滿足要求；線路過負荷引起的電纜溫升造成損害前，直流斷路器長延時保護將分斷過負荷電流，實現(xiàn)對電纜的有效保護。

表6 集中輻射形保護配合Table 6 Protection coordination of concentrated radiation

表7 分層輻射形保護配合Table 7 Protection coordination of layered radiation

表8 直流電纜與斷路器配合參數Table 8 Coordination parameters of DC cable and circuit breaker

3.4 保護配置評價

該110 V直流電源系統(tǒng)保護配置采用“3+2”方式，即直流終端斷路器采用二段式保護，上級斷路器均采用三段式保護配置，構成整個直流系統(tǒng)元件的全方位保護。通過上述校驗可知，該保護方案配置可靠性好，能夠實現(xiàn)上下級斷路器保護間選擇性、速動性和靈敏性的良好配合，保證線路在發(fā)生過負荷及短路故障時均有相應保護及時動作，將故障范圍限制在最小，保障整個直流系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運行。

4 結 語

直流電源系統(tǒng)保護電器配置滿足“四性”要求對于整個直流系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行有著重要意義。在某電廠300 MW火電機組直流電源系統(tǒng)配置基礎上，通過分析直流系統(tǒng)保護的“四性”要求，結合直流系統(tǒng)短路計算，提出了系統(tǒng)性保護配合校驗方案，并將方案運用到該電廠110 V直流電源系統(tǒng)中進行斷路器保護配合實例校驗，對系統(tǒng)短路故障及過負荷情況下保護配置的可靠性、選擇性、靈敏性和速動性分別進行針對性綜合校驗。重點闡述了方案具體實現(xiàn)過程并進行總結評價，實現(xiàn)了直流系統(tǒng)保護配合校驗流程規(guī)范化，有助于直流系統(tǒng)保護“四性”的統(tǒng)一協(xié)調，為同類機組開展直流電源系統(tǒng)保護配合校驗工作提供參考依據。