低壓直流配電系統(tǒng)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(yīng)用于電力工程、通信、光伏、軌道交通、數(shù)據(jù)中心等行業(yè)及電網(wǎng)儲能系統(tǒng)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(guān)開斷電弧的難度變大了。

1 低壓直流系統(tǒng)的接地型式

低壓直流系統(tǒng)的接地分接地系統(tǒng)和不接地系統(tǒng),其中接地系統(tǒng)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(tǒng)的接地型式如圖1所示。

圖1 低壓直流系統(tǒng)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(tǒng)中的應(yīng)用

根據(jù)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(yù)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(yīng)依據(jù)文獻[1]第五章“高壓電器及開關(guān)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(yīng)值為

Qf=0.02I2

式中:I——超瞬態(tài)短路電流有效值。

由此可見,常用的交流斷路器也應(yīng)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(tǒng)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(chǎn)品,其主觸頭2P串聯(lián)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(yīng)用參數(shù),如常熟開關(guān)的CH3N/H普通小型斷路器的技術(shù)參數(shù)表中就未標示直流的應(yīng)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(lián)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(yīng)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(lián)時,其額定工作電壓能達到DC 1 000 V的值。

應(yīng)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(yīng)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(fā)生如圖1(a)中的a類即正負極間直接發(fā)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(lián),共同負責(zé)短路故障電流的分斷,斷路器的Icu=50 kA。

(2)當發(fā)生如圖1(a)中的b類即正極與地間直接發(fā)生短路時,回路短路電流值與發(fā)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(shè)計(電路計算預(yù)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(xiàn)所要求的短路分斷能力,均采取了一些有別于交流應(yīng)用的措施。ABB的Tmax DC塑殼斷路器采用磁吹弧技術(shù)來保證DC 750 V下的分斷能力達到50 kA。該技術(shù)利用確定方向的電流在線圈中產(chǎn)生確定方向的磁場,該磁場與電弧發(fā)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(tǒng)的萬能式斷路器及塑殼斷路器,需要嚴格按照元器件生產(chǎn)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(yīng)用于直流系統(tǒng)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(tǒng),而PR123/DC則不受限制。

7 結(jié) 語

為了實現(xiàn)斷路器對直流供電系統(tǒng)的可靠保護,必須清楚直流系統(tǒng)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(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的電壓高低采取適當?shù)闹饔|點串接方案,并嚴格按照出廠的正負極性進行接線。