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摘要：針對220kV變電站直流系統(tǒng)存在的保護電器級差配合問題，通過分析3種直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，并重點研究二、三級直流斷路器及三、四級直流斷路器的級差整定配合，最后提出2種直流系統(tǒng)典型配置方案。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng)；保護電器；直流斷路器；級差配合

0引言

變電站直流系統(tǒng)由蓄電池、充電機、監(jiān)控裝置和保護電器組成。在電力系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)為控制負荷和動力負荷供電，是繼電保護、自動裝置和斷路器等正確動作的基本保證。近幾年，國內(nèi)連續(xù)發(fā)生了幾起由于變電站直流系統(tǒng)故障導致的電網(wǎng)故障擴大事故，如2014年甘肅嘉峪關(guān)330kV變電站110kV系統(tǒng)全停事故及2016年陜西南郊330kV變電站主變壓器燒毀事故。直流系統(tǒng)對于變電站穩(wěn)定運行的重要性越來越受到關(guān)注。從工程設(shè)計角度出發(fā)，如何實現(xiàn)直流保護電器的級差配合，確保不發(fā)生由于越級跳閘造成的直流停電范圍擴大事故，是一切問題中最突出也是最難解決的問題。決定直流系統(tǒng)運行安全性和可靠性的不僅在于某一個元件的性能，更在于全部元件的協(xié)同配合，這就與變電站直流系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。縱觀國內(nèi)文獻[1-5]，大量研究均集中于如何利用短路電流進行上下級直流斷路器選型，而從網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方面提升直流系統(tǒng)可靠性的研究基本沒有。以下在充分調(diào)研變電站直流系統(tǒng)配置現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析研究了變電站內(nèi)實際大量存在的級差配合問題，提出了二、三級直流斷路器及三、四級直流斷路器之間的優(yōu)化解決方案。最終提出了2種直流系統(tǒng)典型配置方案，分別適用于戶內(nèi)/半戶內(nèi)及戶外變電站。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，具有極高的推廣價值。

1220kV變電站直流配置方案及比較

1.13種配置方案

a.方案1。全站配置2組直流蓄電池，出口采用熔斷器。共配置2面直流饋線屏，二次設(shè)備室內(nèi)布置2面220kV直流分電屏及1面110kV直流分電屏，就地布置2面220kV直流分電屏及1面110kV直流分電屏。低壓側(cè)開關(guān)柜采用直流小母線供電方式，不配置直流分電屏。每面直流分電屏設(shè)置2段直流母線，對于戶外變電站，就地直流分電屏也可設(shè)置1段直流母線。根據(jù)DL/T5044—2014《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（簡稱“規(guī)程”），每段母線由來自同一蓄電池組的2回直流電源供電。其中，二次設(shè)備室內(nèi)的直流分電屏僅示意1段母線。b.方案2。全站配置2組直流蓄電池，出口采用熔斷器。共配置2面直流饋線屏，二次設(shè)備室內(nèi)布置2面220kV直流分電屏及2面110kV直流分電屏，取消就地直流分電屏。每面直流分電屏設(shè)置2段直流母線。同樣，直流分電屏僅示意1段母線。c.方案3。全站配置2組直流蓄電池出口采用熔斷器。共配置4面直流饋線屏，供全站直流負荷，取消直流分電屏。

1.2優(yōu)缺點分析

方案1是變電站直流系統(tǒng)最常采用的方案。優(yōu)點是分電屏靠近負荷區(qū)，可節(jié)約電纜，缺點是直流分電屏配置較多，工程造價高。同時，由于二次設(shè)備室內(nèi)直流分電屏與直流饋線屏距離較近，在分電屏出口處發(fā)生直流接地時，由于短路電流過大，容易造成直流饋線屏斷路器越級跳閘。方案2與方案1相比減少了2面直流分電屏。但對于智能控制柜內(nèi)的直流負荷來說，每個間隔的直流電源均需要從二次設(shè)備室引接，造成二次電纜用量劇增。此外，對于方案1中的二、三級直流斷路器越級跳閘問題，方案2仍同樣存在，且后果更加嚴重。方案3僅設(shè)置直流饋線屏，不設(shè)置直流分電屏。該方案將220kV變電站直流系統(tǒng)的4級級差配置方案簡化為3級，可增大保護電器的上下級級差，便于實現(xiàn)級差配合。但是，此方案會導致直流饋線屏內(nèi)接線復雜，一旦發(fā)生越級跳閘，將導致整組直流系統(tǒng)失電。并且，此種接線方式不滿足《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》及《國家電網(wǎng)公司防止變電站全停十六項措施防止變電站全停十六項措施》中“66kV及以上應(yīng)按電壓等級設(shè)置分電屏供電方式”的要求，不建議推廣應(yīng)用。

2直流系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵問題分析

2.1二、三級直流斷路器的級差配合

這里主要指的是直流饋線屏斷路器與二次設(shè)備室內(nèi)直流分電屏斷路器的級差配合問題。由于布置于同一個室內(nèi)，直流饋線屏與直流分電屏間電纜較短，在分電屏出口處發(fā)生短路時，短路電流可能會達到上一級直流斷路器瞬時動作區(qū)，造成越級跳閘。以某實際工程為例，分電屏出口處發(fā)生短路時，短路電流值為1223edLsLSUIrRRRR=++++=3481A(1)式中：Ue為直流系統(tǒng)額定電壓，取220V；r為蓄電池內(nèi)阻，取29.016mΩ；RL1為直流蓄電池至直流充電屏的電纜內(nèi)阻；Rs2為直流饋線屏直流斷路器的內(nèi)阻；RL2為直流饋線屏至分電屏的電纜內(nèi)阻；Rs3為直流分電屏直流斷路器的內(nèi)阻。直流饋線屏斷路器如選用三段式，瞬時脫扣電流為（18±20%）In。此時，若實現(xiàn)級差配合，斷路器額定電流應(yīng)為250A以上，不僅斷路器本身安裝尺寸過大，占用較多直流饋線屏屏面空間，更在于對上級蓄電池出口熔斷器的選型將造成一定的困難。根據(jù)規(guī)程要求，熔斷器額定電流應(yīng)為直流饋線屏斷路器最大額定電流的2～3倍。為保證選擇性，工程中一般按3倍額定電流選擇，此時蓄電池出口熔斷器額定電流將達到750A以上，不僅提高了工程造價，同時也降低了保護電器的靈敏性。二、三級直流斷路器的級差配合問題廣泛存在于已投運的變電站內(nèi)，具有較大的潛在運行風險。針對此種問題，僅靠設(shè)備選型極難消除，需對原有直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化。通過取消二次設(shè)備室內(nèi)直流分電屏，將室內(nèi)直流負荷統(tǒng)一改由直流饋線屏供電，可從根本上避免了二、三級直流斷路器的越級誤動的可能。對于就地直流分電屏，出口處直流短路電流一般在1500A以內(nèi)，選擇額定電流為100A三段式直流斷路器即可實現(xiàn)級差配合。

2.2三、四級微型直流斷路器的級差配合

當前變電站內(nèi)三、四級保護電器一般均采用二段式微型直流斷路器。在末級直流系統(tǒng)故障時，容易造成三、四級直流斷路器均進入瞬時動作區(qū)，造成越級跳閘。一般情況下，第三級直流斷路器如采用三段式，可以較容易實現(xiàn)三、四級直流斷路器的級差配合，即瞬時脫扣電流（18±20%）In躲過下級出口短路電流即可。但實際上，由于受采購方式的限制，設(shè)計單位不能對此提出要求。此外，二次屏柜上的直流空開由各設(shè)備廠家提供，類型繁多，在配合上存在多種方案，具有一定的不確定性，不能僅僅通過級差進行選擇。對于三、四級直流斷路器的級差配合問題，筆者認為，國內(nèi)大部分文獻都集中研究了三、四級直流斷路器如何實現(xiàn)級差配合，而未研究級差配合的必要性問題。舉例來說，對于戶外布置的220kV智能控制柜，柜內(nèi)的二次設(shè)備主要為雙重化配置的合并單元及智能終端。對應(yīng)于同一套保護裝置的合并單元、智能終端由同一直流電源供電，柜內(nèi)通過不同微型直流斷路器引接。該合并單元與智能終端在功能上屬于關(guān)聯(lián)型設(shè)備，及任何一臺設(shè)備失電，均會對另一臺設(shè)備的正常運行造成影響。此時，實現(xiàn)三、四級斷路器級差配合的必要性就不大了，上級微型直流斷路器可不按躲過下級斷路器出口處短路電流整定，上下級直流微型斷路器保證4級級差即可。然而，對于非關(guān)聯(lián)型負荷來說，則必須保證上下級直流斷路器的動作選擇性。如110kV線路保護屏，屏內(nèi)設(shè)備為單間隔的線路保護測控裝置及過程層交換機。當過程層交換機的直流分支回路發(fā)生故障時，不應(yīng)該造成線路保護測控裝置的直流回路失電。當2個110kV線路間隔共同組屏時更應(yīng)保證動作選擇性，單間隔內(nèi)的直流故障不應(yīng)擴大至其它間隔。基于以上分析，對于三、四級微型直流斷路器的級差配合問題，應(yīng)該根據(jù)實際的組屏方案進行分析。如屏柜內(nèi)二次設(shè)備為非關(guān)聯(lián)型負荷，則必須保證上下級直流斷路器的動作選擇性；如為關(guān)聯(lián)型負荷，則可以在一定程度上放寬要求，僅按照上下級直流斷路器保證一定的級差進行配置。為保證三、四級直流斷路器的級差配合，在工程允許的情況下，上級直流斷路器可按照三段式配置，也可配置為塑殼直流斷路器。

3直流系統(tǒng)優(yōu)化配置方案

綜合以上的分析，針對變電站不同布置方式，提出2種直流系統(tǒng)典型配置方案。

3.1總體方案介紹

a.取消二次設(shè)備室內(nèi)的直流分電屏，直流負荷改由饋線屏直接供電。b.設(shè)置就地直流分電屏，其中220kV就地分電屏2面，110kV就地分電屏1面。c.如為戶外變電站，就地直流分電屏設(shè)置1段直流母線；如為戶內(nèi)或半戶內(nèi)變電站，就地直流分電屏設(shè)置2段直流母線。d.結(jié)合二次設(shè)備的組屏方案，判斷屏內(nèi)二次設(shè)備是否為關(guān)聯(lián)型負荷。如是，則上一級應(yīng)采用三段式直流斷路器，并優(yōu)先選用電磁式。

3.2戶內(nèi)（半戶內(nèi)）變電站直流系統(tǒng)配置方案

對于戶內(nèi)（半戶內(nèi)）變電站，由于各間隔的保護、測控裝置及過程層交換機均下放布置于智能控制柜內(nèi)，二次設(shè)備室內(nèi)的二次負荷較戶外變電站大幅減少。以某一實際工程為例，若取消室內(nèi)直流分電屏，每組直流饋線屏需要配置32A（或20A、25A）微型直流斷路器27個，63A微型直流斷路器5個，100A塑殼直流斷路器12個。二次設(shè)備室內(nèi)的直流負荷主要為站控層設(shè)備及主變壓器保護、測控裝置。對于站控層設(shè)備，同一屏內(nèi)采用同一組直流母線電源的二次設(shè)備屬于關(guān)聯(lián)型設(shè)備，上級直流斷路器可采用二段式。對于主變壓器保護柜，屏內(nèi)設(shè)備包括主變壓器保護、測控裝置及過程層交換機。屏內(nèi)任何二次設(shè)備失電均不應(yīng)該影響主變壓器保護裝置，因此屬于非關(guān)聯(lián)型設(shè)備，上級直流斷路器應(yīng)采用三段式。如以GM系列直流斷路器產(chǎn)品進行屏面布置，可采用GM32系列二段式微型直流斷路器24個，GM5FB系列電磁三段式直流斷路器12個，GM5FB-250系列三段式塑殼直流斷路器12個。直流饋線屏僅需1面。對于就地直流分電屏，由于間隔層設(shè)備下放，每面直流分電屏需配置2段直流母線。保護、測控裝置及過程層交換機電源取自其中一段母線，合并單元、智能終端取自另一段母線。其中，保護、測控裝置及過程層交換機屬于非關(guān)聯(lián)型設(shè)備，上級應(yīng)配置三段式直流斷路器，合并單元、智能終端屬于關(guān)聯(lián)型設(shè)備，可配置二段式直流斷路器。

3.3戶外變電站的直流系統(tǒng)配置方案

對于戶外變電站，間隔層設(shè)備集中于綜合保護室內(nèi)，此時，每組直流饋線屏需32A（或20A、25A）微型直流斷路器50個，63A微型斷路器5個，100A塑殼直流斷路器10個。此時，每組直流蓄電池需配置2面饋線屏，共配置4面。對于就地直流分電屏，每個分電屏內(nèi)僅需設(shè)置一段母線。智能控制柜內(nèi)合并單元、智能終端屬于關(guān)聯(lián)型設(shè)備，上級可配置二段式直流斷路器。

3.4工程造價分析

對以上所介紹的3種直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案及2種配置方案的終期投資進行估算及經(jīng)濟比較。由于直流系統(tǒng)配置復雜，元件眾多，對于直流蓄電池、直流充電機、DC/DC、UPS等裝置在表中并未列出。本節(jié)所介紹的2種方案并未增加直流系統(tǒng)投資，戶內(nèi)/半戶內(nèi)方案較方案1投資還有明顯減少，節(jié)約了7.7萬元。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，本節(jié)所介紹的2種變電站直流系統(tǒng)典型設(shè)計方案具有明顯的工程應(yīng)用價值。

4結(jié)論

針對當前220kV變電站直流系統(tǒng)中存在的級差配合潛在問題進行深入分析，提出了直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計方案。通過技術(shù)經(jīng)濟比較，驗證了所提方案具有較高的工程應(yīng)用價值。此外，從設(shè)計角度出發(fā)，直流系統(tǒng)還需額外注意以下幾點。a.低壓電力電纜截面應(yīng)根據(jù)載流量及允許壓降進行合理選擇，避免以大帶小。b.如使用電子三段式直流斷路器，短延時時限應(yīng)自下至上應(yīng)逐級增加，建議三級取10ms，二級取30ms。c.對于末級微型直流斷路器的選擇，在同一工程中應(yīng)盡量減少種類，并優(yōu)先選用成熟產(chǎn)品。

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作者:唐寶鋒 張驥 李亮玉 鄭紫堯 單位:國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院