無人值班變電站直流電源斷路器全選擇性配置及遙控開關(guān)配置研究

吳 蕾

（國網(wǎng)河南能源互聯(lián)網(wǎng)電力設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鞏義 450007）

0 引 言

在國內(nèi)外常見的變電站直流電源系統(tǒng)中，各級(jí)饋線斷路器均為短路瞬時(shí)脫扣+過載長延時(shí)型2 段式保護(hù)類型。為實(shí)現(xiàn)上下級(jí)配合，主要方法是降低下級(jí)斷路器的額定電流或提高上級(jí)斷路器的額定電流，來增加2 級(jí)斷路器間的級(jí)差，即在下級(jí)饋線上出現(xiàn)短路時(shí)，使其短路電流值處于下級(jí)斷路器的瞬時(shí)動(dòng)作電流值范圍內(nèi)，同時(shí)處于上級(jí)斷路器的長延時(shí)動(dòng)作電流值范圍內(nèi)。下級(jí)斷路器可快速動(dòng)作切除故障，故障持續(xù)時(shí)間未到達(dá)上級(jí)斷路器延時(shí)動(dòng)作時(shí)間，因此上級(jí)斷路器未跳閘并且返回。此配置有一定的局限性，如在下級(jí)饋線電纜較短、故障點(diǎn)較近的情況下，故障電流較大，有可能同時(shí)處于上下級(jí)斷路器的瞬時(shí)動(dòng)作電流值范圍內(nèi)，無論怎么提高2 級(jí)斷路器間的級(jí)差，仍會(huì)出現(xiàn)上下級(jí)同時(shí)瞬時(shí)跳閘的情況，導(dǎo)致失去選擇性，擴(kuò)大停電范圍[1,2]。

本文根據(jù)變電站直流電源系統(tǒng)的具體接線結(jié)構(gòu)，提出一種斷路器及遙控開關(guān)的配置方案，可在較短時(shí)間內(nèi)隔離故障、恢復(fù)供電，適用于無人值班變電站。

1 變電站直流電源斷路器的全選擇性配置

目前，常見的電力工程直流電源系統(tǒng)均采用輻射供電方式，保護(hù)電器一般為3 級(jí)或4 級(jí)串聯(lián)使用。第1 級(jí)為蓄電池出口斷路器或熔斷器；第2 級(jí)為直流主饋屏至直流分饋屏的斷路器；第3 級(jí)為直流主饋屏及分饋屏微型斷路器；第4 級(jí)為末端負(fù)荷（保護(hù)、測控屏）中的微型斷路器。

為保持與下級(jí)斷路器的級(jí)差配合，1 級(jí)和2 級(jí)斷路器不宜瞬時(shí)跳開，帶短延時(shí)跳開即可，既滿足了級(jí)差配合需要，又不至于延時(shí)過長燒毀系統(tǒng)內(nèi)某些電器。另外，常見的直流電源系統(tǒng)經(jīng)常采用熔斷器作為蓄電池出口保護(hù)電器，主饋屏中的2 級(jí)回路斷路器要求與熔斷器完成級(jí)差配合，因此需要使用與熔斷器類似動(dòng)作曲線的斷路器產(chǎn)品。

1.1 具有熔斷器反時(shí)限動(dòng)作曲線的2 段式保護(hù)斷路器

國內(nèi)某廠創(chuàng)新研發(fā)的GM5FB 系列斷路器滿足了上述需求。與常見的2 段式保護(hù)斷路器平直的一段動(dòng)作曲線不同，GM5FB 的Ⅰ段動(dòng)作曲線為反時(shí)限型，與熔斷器動(dòng)作曲線類似。GM5FB 與熔斷器的動(dòng)作曲線如圖1 所示，橫軸為短路電流/額定電流倍數(shù)，縱軸為跳閘延時(shí)時(shí)間。其中Ⅰ段動(dòng)作曲線為反時(shí)限型曲線，當(dāng)故障電流值在2 條曲線交叉點(diǎn)左側(cè)范圍內(nèi)時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)級(jí)差配合。

圖1 GM5F 與熔斷器的動(dòng)作曲線

GM5FB 的實(shí)際動(dòng)作曲線如圖2 所示。

圖2 GM5FB 斷路器的動(dòng)作曲線

GM5FB 系列斷路器分為GM5FB-250（63～250 A）和GM5FB-800（315 ～800 A）2 個(gè)殼架等級(jí)，前者適用于第2 級(jí)回路斷路器，后者適用于蓄電池出口等第1 級(jí)大電流回路。

GM5FB 的Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作曲線具有熔斷器的反時(shí)限特性，有著良好的限流能力和延時(shí)動(dòng)作功能，在第1 級(jí)回路選擇較大額定電流的斷路器，在第2 級(jí)回路選擇較小額定電流的斷路器。通過Ⅰ段保護(hù)的反時(shí)限動(dòng)作特性，在很高的短路電流下，上、下級(jí)斷路器的動(dòng)作時(shí)間差仍足夠大，可有效實(shí)現(xiàn)級(jí)差配合。

1、2 級(jí)均配置GM5FB 時(shí)，配合曲線如圖3 所示。其橫坐標(biāo)為短路電流數(shù)值、縱坐標(biāo)為動(dòng)作時(shí)間。圖3中左邊的曲線為第2 級(jí)回路斷路器（額定電流In2相對(duì)較?。?，右邊曲線為第1 級(jí)回路斷路器（額定電流In1相對(duì)較大）。2個(gè)斷路器的Ⅰ段動(dòng)作曲線均為反時(shí)限型。在第2 級(jí)斷路器出口出現(xiàn)短路時(shí)，2 臺(tái)斷路器流過相同的短路電流，第2級(jí)斷路器延時(shí)較短（30 ms）先動(dòng)作，第1 級(jí)斷路器延時(shí)較長（60 ms），在第2 級(jí)動(dòng)作之后返回，實(shí)現(xiàn)了級(jí)差配合[3]。

圖3 1 級(jí)、2 級(jí)均配置GM5FB 時(shí)的配合曲線

1.2 第3、4 級(jí)回路斷路器上下級(jí)配合原理

1.2.1 常規(guī)2 段式及3 段式保護(hù)斷路器配合原理

對(duì)于直流電源系統(tǒng)末端第3 級(jí)和第4 級(jí)的微型斷路器，現(xiàn)有方案存在無選擇性配合的問題，其主要原因是直流分屏（或直流主屏）以及末端負(fù)荷所使用的微型斷路器限流能力較差，尤其是末端負(fù)荷屏內(nèi)的2 ～6 A 斷路器限流能力差，不能有效降低回路短路電流。同時(shí)上下級(jí)同型斷路器動(dòng)作時(shí)間相同，在回路短路電流達(dá)到上級(jí)斷路器動(dòng)作值時(shí)，上下級(jí)同時(shí)動(dòng)作形成的停電范圍擴(kuò)大。

第3、4 級(jí)采用2 段式保護(hù)斷路器時(shí)，根據(jù)第1節(jié)的分析，存在失去選擇性、擴(kuò)大停電范圍的問題。常見的解決方案是在第3 級(jí)采用3 段式保護(hù)斷路器，如GM5B40，其Ⅱ段保護(hù)采用短延時(shí)脫扣器。在第4級(jí)斷路器下游（末端負(fù)荷屏內(nèi)）出現(xiàn)短路時(shí)，其短路電流落在GM5B40 的Ⅱ段保護(hù)電流值范圍內(nèi)（短延時(shí)動(dòng)作），且同時(shí)在下級(jí)斷路器的Ⅰ段保護(hù)電流值范圍內(nèi)（瞬時(shí)動(dòng)作），下級(jí)可以先動(dòng)作，短路電流消失后上級(jí)返回，實(shí)現(xiàn)級(jí)差配合。但如果饋線電纜較短，短路電流較大，超過GM5B40 的Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作值，其進(jìn)入Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作值范圍，出現(xiàn)上下級(jí)斷路器同時(shí)瞬時(shí)動(dòng)作的情況，仍然會(huì)失去配合，擴(kuò)大停電范圍。

1.2.2 2 段式快速限流型及延遲動(dòng)作型保護(hù)斷路器配合原理

要解決測控保護(hù)屏上的2 ～6 A 斷路器限流能力差導(dǎo)致上級(jí)保護(hù)斷路器易誤動(dòng)的問題，一要提高測控保護(hù)屏2 ～6 A 斷路器的限流性能和分?jǐn)嗨俣?；二要將直流分屏和主饋電屏上末?jí)直流斷路器的短路瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作倍數(shù)閾值加大，使其延遲動(dòng)作，從而使上、下級(jí)斷路器在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)有一個(gè)時(shí)間差，并使經(jīng)測控保護(hù)屏上2 ～6 A 斷路器限流分?jǐn)嘁院蟮亩搪冯娏鞒^上一級(jí)斷路器瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作閾值的維持時(shí)間不超過0.6 ms，才能保證上級(jí)斷路器不誤動(dòng)和不拒動(dòng)。

國內(nèi)某廠創(chuàng)新研制了GM5-63C（L）快速限流型和GM5-63C（H）延遲動(dòng)作型小型直流斷路器。GM5-63C（L）快速限流型斷路器具有極高的限流性能，在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r(shí)可以在上級(jí)斷路器對(duì)短路電流做出反應(yīng)之前將短路電流迅速分?jǐn)?。與之相配合的上級(jí)GM5-63C（H）延遲動(dòng)作型小型直流斷路器，內(nèi)置延遲動(dòng)作脫扣器，將C（H）斷路器動(dòng)作時(shí)間延后，使下級(jí)的C（L）型斷路器有充分的時(shí)間先動(dòng)，如果切除故障，上級(jí)C（H）型斷路器返回，如果未切除故障，說明故障點(diǎn)在C（L）斷路器上游，由C（H）型斷路器跳開。

GM5-63 系列微型斷路器廠家通過采用以下技術(shù)來實(shí)現(xiàn)此型斷路器的級(jí)差配合。（1）根據(jù)微型斷路器的限流特性，斷路器的反向斥力觸頭在通過大的短路電流時(shí)，觸頭間產(chǎn)生電動(dòng)斥力，限制了短路電流，并且斷路器動(dòng)作速度很快（短路電流越大脫扣速度越快），觸頭迅速分?jǐn)?，使短路電流在上升過程中還未達(dá)到預(yù)期電流峰值之前就開始下降，最終被完全熄滅。即斷路器在短路電流上升過程中，具有“截?cái)唷彪娏鞯哪芰?。GM5-63C（L）系列微型斷路器采用超級(jí)限流技術(shù)，在短路電流達(dá)到2 000 ～4 000 A 時(shí)，使限流系數(shù)達(dá)到0.07 ～0.32。以額定電流為6 A 的GM5-63C（L）型斷路器為例，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)期短路電流達(dá)到3 000 A，而實(shí)際被限制的短路電流峰值僅為690 A，限流系數(shù)為0.23。而4 A 規(guī)格限流系數(shù)為0.24，限流效果非常明顯。（2）GM5-63C（L）系列小型直流斷路器采用快速分?jǐn)嗉夹g(shù)，使用一種新型機(jī)構(gòu)，使斷路器全分?jǐn)鄷r(shí)間被控制在2 ms 以內(nèi)，經(jīng)其分?jǐn)嘞蘖饕院蟮亩搪冯娏鞒^上一級(jí)斷路器瞬時(shí)脫扣器動(dòng)作閾值的維持時(shí)間不超過0.6 ms。GM5-63C（H）采用大行程的瞬時(shí)脫扣器技術(shù)，使電流上升到其瞬動(dòng)脫扣器動(dòng)作閾值時(shí)間加上瞬時(shí)脫扣器的空行程總時(shí)間控制在大于0.8 ms。這種級(jí)聯(lián)技術(shù)在上、下級(jí)斷路器短路瞬時(shí)脫扣器之間存在著動(dòng)作分?jǐn)鄷r(shí)間差，可保證上、下級(jí)斷路器的短路瞬時(shí)脫扣器實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)。

通過GM5-63C（L）和GM5-63C（H）這2 款斷路器的絕佳配合，能滿足直流電源系統(tǒng)對(duì)微型斷路器的限流以及選擇性保護(hù)的要求。廠家根據(jù)GM5-63C（L）與GM5-63C（H）斷路器的限流曲線和能量限制曲線做了各級(jí)間的短路配合試驗(yàn)，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，變電站內(nèi)3、4級(jí)微型斷路器的推薦配置方案如下。選用額定電流為25/32 A 的GM5-63C（H）型微型斷路器作為直流主饋屏/分饋屏中的饋線斷路器（三級(jí)），選用額定電流為2/3/6 A 的GM5-63C（L）型微型斷路器作為最末端負(fù)荷屏內(nèi)各裝置分電用微型斷路器（4 級(jí)）[4]。

2 各級(jí)開關(guān)遙控功能配置

以常見的2 蓄電池、3 充電機(jī)的500 kV 變電站為例，直流電源系統(tǒng)每段主饋母線可由本段母線充電裝置和備用充電裝置供電，蓄電池僅連接至本段主饋母線，2 段母線通過分段隔刀連接。直流分饋屏的母線Ⅰ和母線Ⅱ分別由主饋母線Ⅰ和主饋母線Ⅱ供2 路電，其中饋線出口配置GM5FB 型斷路器，分饋屏進(jìn)線配置隔刀。

分饋屏及主饋屏的末級(jí)饋線均為單線，無備用回路。為直流系統(tǒng)主饋屏母線進(jìn)線、分段、至分饋屏的斷路器以及分饋母線進(jìn)線隔刀安裝電操機(jī)構(gòu)，通過一體化電源監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遙控控制，可實(shí)現(xiàn)故障隔離功能。電操機(jī)構(gòu)的安裝方式如圖4 所示。

圖4 電操機(jī)構(gòu)的安裝方式

500 kV 變電站直流電源系統(tǒng)接線較為復(fù)雜，故障隔離功能情況較多，舉例說明如下。如圖5 所示，在直流主饋屏至分饋屏的電纜上發(fā)生短路后，QF3斷路器跳閘，分饋屏I 母失電，運(yùn)行人員通過遙控，將分饋屏進(jìn)線隔刀QS1打開，隔離故障點(diǎn)，再將QF4斷路器和分饋屏隔刀QS2遙控閉合，在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)供電。主饋母線進(jìn)線和分段開關(guān)通過遙控也可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障斷電后短時(shí)恢復(fù)供電的功能，過程類似。

對(duì)于末級(jí)饋電線路的斷路器來說，末級(jí)負(fù)荷（測控、保護(hù)屏）僅有一路供電回路，即使實(shí)現(xiàn)遙控也無法實(shí)現(xiàn)切換電源和恢復(fù)供電的功能。重要電力設(shè)備、線路均采用雙重化保護(hù)屏，其供電采用來自不同直流母線的2 路獨(dú)立電源，無須遙控切換。對(duì)于某些具有2 路電源切換的測控屏，在電源饋線短路時(shí)斷路器跳開后不再影響電源切換，相當(dāng)于自動(dòng)隔離短路點(diǎn)，因此無須實(shí)現(xiàn)遙控功能。末級(jí)饋線由于數(shù)量眾多，增加遙控電操機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致每個(gè)饋線屏內(nèi)的饋線數(shù)量大幅減少，需要更多的饋線屏，占地面積增加，影響房間布置。根據(jù)上述分析可知，末級(jí)饋線斷路器無須實(shí)現(xiàn)遙控功能[5]。

圖5 直流電源系統(tǒng)典型接線

3 結(jié) 論

本文根據(jù)變電站直流電源系統(tǒng)的具體接線結(jié)構(gòu)，分析各級(jí)斷路器的配合情況，結(jié)合工程實(shí)際，在蓄電池回路（第1 級(jí)）配置熔斷器或具有熔斷器特性的2 段式保護(hù)遙控型斷路器GM5FB，第2 級(jí)仍配置GM5FB 型斷路器；在下級(jí)直流分屏的進(jìn)線開關(guān)，采用不帶保護(hù)功能的遙控型隔刀；在下級(jí)直流分屏的饋線斷路器，采用GM5-63C（H）型微型斷路器；在末端負(fù)荷，配置GM5-63C（L）型微型斷路器。

本文還提出為關(guān)鍵斷路器、隔刀配置電操機(jī)構(gòu)，通過一體化電源監(jiān)控實(shí)現(xiàn)遙控功能，在出現(xiàn)短路故障斷路器跳閘后，可在較短時(shí)間內(nèi)隔離故障，恢復(fù)供電。通過實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)保護(hù)斷路器全選擇性配合和遙控主備回路開關(guān)，可縮小停電范圍，隔離故障，恢復(fù)供電，有利于無人值班變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。