大型水电站直流系统级差设计可行性计算

付恩狄

（天生桥二级水力发电有限公司，贵州 兴义 562400）

天生桥水力发电总厂位于贵州省兴义市，隶属于调峰调频发电公司，系南方电网公司应急调峰调频电厂，成立于1988年3月，负责运行管理黔、桂界河南盘江上的天生桥二级水电站和500kV开关站、220kV开关站各一座。天生桥二级电站是西电东送的发源地，也是西电东送南路工程第一个电源点。电站至广东、贵州和广西的4回500千伏、8回220千伏输电出线，构成了南方电网交流输电主网架的重要枢纽，为西电东送及地方经济发展做出了突出的贡献，被誉为“高原明珠”“西电东送的排头兵、桥头堡”。

天生桥二级电站220V直流系统如下。

（1）厂房I段220V直流系统。

（2）中控II段220V直流系统。

厂房I段与中控II段为手拉手双套220V直流系统，主系统采用单母分段接线，配置双套蓄电池、双套充电系统（6×20A）。本文接下来将以厂房I段220V直流系统为例，对蓄电池、接线及空开型号参数进行统计，并根据电缆截面及长度。进行短路电流计算，通过比对各种保护设备动作曲线，对直流系统进行保护设备级差配合的可行性计算。

1 厂房I段220V直流系统蓄电池组

厂房I段直流系统采用104节HOPPECKE 80PzV800型电池，容量800Ah，电池组电压及内阻数据如下表1所示。

2 厂房I段220V直流主系统图及保护设备曲线图

本系统采用的上海沪工NT2 gL400A型熔断器，动作曲线如图1所示。

表1 天生桥二级电站厂房I段220V直流系统蓄电池组参数

图1 厂房I段220V直流主系统图

主系统采用 HH15A-400隔刀，主馈线柜的大电流回路均采用ABB S3N R250/3P型，有3种可选（3倍额定电流以上瞬时动作、5倍额定电流以上瞬时动作以及10倍额定电流以上瞬时动作），此处使用的断路器脱扣电流倍数未知，根据本站其它断路器的习惯推测，应为10倍额定电流以上瞬时动作型，动作曲线如图2所示。

图2 厂房I段220V直流系统熔断器动作曲线图

图3 厂房I段220V直流系统ABB S3N R250/3P断路器动作曲线图

本直流系统的馈线回路采用的断路器，动作曲线如图4、图5所示。

图4 厂房I段220V直流系统SIMENS 5SX52 C型断路器动作曲线图

图5 厂房I段220V直流系统MOELLER Xpole PL9-C型断路器动作曲线图

本系统采用的merlin Gerin（梅兰日兰）/Multi9 C45N型断路器、F&G JP67/62B C型断路器、FATO断路器、北京人民固安祥断路器无法取得样本，因此按照普通的C型断路器曲线计算。

3 厂房I段220V直流系统存在问题

通过对断路器、隔刀、熔断器、电缆参数及短路电流及动作分析，本系统存在以下问题。

（1）各级馈线柜进线、分段及隔离设备均采用了断路器，1QF、2QF、3QF回路甚至配置了第二级熔断器（型号与第一级相同），馈线柜级数过多，导致部分保护设备无法配合。

（2）断路器品牌、型号繁多，部分馈线采用了交流型断路器（梅兰日兰C65N/C45N）；部分馈线断路器无法找到样本；FATO断路器、北京人民固安祥断路器额定电流未知；ABB S3N断路器磁脱扣电流未标注。由于断路器品牌型号过多，即使理论分析曲线可以配合，也有可能由于跳闸时间延迟不同，或下级动作较慢上级来不及返回导致配合失败。

4 厂房I段220V直流系统级差设计模型

由于本系统分级馈线屏较多，馈线数量大，因此统一进行相对简化的分析。以厂房I段1ZL2柜至220kV保护室#1直流电源分配柜回路建立模型计算分析。

（1）厂房220V系统I段1ZL2柜典型回路直流系统描述。

①蓄电池容量800Ah 220V 104节，2电2充，有分屏。

蓄电池出口电缆：S=185mm2，L=42m（充电机出口熔断器与蓄电池出口熔断器均在主屏，在此按充电机出口熔断器计算）。

蓄电池出口保护电器：直流塑壳断路器GM5FB-800R/500A DC250V。

②主馈屏1ZL2出口至220kV保护室#1直流电源分配柜分屏电缆：S=25mm2，L=190m。

主馈屏出口至分屏保护电器：小型直流断路器GM5FB-250R/100A DC250V。

③220kV保护室#1直流电源分配柜至天马I线主一保护屏电源开关电缆：S=2.5mm2，L=19m（为了方便计算，这里取L=20m，因线缆越短，短路电流越大。软件中的线缆截面积参数无5mm2，这里等效为6mm2，L=24m。

分屏至测保屏保护电器：GM5-63H/2C10A。

④保护屏电源开关建议使用GM5-63L/2C 2A：电缆取 S=2.5mm2，L=1m。

（2）各点短路电流计算。

①保护电器灵敏度分析：保护电器的额定电流规格应根据实际直流系统短路电流大小选择，不应过大（易造成拒动），也不应过小（易造成误动）。灵敏度分析指的是单级保护元件的校核，即分析当直流系统中出现故障电流时保护元件是否会拒动的判断。分析之前，先要计算直流系统中各处的短路电流大小。

②保护元件选择性分析：保护元件选择性分析指的是上、下两级保护元件的级差配合分析。当直流系统中出现故障电流时，距离故障位置最近的保护元件需断开。同时与之相对应的上级保护元件不应动作，确保将故障范围缩小到最小范围。在进行选择性分析时，也需首先计算直流系统各处的短路电流值大小。

通过分析和短路电流计算，可由专业软件生成以下短路电流计算图，如图6所示。

图6 系统现状方案短路电流计算图

从上面专业软件校验后的生成图可以判断，此系统每级所选择的断路器可以实现本系统线路的全选择性保护，级差配合合理（不显示红色即为配置合理）。图中蓄电池出口至断路器电缆显示为红色，原因是电缆电阻分压至电缆出口压降为3.68V，大于许可压降2.2V，但对于本直流系统无影响。

5 结语

根据直流系统图纸，建立直流系统级差设计模型进行短路电流计算，得到各故障点的短路电流（包括馈线出口与末端），通过比对搜集到的熔断器、断路器等保护设备样本中动作曲线，得到动作时间，进行了比较详细的保护级差配合分析，指出了各直流系统中存在的问题，同时给出了设备替换等建议解决方案。

（1）由于进线、分段断路器保护作用不大，易造成误动，因此应将所有进线断路器及分段断路器改为隔刀。

（2）将所有交流断路器替换为直流断路器，保证短路时可靠动作。

（3）对于上级断路器与下级馈线柜出线断路器配合的问题，应取消无必要的保护设备（如1、2、3QF的前级熔断器）；推荐选用三段式保护断路器来解决下级馈线出口短路时上级断路器越级动作问题。

（4）在条件允许的情况下，可更换电缆末端短路时动作过慢的断路器。