火電廠直流級(jí)差配合測(cè)試及優(yōu)化分析

李林猛 任素梅

（鄭州裕中能源有限責(zé)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(hù)及自動(dòng)裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)和事故保安負(fù)荷等重要設(shè)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(jìn)線柜、高頻充電模塊、直流饋線柜、直流聯(lián)絡(luò)柜以及監(jiān)控系統(tǒng)、絕緣監(jiān)察裝置、輔助指示儀表等構(gòu)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(yīng)直流母線，蓄電池組直接向母線供電。直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，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(shí)對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，直流母線通過(guò)直流饋線開關(guān)采用集中輻射形式或分層輻射形式向各路負(fù)載供電。

當(dāng)采用分層輻射型拓?fù)鋾r(shí)，負(fù)載支路具有多級(jí)斷路器或熔斷器，若選擇性配合不當(dāng)，在直流供電回路發(fā)生短路時(shí)，將導(dǎo)致上級(jí)斷路器越級(jí)跳閘，被切斷供電范圍擴(kuò)大，引起重要設(shè)備或裝置失去工作電源，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 直流斷路器級(jí)差配合試驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/h2>

1.1 測(cè)試目的

在火電廠部分直流操作電源供電網(wǎng)絡(luò)中，從電源引出至最末級(jí)負(fù)載一般有2～3級(jí)斷路器，文獻(xiàn)[1]中要求“各級(jí)斷路器的保護(hù)動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間應(yīng)滿足上、下級(jí)選擇性配合要求，且應(yīng)有足夠的靈敏系數(shù)”。與交流供電網(wǎng)絡(luò)中對(duì)于繼電保護(hù)的運(yùn)行要求相似，同樣要求上、下級(jí)直流斷路具有選擇性及靈敏性。

文獻(xiàn)[2]明確要求“新建或改造的發(fā)電機(jī)組、變電站、發(fā)電廠升壓站的直流電源系統(tǒng)，應(yīng)進(jìn)行直流斷路器的級(jí)差配合試驗(yàn)”?？梢酝ㄟ^(guò)模擬饋線分支末端短路，測(cè)試各級(jí)直流斷路器的保護(hù)動(dòng)作特性，驗(yàn)證在直流系統(tǒng)故障時(shí)斷路器是否有選擇性配合關(guān)系。

1.2 測(cè)試方法

級(jí)差配合試驗(yàn)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(jí)直流負(fù)載，末級(jí)負(fù)載開關(guān)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

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

（3）測(cè)試儀器正常上電就緒，將待測(cè)斷路器合上，對(duì)回路進(jìn)行測(cè)試，并錄取短路電流波形數(shù)據(jù)，計(jì)算弧前持續(xù)時(shí)間、滅弧時(shí)間、短路電流峰值等，判斷直流斷路器實(shí)際動(dòng)作特性是否滿足要求。

（4）觀察上、下級(jí)斷路器動(dòng)作情況，僅被測(cè)斷路器脫扣，上級(jí)斷路器不應(yīng)脫扣跳閘。

（5）試驗(yàn)完畢，恢復(fù)正常接線和運(yùn)行方式。

2 直流斷路器的級(jí)差配合試驗(yàn)

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

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)選取了5路直流斷路器典型配置進(jìn)行測(cè)試：

（1）6 kV 2C漿液循環(huán)泵開關(guān)；

（2）6 kV 2B漿液循環(huán)泵開關(guān)；

（3）#2發(fā)變組保護(hù)B屏；

（4）380 V鍋爐PC2B段6號(hào)柜；

（5）380 V鍋爐PC2A段6號(hào)柜。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

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

表1 6 kV 2C漿液循環(huán)泵受試開關(guān)配置

表2 6 kV 2C漿液循環(huán)泵受試開關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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

表3 6 kV 2B漿液循環(huán)泵受試開關(guān)配置

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

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

表5 #2發(fā)變組保護(hù)B屏受試開關(guān)配置

表6 #2發(fā)變組保護(hù)B屏受試開關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（4）380 V鍋爐PC2B段6號(hào)柜試驗(yàn)，本回路直流開關(guān)配置參數(shù)如表7所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示。

表7 鍋爐PC2B段6號(hào)柜受試開關(guān)配置

表8 鍋爐PC2B段6號(hào)柜受試開關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（5）380 V鍋爐PC2A段6號(hào)柜試驗(yàn)，本回路直流開關(guān)配置參數(shù)如表9所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表10所示。

表9 鍋爐PC2A段6號(hào)柜受試開關(guān)配置

表10 鍋爐PC2A段6號(hào)柜受試開關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 分析與整改措施

針對(duì)某火電廠主廠房控制直流系統(tǒng)中的典型直流斷路器級(jí)差配合試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）6 kV負(fù)荷開關(guān)位于汽機(jī)側(cè)6.3 m配電間，末級(jí)直流開關(guān)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(jí)直流開關(guān)32 A。通過(guò)6 kV兩個(gè)開關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析得到，本級(jí)斷路器出口處實(shí)際短路時(shí)短路電流為437.3～449.2 A，達(dá)到斷路器額定電流的13.6～14倍，整個(gè)短路持續(xù)時(shí)間為3.11～3.21 ms，短路電流達(dá)到第一級(jí)斷路器短路瞬時(shí)動(dòng)作值，越級(jí)跳閘。短路電流測(cè)試曲線如圖1所示，結(jié)果不滿足級(jí)差配合要求。

圖1 6 kV 2B漿液循環(huán)泵開關(guān)測(cè)試曲線

（2）#2發(fā)變組保護(hù)B屏位于鍋爐側(cè)12.6 m電子間，末級(jí)直流開關(guān)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(jí)直流開關(guān)32 A。直流電纜長(zhǎng)度較短，電流線徑選項(xiàng)偏大，本級(jí)斷路器出口處實(shí)際短路1 187.9 A，達(dá)到斷路器額定電流的37倍，整個(gè)短路持續(xù)時(shí)間2.43 ms，短路電流達(dá)到第一級(jí)斷路器短路瞬時(shí)動(dòng)作值，越級(jí)跳閘。短路電流測(cè)試曲線如圖2所示，結(jié)果不滿足級(jí)差配合要求。

圖2 #2發(fā)變組保護(hù)B屏測(cè)試曲線

（3）380 V鍋爐PC2B段位于鍋爐側(cè)6.3 m配電間，末級(jí)直流開關(guān)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(jí)直流開關(guān)32 A、40 A。直流電纜長(zhǎng)度較短，本級(jí)斷路器出口處實(shí)際短路649.2～701.6 A，達(dá)到斷路器額定電流的20～17.5倍，整個(gè)短路持續(xù)時(shí)間2.16～2.5 ms。短路電流達(dá)到32 A第一級(jí)斷路器短路瞬時(shí)動(dòng)作值，越級(jí)跳閘，結(jié)果不滿足級(jí)差配合要求；短路電流未達(dá)到40 A第一級(jí)斷路器短路瞬時(shí)動(dòng)作值，未越級(jí)跳閘。短路電流測(cè)試曲線如圖3所示，結(jié)果滿足級(jí)差配合要求。

圖3 380 V鍋爐PC2B段6號(hào)柜測(cè)試曲線

針對(duì)上述結(jié)論及出現(xiàn)的問(wèn)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(gè)級(jí)差（40 A）。

（2）在電子間增加直流分屏，各保護(hù)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(gè)級(jí)差（40 A）。

（3）結(jié)合實(shí)測(cè)短路電流及持續(xù)時(shí)間，選用國(guó)產(chǎn)GM5B-40H 40A型直流斷路器，該斷路器短路試驗(yàn)電流1 200 A，7 ms不脫扣，理論值可滿足級(jí)差配合需求。

電廠采購(gòu)上述型號(hào)直流斷路器進(jìn)行改造后，重新進(jìn)行級(jí)差配合測(cè)試未發(fā)生越級(jí)跳閘。

4 火電廠直流電源系統(tǒng)直流斷路器配置常見(jiàn)問(wèn)題及建議

本次試驗(yàn)選取了典型的幾種直流級(jí)差配合類別，通過(guò)模擬短路電流測(cè)試斷路器的動(dòng)作特性，總結(jié)了一些火電廠直流系統(tǒng)中的常見(jiàn)問(wèn)題，提出建議如下：

（1）早期電廠設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮直流級(jí)差配合問(wèn)題，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選型，部分廠用直流電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不滿足級(jí)差要求，須進(jìn)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(dá)到第一級(jí)開關(guān)的短路瞬時(shí)動(dòng)作值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選型容易發(fā)生越級(jí)跳閘問(wèn)題。建議結(jié)合級(jí)差配合試驗(yàn)結(jié)果及直流斷路器短路保護(hù)特性曲線重新選型。

（2）380 V PC段、6 kV段廠用直流末級(jí)斷路器誤配為交流斷路器，該類問(wèn)題主要集中在380 V段，部分開關(guān)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(hù)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(jí)差不滿足要求時(shí)越級(jí)跳閘會(huì)造成所有保護(hù)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(yǔ)

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(hù)裝置安全運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。因此，必須提升直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，從設(shè)計(jì)階段做好直流系統(tǒng)的級(jí)差配置，并通過(guò)級(jí)差試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整改，杜絕越級(jí)跳閘。