变电站直流电源系统用微型断路器解决保护误动的问题

1、变电站直流电源系统用微型断路器解决保护误动的问题摘要：介绍在新建或改造直流电源系统设备工程中应用直流断路器时，不但要考虑负载的容量、电压允许范围等常见参数，还要重点考虑直流断路器是否有选择性保护，特别是在负载并联了大容量滤波电容器时，造成断路器误动作的问题及解决方案。关键词：对地电容，直流系统， 误动， 选择性保护一、课题的由来近来在我们大连供电公司改扩建的姚家、由家、二道河等变电所直流电源系统设备验收时，发现这样一个问题：当直流主馈屏微机保护电源的下级各测控保护屏电源开关(小容量断路器)全部处于“合”位的情况下，在直流主馈屏上无法投入此路馈出断路器(投入即脱扣)。这给我们验收调试带来许多不便

2、，更重要的是给今后安全运行带来极大的事故隐患。为了探究其根本原因、并提出切实可行的解决方案。我们对此进行深入的调查研究、分析论证、模拟试验等工作，现将情况介绍如下。二、现场误动作和问题描述在姚家、由家、二道河等变电所直流电源设备验收时：当直流主馈屏上的微机保护电源总断路器的下级各测控保护屏中的直流小型断路器(小容量断路器)全部处于“合”位的情况下，在直流主馈屏上无法投入此路馈出断路器(投入即脱扣)。后采取先投入直流主馈屏上微机保护电源总断路器后，逐个投入微机保护屏上的断路器，则系统供电完全正常。详见示意图1。图 1 分电示意图用后面的方法投入电源后，直流系统负载无故障现象(无过载、短路故障)，

3、而断路器容量和脱扣特性严格按照设计部门的设计配置，级差配合完全符合规程要求。虽然后面的方案也能解决跳闸问题，因微机保护与电源保护往往是两个部门各自管理，非常不方便和不合理;在每次检修或验收时都将保护屏的上断路器都断开后再去合馈电屏上的断路器，容易引发其它问题而责任无法区分。先合保护屏上的直流断路器，再合馈出屏上的直流断路器时如出现上述越级误动属于事故性质，要对通往保护屏的每条线路进行排查，最后要下结论是因为对地电容引起的还是某一回路短路故障引起的。直流系统中，分馈电屏和保护屏上的直流断路器，应能满足在任意情况下，合上某一断路器不误动，才能解决安全和管理上的问题。三、误动作问题的分析和测量针对后

4、合馈电屏上的直流断路器时如出现误动的情况，经过我们分析和测量，发现上述问题是各类保护、自动化等设备内部DC/DC电源变换中的滤波电容引起的。随着变电所电压等级的不断提升、容量的不断增大，综合自动化水平的不断提高，大量电子设备的应用及提高设备的抗干扰能力，大量的负载电容量是一个直流系统中各负载整合过程中出现的一个新问题，由于各制造成均将供电电源看做一个理想的电源，无数个滤波电容给直流系统带来了新的问题。由于“微机保护装置”的电源回路中，分散采用着各种电压等级的高频开关型电源变换器，而每个电源变换器的输入端都采用了大量高容量的滤波电容器。大家知道，大容量的电解滤波电容器，对稳定直流系统电压波动和抑

5、制直流电源中纹波电压作用十分积极，但同时在加电瞬间也带来了特别大的电容充电电电流问题。大家都知道在电路换路的瞬间电容器两端的电压U和电感线圈中电流I是不能突变的。在“合”直流主馈屏上微机保护电源总断路器时，直流系统是在给其所带电容充电，由于电容极片上电荷量的聚集是要经过一定时间的，所以电容上的电压是不能突变的，刚一合闸送电，电容两极相当于短路，这一瞬间充电电流最大，充电电流大小主要取决于充电电压和充电回路电阻值。在刚一合闸的瞬间，电容的充电电流为：I=E-U/R=E/R，经过一段时间，U由0逐渐上升，E-U变小了，所以电流I也变小了，直到最后E=U、则I=0，电容器两端的电压变化是按指数曲线规

6、律而变化，电容充电的快慢仅与电容C和回路电阻R的乘积有关，我们规定T=RC为阻容回路的时间常数(电阻单位为欧、电容单位为法、时间常数单位为秒)。一般情况下经过三个时间常数后，电容上电压就上升至稳态值的95%，五个时间常数后，电容上电压就上升至稳态值的99%。例如姚家变电所馈电屏上通往“1#微机保护”支路的总断路器，其额定电流为32A，短路瞬时脱扣器动作电流值为C型715In(256480A)，分断时间<5ms，可以看出，“1#微机保护”支路上因电容冲击电流达到400A以上的持续时间为5ms左右。四、解决方案要科学正确的选择直流断路器，就要对直流断路器的保护原理和直流系统的选择性理论进行分

7、析：1、过载长延时保护脱扣器断路器的发展过程中，最先采用的是双金属片热效应动作脱扣，其典型特征为热功率达到设计值Pt即动作，忽略气温等离散因素，表达式符合Pt= ，即动作脱扣，此特性正是过载长延时保护需要的特性，故与传统空气开关(甚至熔断器)的设计一致。过载长延时保护脱扣器是保护电缆和电器设备不受过载发热而烧毁。2、瞬时脱扣器(短路脱扣)瞬时脱扣器(短路脱扣)是避免由于短路电流而引起电线电缆的绝缘损坏和电器设备烧毁。由于双金属片脱扣机构的原理局限，依靠其受热弯曲，其弯曲速度很难做到能满足在较大过电流或短路情况下迅速脱扣，因此，各断路器生产厂家的产品均有由电磁线圈和衔铁等机构组成的电磁式瞬时脱扣

8、器。以小型直流断路器为例，根据IEC60898-2，将断路器分为B特性和C特性。需要说明的是，这两种特性的断路器过载脱扣器的特性完全相同，主要的区别在于短路瞬时脱扣器动作阈值的不同。B特性为47In，C特性为715In。见图2、图3。图2 B特性脱扣曲线      图3 C特性脱扣曲线3、短路短延时保护特性DL/T5044-2004E.4.3.1中规定“当上、下级断路器安装处较近，短路电流相差不大，引起短路瞬时保护(脱扣器)误动作时，应选用短路短延时保护(脱扣器)”。其保护特性示意图见图4。图4 短路短延时保护特性示意图4、关于选择性保护的相关问题断路器上下级之间

9、应满足选择性的要求。为了防止越级动作带来的事故面扩大，保证故障电流仅仅由距离故障点最近的断路器来切除，有时要求上级断路器在遭遇短路电流时，经过一定时间的延时(一般为ms级)后再动作。在短延时期间，如果下级断路器已经将故障回路切除，则断路器不动作;如下级断路器发生故障，不能执行保护动作，上级断路器作为后备保护，将主干回路切断，以保护设备和线路。选择性保护是一个基于系统短路电流计算的综合选型过程。工程中应根据DL/T5044-2004电力工程直流系统设计技术规程中的规定，计算各断路器负载端短路电流，用此短路电流比对上下级断路器的安-秒特性曲线，得出的两个动作时间，通过比对动作时间差，从而判断上下级

10、断路器是否满足选择性保护的要求。直流断路器是保护性电器，一要不误动，二要不拒动，拒动的危害比误动更甚。所以，直流断路器既要满足接地电容产生短路的选择性要求，还要满足发生短路故障时的选择性要求，同时还要满足过载保护的要求。解决断路器因接地电容产生的短路电流而误动的问题，是要增大断路器的瞬时脱扣器动作电流值，此值要大于接地电容所产生的短路电流值(因微机保护的数量因各个变电站而异，数量越多，接地电容量越大，产生的短路电流越大，工程中已采用的断路器瞬时脱扣器动作电流值已达到400A，还出现误动)，如要实现可靠性要求，选用断路器的瞬时脱扣器动作电流值达到600A以上。增大瞬时脱扣器动作电流值有以下方法：

11、一是增加C型特性断路器的额定电流值，如达到100A以上，其瞬动则相应会增加，但断路器体积会增大很多，同时会对回路的过载保护不利和在短路时会产生拒动;二是将C型特性的直流断路器改为D型特性。根据IEC规定的标准：D型特性直流断路器瞬时脱扣器动作电流值为(1250In);其动作范围太大，也就是误差太大，选小了误动，选大了拒动。所以，一般D型特性的直流断路器不能应用于电力保护系统中。三是采用带短路短延时特性的断路器。从图5可以查出，该断路器的瞬时脱扣器动作电流为2.5kA。短路短延时脱扣器的动作电流范围为10In2.5kA时，断路器可以延时710ms动作，需要说明的是：虽然此电容器充电电流不是物理意

12、义上的短路，但是其幅值足够的大(已经大于断路器短路瞬时脱扣器启动值10In)，时间常数(电容器与线路电阻组成的充电回路)较动作时间也大，所以将其视为短路电流来分析。采用带短路短延时特性的断路器，可以通过适当的延时，来躲过普通两段式断路器不可避免的保护动作，待充电电流衰减至合适的电流值后，断路器就不会动作。可以满足接地电容引发的短路保护的选择性要求。例如姚家变电所“1#微机保护”支路的启动充电电流达到1100A，在微机保护屏回路如发生短路故障，经计算和试验，最大的短路电流为500A左右，如果馈电屏断路器选用32A规格的具有短路短延时脱扣器的断路器，则不会误动和拒动，可以解决由于各个滤波电容较大，

13、同时启动后冲击电流过大导致总开关越级动作的问题，又能很好的解决短路保护的选择性问题。这是因为，此系列断路器的动作特性为320A2500A电流范围内，它要固定延时710ms之后，再动作。这短短的几毫秒，正是躲过冲击电流、避免断路器误动作的关键所在。经搜索，我们了解到北京人民电器厂的“G系列直流断路器”中的 GMB系列为带短路短延时保护特性的断路器。成型系列产品此延时时间有10ms、30ms、60ms，也可根据实际情况进行定制(见附表1)。由于此延时特性原理上就适合阻断电容器充电电流“过大”而造成的越级动作，而且延时时间多样，可以根据现场负载电容量的大小灵活选择，从根本上解决了这一误动作。所以我们认为采用带短路短延时特性的断路器解决这一问题的最佳方案。同时较好地解决了直流系统级差配合的问题。五、结束语小小空气断路器在直流电源系统中看似很简单，其实技术含量和发展速度都很高，它是目前为止直流电源系统保护电器最直接、最有效的器件。我们不能重蹈先前因为小小的空气开关着火造成变电所直流电源系统瘫痪的