6 kV 厂用系统直流断路器改造分析

周庆广 李 强 赵成功

（1.国能电力技术工程有限公司，济南 250001；2.山东省机械设计研究院，济南 250031）

低压直流系统作为独立电源，在电网或机组发生故障时，可继续为控制、信号、继电保护、自动装置等负载提供电源，保障电力系统的安全运行。当直流回路发生故障时，通过上、下级直流断路器的选择性配合，可以将故障限制在最小范围[1]。级差配合检查已纳入各火力发电集团技术监督、安全性评价要求，因此电厂有必要对该项工作进行详细普查分析。

1 直流系统概况

某电厂每台机组设两组110 V 的蓄电池，采用单母线分段接线方式，中间经联络开关互联。110 V 直流系统主要供控制、保护、信号、测量负荷。设一组220 V 的蓄电池，采用单母线接线方式，主要供事故照明、动力负荷及交流不停电电源。直流系统采用辐射状供电方式，设有充电母线和配电母线。充电母线用于蓄电池的充电和试验，而直流馈电屏和充电装置接到配电母线。

2 级差配合试验

2.1 直流断路器级差配合

直流断路器的级差配合是在发生短路时，上、下级直流断路器能够实现选择性保护，根据直流断路器自身特性和短路电流值，保证本级直流断路器可靠动作而上级直流断路器可靠不动作[2]。

根据脱扣特性曲线不同直流断路器分B、C 型，国标规定B 型脱扣特性的直流断路器瞬时脱扣范围为4In~7In，C 型瞬时脱扣范围为7In~15In。依据选择性配合表设置各级断路器而不考虑实际脱扣值，可能造成级差配置不合理。

2.2 试验直流断路器配置情况

选择不同位置、不同型号的直流控制开关进行级差配合试验，以1 号机6 kV A 段的A 磨煤机相关各直流断路器为例，级差配合网络图参见图1。

A 磨仪表室内有3 个直流微型断路器S4.1、S4.2、S4.3，型号均为ABB B4 型，额定电流4 A，瞬时脱扣范围4In~7In。电源引自1 号机6 kV A 段直流分电屏，对应馈线开关S3为良信电器C6 型直流微型断路器，额定电流6 A，瞬时脱扣值12In。

直流分电屏电源引自1 号机110 V 直流馈电屏，对应馈线开关S2为良信电器NDB2ZB-63 型直流塑壳断路器，额定电流63 A，瞬时动作电流16In±20%。

蓄电池出口断路器S1选用良信电器NDM2ZB-630型直流塑壳断路器，额定电流500 A，瞬时动作电流16In±20%，短时短路电流10In±20%，短路短延时整定时间30 ms。

2.3 试验原理

选定A 磨断路器S4.2为试验末端断路器，试验模拟d1点发生金属性短路，查看直流断路器S4.2是否可靠动作且直流断路器S3是否可靠不动作，从而验证同类型末端直流断路器与其上级直流断路器级差配合关系[3]。

2.4 试验数据及结果

预估数据参见表1，试验结果参见表2。

表1 预估数据

表2 试验结果

根据表1 预估数据推算试验回路内阻约0.812 Ω。在直流输入电压117 V 时，d1点短路电流预估可达143.9 A，远超过直流微型断路器S3瞬时脱扣值12In=12×6=72<143.9。

试验模拟d1点发生金属性短路，试验后断路器S4.2与S3均跳闸，回路弧前电流持续时间、灭弧时间均正常。可推断，当高压开关柜内3 条直流回路任意一路发生短路，都将导致上级开关跳闸，其他两路失电，存在一定的安全隐患，级差配置不合理[4]。

3 数据分析

3.1 短路电流计算分析

根据图1，断路器S4.2回路内阻包括蓄电池的内阻，电缆L1、L2、L3的电阻，直流开关S1、S2、S3、S4.2的内阻，以及其他元件的阻值。

通过试验测量计算A 磨断路器S4.2回路内阻值为0.812 Ω。查表，得知断路器S4.2的内阻（两极）参考值为0.246 Ω，电缆L3截面积为4 mm2，长度为15 m，电缆电阻计算值为0.138 Ω。

可计算，当断路器S3下口d2点发生金属性短路时，该回路内阻值为0.428 Ω。

考虑到现场实际电压降较低，系统电压维持在117 V 左右，预估d2点最大短路电流值为273.4 A。

以良信电器C 脱扣特性的直流断路器为例，此短路电流下，断路器S3额定电流宜选择12In<273.4，即In=22.8 A。

上级馈线开关直流塑壳断路器S2额定电流为63 A，瞬时脱扣整定值为：

30 ms 短延时，脱扣整定值为：

可见，直流断路器S2与S3满足级差配置要求。

3.2 分电屏直流开关选型分析

根据短路电流计算结果，良信电器C 脱扣特性的断路器S3额定电流可选择16 A 和20 A。

1 号机6 kV A 段直流分电屏至各开关柜布线长度为4 ～25 m，电缆L3内阻范围为0.037 ～0.230 Ω。查表，直流微型断路器内阻为90.0 mΩ（6 A）、12.4 mΩ（16 A）、7.8 mΩ（20 A）。

3.2.1 选型C16

若更换断路器S3为良信电器C16 型，则S4.2回路内阻为0.633 ～0.826 Ω（受电缆L3长度影响）。考虑到现场实际电压水平，断路器S4.2下口d1点预估最大短路电流为141.6 ～184.7 A。

B 脱扣特性的断路器S4.2额定电流为4 A，7In=7×4=28<141.6，各开关柜内直流微型断路器S4.2瞬时动作可靠。

断路器S3额定电流为16 A，12In=12×16=192>184.7，满足S3和S4.2选择性配合和灵敏系数要求。

3.2.2 选型C20

若更换断路器S3为良信电器C20 型，则S4.2回路内阻为0.621 ～0.822 Ω，断路器S4.2下口d1点预估最大短路电流为142.4 ～188.4 A。

B 脱扣特性的直流微型断路器S4.2额定电流4 A，7In=7×4=28<142.4，各开关柜内直流微型断路器S4.2瞬时动作可靠[5-6]。

断路器S3额定电流20 A，12In=12×20=240<188.4，满足S3和S4.2选择性配合和灵敏系数要求。

3.2.3 综合比较

本文计算的回路内阻均包含试验仪器及其导线的阻值，受110 V 直流系统母线电压影响，实际运行期间可能存在d1点短路电流大于良信电器C16 型直流断路器瞬时脱扣值的极端情况。出于安全、可靠、经济原则考虑，将1 号机6 kV A 段直流分电屏各馈线开关S3更换为良信电器C20 型直流微型断路器。

4 改造后试验

改造后，选定A 磨断路器S4.2为试验末端断路器，在d1点短路验证其与上级断路器S3的级差配合关系，试验数据及结果、回路波形如表3 和图2 所示。

表3 试验数据及结果

由表3 和图2 可知，试验数据符合相关标准规范要求，试验证明直流断路器S3与S4.2满足选择性配合和灵敏系数要求[7-8]。

5 结语

通过检查直流系统各开关的上、下级级差配合，全面普查是否存在设计不满足级差配置要求、直流断路器误配置为交流断路器、直流断路器正负极接反的情况等，确保直流系统的稳定可靠、接线合理。