300 MW火电机组直流电源系统断路器保护配合校验

罗丽佳

(内蒙古京泰发电有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

0 引 言

火电机组的直流电源系统是电力二次系统的重要组成部分，是控制、调节、保护和监测重要电气设备的供电电源，同时也为厂用重要负荷直流电动机、UPS装置、断路器操作机构、应急照明、热工设备提供动力电源，直流电源系统关系着整个机组的运行安全[1]。2015年6月，河北某发电厂2号机组检修阶段，人员误碰造成直流终端断路器出线侧短路，引起直流终端断路器、直流分电柜馈线断路器、直流柜馈线断路器三级开关同时跳闸，直流断路器失去选择性配合，导致直流分电柜失电，给机组安全稳定运行带来极大隐患。2018年3月，陕西某发电厂直流终端负荷侧线路发生绝缘损坏导致短路，直流终端断路器由于灵敏性不满足要求，未及时分断短路电流造成电缆绝缘融化，交流窜入直流系统，导致机组跳闸，严重威胁电力系统安全运行。近年来，直流电源系统故障影响机组乃至电力系统案例呈现增长趋势[2-3]。直流电源系统保护配合要满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性——“四性”基本要求，实现该动作时不拒动，不该动作时不误动，才能有选择地可靠快速切除故障从而保护正确动作。

目前，很多电厂及变电站的实际生产中，仅核对直流断路器上下级级差关系，开展保护选择性配合校验[4-5]，并未进行系统性保护配合校验，导致直流系统保护“四性”无法协调统一，给现场带来安全隐患。文献[6]根据直流系统短路计算结果及断路器配置，研究了直流系统保护级差配合特性，但并未给出保护配合校验具体方案。文献[7]提出了采用3种动作特性直流断路器相结合的选择性保护解决方案，但在保护灵敏度方面并未深入分析。

本文以某300 MW火电机组直流电源系统配置为基础，通过分析直流系统保护配置的“四性”要求，结合直流短路计算，提出系统性保护配合校验方案。该方案以检验直流系统保护“四性”为目的，对系统短路故障及过负荷情况下断路器保护配合分别进行针对性综合校验，规范化直流系统保护配合校验流程，有助于直流系统保护“四性”的协调统一。并结合实例计算对校验方案进行论述，对方案的具体实现过程进行重点阐述。

1 系统概述

某电厂为内蒙古地区坑口火力发电厂，一期工程为2台300 MW机组，直流系统采用标准设计[8]。每台机组装设3组蓄电池，其中2组采用两段单母线接线方式对110 V控制负荷供电，两段单母线间设有联络电器，正常运行时两段直流母线分别独立运行；1组采用单母线接线方式对220 V动力负荷供电，2台机组动力负荷直流母线间设有联络电器，正常运行时两段直流母线分别独立运行。110 V直流电源系统采用集中辐射形和分层辐射形组合供电方式，具有供电距离远、负荷分散、断路器分级多、保护配合复杂的特点；220 V直流电源系统采用集中辐射形单一供电方式，供电距离近、负荷集中性好、断路器分级少、保护配合简单[9]。以下以一段110 V直流电源系统为例，开展保护配合校验分析，系统接线如图1所示。

图1 系统接线

每段110 V直流母线配置1套充电装置，1套充电装置包括8台高频开关电源模块，高频开关电源模块铭牌参数见表1。

表1 高频开关铭牌参数Table 1 Parameters of high frequency switch nameplate

每段110 V直流母线配置1组阀控式密封铅酸蓄电池，每组蓄电池包含单体2 V蓄电池共计52个，蓄电池组铭牌参数见表2。

表2 蓄电池组铭牌参数Table 2 Parameters of battery pack nameplate

每段110 V直流母线均采用集中辐射形和分层辐射形组合供电方式向控制负荷供电，供电方式如图2所示。

图2 系统供电方式

直流系统保护电器分为熔断器和断路器两种，熔断器熔体存在元件老化、环境因素影响大、熔断时间分散性大、安秒特性曲线不易于测试、保护配合难度大等问题，相比之下直流断路器具有更加稳定完善的保护特性，易于实现保护配合和性能测试。近年来，直流断路器逐渐取代熔断器成为直流电源系统的主要保护电器[10]。从图1和图2可以看出，该厂110 V直流电源系统在蓄电池组出口回路、放电回路、充电装置直流侧回路、直流馈线回路均装设相应直流断路器作为保护电器，110 V直流电源系统各回路直流断路器配置情况见表3。

表3 直流断路器配置情况Table 3 Configuration of DC circuit breaker

负荷终端柜以保护柜、测控柜、高低压配电柜为主，由于各负荷盘柜生产厂家、负荷类型不同，负荷终端柜采用的直流终端断路器型号也不尽相同。根据现场控制负荷实际统计情况，直流终端断路器额定电流不大于6 A，均采用标准型B型直流断路器。

针对电缆过负荷运行造成的电缆过热损坏，直流断路器配置反时限长延时保护；针对直流系统短路故障，直流断路器配置瞬时保护和短延时保护，各级断路器保护动作特性见表4。

表4 直流断路器动作特性Table 4 Active characteristics of DC circuit breakers

2 保护配合校验分析

继电保护配置应满足“四性”基本要求，这一点对于交流系统和直流系统都是相同的，要满足这一要求，应从系统结构、保护配置、设备制造、整定计算、运维管理等方面进行统筹考虑[11]。开展直流系统保护配合校验工作就是对保护电器“四性”进行检验，保障直流电源系统安全可靠平稳运行。

2.1 直流系统保护“四性”

继电保护“四性”是保护正确动作的基础，同时相互之间又存在互相制约关系。在现场实际中，常常遇到选择性与灵敏性、选择性与速动性的矛盾，有必要开展直流系统保护配合校验工作，实现保护电器“四性”统一协调。

可靠性，即不误动、不拒动。性能可靠、质量优良的直流断路器作为保护电器在直流系统中得到了广泛应用，在此基础上配置完善、合理的保护方案，从而有效保障保护电器可靠性能。

灵敏性，保护对故障的反应能力。校验每级直流断路器在规定保护范围内的灵敏度，保证线路发生过载或短路故障均能有效反应。

选择性，故障元件的保护切除故障，将故障影响范围限制在最小。合理整定直流断路器定值，保证直流系统中任一点发生过载或短路，各级直流断路器均能正确动作，不发生误动或拒动。

速动性，尽可能快速切除故障。直流断路器切除异常或故障时间应满足电缆发热要求，保证保护电器速动性。

直流系统保护配合校验，就是从保护配置、定值整定、灵敏度、电缆配合等方面开展校验工作，实现保护“四性”统一协调，满足系统运行要求。

2.2 直流系统短路计算

直流系统短路计算是开展直流系统保护配合校验工作的依据，是实现保护“四性”统一协调的基础[12]。与交流系统不同，直流系统短路计算仅计及元件的电阻分量，为简化计算，计算电压采用系统标称电压，并计及充电装置助增电流，对蓄电池短路电流计算进行技术处理和数据调整，计算式如下：

式中：Ik为回路短路电流；Un为系统标称电压；n为蓄电池个数；rb为蓄电池内阻；r1为蓄电池间连接条电阻；∑RL为蓄电池至短路点电缆电阻之和；∑RZK为蓄电池至短路点断路器触头电阻之和。

短路点的选取是直流系统短路计算至关重要的一步，根据系统结构、保护配置合理确定短路点位置，是开展直流系统保护配合校验工作的前提。结合该厂110 V直流系统结构及配置，短路点设置如图3所示，通过将短路点设置在各级断路器安装处及各段直流母线上，以满足保护灵敏性和选择性校验需要。

图3 短路计算网络

2.3 直流系统短路保护灵敏性及选择性校验

围绕直流断路器瞬时保护和短延时保护开展直流系统短路保护灵敏性及选择性校验工作，具体校验方法如下：

1) 直流断路器应根据保护范围内相应短路点短路电流进行灵敏性校验，以保证在保护范围内发生短路时保护可靠动作，灵敏系数计算式如下：

式中：KL为灵敏系数；Ik为回路短路电流；ID为断路器瞬时保护或短延时保护动作电流。要求KL不宜低于1.05，从而确保保护可靠动作。

2) 选择性校验包括两个方面：一方面，上下级直流断路器灵敏性应配合，即上级断路器保护的保护范围应比下级断路器保护的保护范围短，且上级断路器瞬时保护范围不应延伸至下级；另一方面，在动作时间方面，下级保护范围内上级断路器动作保护的短延时时间应大于下级断路器动作保护全分断时间，两者必须做到完全配合才能满足选择性要求。

2.4 断路器与电缆配合校验

完成各级保护电器短路灵敏性及选择性校验后，还需校核各级断路器与相应电缆之间匹配情况，针对短路故障和系统过负荷分别开展校验分析。

1) 校核各级断路器短路保护与相应电缆截面配合情况，判断短路保护速动性是否满足配合要求，计算式如下[13]：

(1)

式中：t为电缆温升允许时间；k为导体温度系数，对于直流系统采用的交联聚氯乙烯电缆取143；S为电缆截面；Ik为短路电流；T为短路故障时断路器动作保护全分断时间。

2) 校核各级断路器反时限长延时保护与相应电缆载流量配合情况，实现对系统过负荷情况下保护“四性”的检验，计算式如下[14]：

(2)

式中：IB为回路计算电流；In为断路器额定电流；Iz为电缆持续载流量；I2为断路器约定时间内可靠动作电流。

2.5 保护配合校验方案

断路器保护配合校验工作以检验直流系统保护“四性”为目的，结合直流系统短路计算，具体校验方案如下：

1) 根据系统结构及保护配置情况，查找统计各元件电阻数据，确定系统短路点位置，计算直流系统短路电流。

2) 根据短路计算结果，结合各级断路器动作特性，校验各级断路器在灵敏度、定值整定方面配合情况，确保断路器灵敏性和选择性满足要求。

3) 校核各级断路器与相应电缆截面之间是否满足匹配要求，确保在线路短路故障及过负荷引起的电缆温升造成损害前，直流断路器保护能够及时动作，实现保护动作与电缆承受能力相配合。

4) 对整个系统保护配置进行总结评价，检验保护配置是否合理、完善，确保保护可靠实现该动作时不拒动、不该动作时不误动。

3 算例分析

结合该厂110 V直流电源系统结构及保护配置情况，进行断路器保护配合校验。

3.1 数据统计及短路计算

根据图3所示的110 V直流电源系统短路计算网络图，做出相应的短路计算电阻图，见图4。

图4 短路计算电阻

图4中，r为52只110 V、400 A·h蓄电池双连接条软连接方式的综合内阻;RL1为电缆L1的电阻，L1取60 m;R13ZK为13ZK断路器的触头电阻;R14ZK为14ZK断路器的触头电阻;R17ZK为17ZK断路器的触头电阻;RL2为电缆L2的电阻，集中辐射形负荷供电距离相近，L2取平均距离120 m;R18ZK为18ZK断路器的触头电阻;R17′ZK为17′ZK断路器的触头电阻;RL3为电缆L3的电阻，分层辐射形负荷各分电柜供电距离相差较大，为控制电缆压降在(3%～5%)Un范围内，不同供电距离采用不同截面电缆，回路电阻相差不大，L3取60 m;R18′ZK为18′ZK断路器的触头电阻;RL4为电缆L4的电阻，L4取平均距离50 m;R19′ZK为19′ZK断路器的触头电阻。

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

根据短路计算电阻图，结合系统各元件电阻数据，对各短路点的短路电流进行计算，结果见表5。

3.2 断路器短路保护配合特性校验

根据表5直流系统短路计算结果，结合各级断路器动作特性，校验各级断路器在灵敏性、选择性方面配合情况，针对集中辐射形和分层辐射形供电方式分别开展校验工作，对于充电回路、放电回路、联络回路参考集中辐射形负荷线路校验过程。

1) 集中辐射形负荷供电方式下，各短路点短路时保护动作配合情况见表6。根据表6可以看出，集中辐射形负荷供电方式下，在断路器安装处及各段母线短路时，断路器13ZK、14ZK、17ZK、18ZK均能有效动作反应，可靠保护本线路全长，并与下级保护有良好配合关系，下级保护范围内上级断路器动作保护的短延时时间均大于下级断路器动作保护全分断时间，保护电器的灵敏性、选择性满足配合要求。为便于系统运行方式切换，蓄电池组出口设置了两组断路器13ZK、14ZK，两组断路器在系统短路故障下跳闸的作用是相同的，考虑到两者电气距离较短和短路故障快速切除的需要，将两组断路器保护整定一致，不再增加时间级差，起到双重化保护作用。

表5 直流系统短路电流Table 5 Short circuit current in DC system

2) 分层辐射形负荷供电方式，各短路点短路时保护动作配合情况见表7。

根据表7可以看出，分层辐射形负荷供电方式下，在断路器安装处及各段母线短路时，断路器13ZK、14ZK、17′ZK、18′ZK、19′ZK均能有效动作反应，可靠保护本线路全长，并与下级保护有良好配合关系，下级保护范围内上级断路器动作保护的短延时时间均大于下级断路器动作保护全分断时间，保护电器的灵敏性、选择性满足配合要求。

3.3 电缆配合特性校验

统计各段直流电缆与断路器配合参数见表8，结合上述各级断路器保护全分断时间，代入计算式(1)、(2)进行校核，各级断路器与相应电缆满足匹配要求。系统各点短路时断路器全分断时间不超过电缆温升允许时间，保护速动性满足要求；线路过负荷引起的电缆温升造成损害前，直流断路器长延时保护将分断过负荷电流，实现对电缆的有效保护。

表6 集中辐射形保护配合Table 6 Protection coordination of concentrated radiation

表7 分层辐射形保护配合Table 7 Protection coordination of layered radiation

表8 直流电缆与断路器配合参数Table 8 Coordination parameters of DC cable and circuit breaker

3.4 保护配置评价

该110 V直流电源系统保护配置采用“3+2”方式，即直流终端断路器采用二段式保护，上级断路器均采用三段式保护配置，构成整个直流系统元件的全方位保护。通过上述校验可知，该保护方案配置可靠性好，能够实现上下级断路器保护间选择性、速动性和灵敏性的良好配合，保证线路在发生过负荷及短路故障时均有相应保护及时动作，将故障范围限制在最小，保障整个直流系统安全、平稳运行。

4 结 语

直流电源系统保护电器配置满足“四性”要求对于整个直流系统安全平稳运行有着重要意义。在某电厂300 MW火电机组直流电源系统配置基础上，通过分析直流系统保护的“四性”要求，结合直流系统短路计算，提出了系统性保护配合校验方案，并将方案运用到该电厂110 V直流电源系统中进行断路器保护配合实例校验，对系统短路故障及过负荷情况下保护配置的可靠性、选择性、灵敏性和速动性分别进行针对性综合校验。重点阐述了方案具体实现过程并进行总结评价，实现了直流系统保护配合校验流程规范化，有助于直流系统保护“四性”的统一协调，为同类机组开展直流电源系统保护配合校验工作提供参考依据。