110kV变电站直流系统电缆与空开选型探讨

110kV变电站直流系统电缆与空开选型探讨刘辉【摘要】本文对采用南方电网标准设计方案设计的110kV变电站的直流系统的直流空开和电源电缆常用选型进行分析校验，为变电站直流空开极差配合和电源电缆选择提供计算参考及选型建议.【期刊名称】《低碳世界》【年(卷)，期】2015(000)030【总页数】2页(P18-19)【关键词】直流系统;级差配合;电缆选型【作者】刘辉【作者单位】东莞电力设计院，广东东莞523413【正文语种】中文【中图分类】TM63直流电源作为变电站的核心设备，拥有独立电源，不受系统运行方式影响，在站用交流电停用的情况下，以蓄电池作为后备电源继续为重要设备提供直流电。直流系统可靠与否对变电站的安全运行起着至关重要的作用，安全可靠的直流系统是变电站安全可靠运行的重要保证［1］。合理选择直流系统各级空开和电源电缆，对整个电网系统的持续可靠供电有着及其重要的意义。《南方电网公司110~500kV变电站标准设计(V1.0)》的应用，使得变电站内电源电缆长度和设备选型相对固定，为直流系统的电源电缆选型和空开选择以及实现各级保护空开级差配合提供了有利条件。2.1常用设备功耗调查本文根据东莞地区电网常用的设备厂家生产的产品进行了负荷统计，具体情况如下:（1）西门子110kV断路器的储能电机功率为638W，分合闸电流1.7A。（2）ABB110kV断路器的储能电机功率为900W，分合闸电流2.0A。（3）北开电气110kVGIS断路器储能电机功率为720W，分合闸电流2.0A。（4）10kV断路器的储能电机功率为90W，分合闸电流2.0A。（5）南瑞继保保护测控装置单台装置直流功耗：正常＜35W，跳闸＜50W，10kV保护测控一体化装置功耗：正常＜15W，跳闸＜25W。（6）深圳南瑞科技保护、测控装置功耗：正常＜15W，动作＜25W。2.2变电站直流负荷电流计算根据我们常用设计方案，直流系统常用电压为DC110V，一般的弹簧机构储能电机直流功率损耗为700W左右，最大不超过900W，电机额定电流InM=8.18A,起动电流Icho=KstMxInM=16.36A。分合闸电流不超过2.0A。现110kV变电站保护、测控装置除10kV保护测控装置电源采用环网供电方式外，其它均采用辐射式供电方式，单面屏柜设备不超过4台，组屏设备按照50W考虑，每面屏电流为Icp=4x0.55=2.2A或Icc=2.0A。根据各厂家提供的数据和标准设计方案，10kV保护测控装置均按照30W考虑。每一段10kV母线有约19回馈线，总负荷按570W计，其电流Ica1=5.18A,Ica2=5.18+2.0=7.18A。2.3变电站直流设备配置情况变电站在设备选型时一般参考相关规范，上、下级额定电流按照4级及以上级差选择。对于110kV变电站直流系统配置一般为：电源电压110V，蓄电池54只，容量300Ah。直流系统一般采用集中辐射型布置方案。第一级为直流蓄电池组进线熔断器，配置为315A。第二级为直流馈线屏内馈线开关，合母馈线为63A，控母馈线为25A。第三级为各保护屏柜内的保护测控设备，10kV开关柜、110kVGIS设备环网电源进线空开。一般保护设备的操作电源空开为6A，装置电源为4A，环网电源进线空开为16A。第四级为开关柜内保护测控装置电源空开和110kVGIS设备间隔内电机电源空开，一般操作电源空开为6A，装置电源为4A。间隔内电机电源空开为6A，控制电源空开为4A。站内直流网络图如图1。根据《南方电网公司110~500kV变电站标准设计（V1.0）》，现站内布置已基本固定，设备之间的距离也基本固定。根据我院常用设计方案，一般蓄电池组到直流系统屏的距离为20~25m，直流馈线屏到各保护设备的电源电缆长度为25~40m，至10kV开关柜设备电缆长度为55~70m，至110kVGIS设备电缆长度为35~45m。为方便施工单位接线方便，全站电源电缆尽量统一，蓄电池组到直流系统屏选用截面为150mm2的电缆，直流屏到各设备屏采用截面为4mm2的电缆，到10kV开关柜或110kVGIS设备的环网电源采用截面为10mm2的电缆。根据直流规程要求对有选择性配合要求的回路电缆，电缆截面选型时需要按照电缆导体的长期允许载流量计算选择，同时需要满足回路电压降的要求［2］。L1电缆选择：L1电缆应大于蓄电池组1h放电率电流，即Ical>5.5I10=165A，按载流量选取电缆截面25mm2，按电缆允许压降△UP<1%Un,应选用电缆截面S=0.0184x2x25x165/1.1=138mm2，选用150mm2电缆满足要求。L2电缆选择：L2电缆主要给主控室内保护测控屏柜供电，每面屏柜计算电流Ical=2.2A或Ical=2A。按照5A考虑，电缆截面取4mm2，其允许压降△UP<5%Un,应选用电缆截面S=0.0184x2x40x5/5.5=1.4mm2，选用4mm2电缆满足要求。L3电缆选择：L3电缆主要给10kV开关柜保护测控装置供电，计算电流Ical=7.18A。按照10A考虑，电缆截面一般取4mm2，其允许压降AUPQ.SZUn,应选用电缆截面5=0.0184x2x70x10/2.75=9.36mm2，选用10mm2电缆满足要求。L4电缆选择：L4电缆主要给110kVGIS设备供电，计算电流Ical=16.36A。环网电源电缆截面—般取10mm2，其允许压降膈？＜2.5%。门，应选用电缆截面S=0.0184x2x45x16.36/2.75=9.8mm2，选用10mm2电缆满足要求。4.1变电站直流设备配置情况根据变电站直流设备选用经验，变电站直流系统保护设备参数常规选型如下：(1)蓄电池出口熔断器F1配置NT2-315A熔断器。(2)直流馈线屏的母线馈线S1、S2配置C型25A断路器。(3)直流馈线屏的母线馈线S3配置C型63A断路器。(4)10kV开关柜直流环网电源进线S4配置C型16A断路器。(5)110kVGIS设备直流环网电源进线S5配置C型16A断路器。(6)主控室内保护屏柜进线电源空开S6配置C型6A断路器。(7)10kV开关柜保护装置电源空开S7配置C型6A断路器。(8)110kVGIS设备电机、控制电源空开S8配置C型6A断路器。4.2变电站直流设备计算电阻图根据变电站直流网络接线可得直流回路电阻图如图2。短路电流计算：根据直流回路网络图和直流回路电阻图可计算出回路电阻值：单只直流铅酸蓄电池内阻r1=0.44mQ，硬连接条电阻r2=0.015，蓄电池组r=23.66mQF1熔断器的电阻RF1=0.22mQS1、S2断路器内阻Rs1=Rs2=3.1x2=6.2mQS3断路器内阻Rs3=1.9x2=3.8mQS4、S5断路器内阻Rs4=6.2x2=12.4mQS6、S7、S8断路器内阻Rs6=Rs7=Rs7=45x2=90mQ导线电阻：R=px2xL/SL1电缆的电阻RL1=6.13mQL2电缆的电阻RL2=368mQL3电缆的电阻RL3=257mQL4电缆的电阻RL4=165.6mQ计算各点短路电流：Id=U/R>d1点的短路电流：Id1=3.832kAd2点的短路电流：Id2=3.176kAd3点的短路电流：Id3=3.422kAd4点的短路电流：Id4=0.376kAd5点的短路电流：Id5=0.542kAd6点的短路电流：Id6=0.233kAd7点的短路电流：Id7=0.290kAd8点的短路电流：Id8=0.381kA4.3保护电器选择性配合分析S8断路器选择：d8点的短路电流Id8=381A，断路器S8瞬时脱扣电流15In=90AoId8>90A,S8断路器可靠瞬时动作。S7断路器选择：d7点的短路电流Id8=290A，断路器S7瞬时脱扣电流15In=90A°Id7>90A,S7断路器可靠瞬时动作。S6断路器选择：d6点的短路电流Id6=233A，断路器S6瞬时脱扣电流15In=90AoId6>90A,S6断路器可靠瞬时动作。S5断路器选择：d5点的短路电流Id5=542A，断路器S5瞬时脱扣电流15In=240A<542A,S5瞬时动作。d8点的短路电流Id8=381A，大于S5瞬时脱扣最小电流刀n=112A。S5与S8配合可能无选择。S4断路器选择：d4点的短路电流Id5=356A，断路器S45瞬时脱扣电流15In=240A<356A,S4瞬时动作。d7点的短路电流Id7=290A，大于S5瞬时脱扣最小电流刀n=112A。S4与S7配合无选择。S3断路器选择：d3点的短路电流Id3=3422A，断路器S3瞬时脱扣电流15In=945A,d3点的短路Id5=3422A>945,S3断路器可靠动作，d8点的短路电流Id8=381A，小于S3瞬时脱扣最小电流刀n=441A。S3与S8满足选择配合。d5点的短路电流Id5=542A>441A,S3与S5配合无选择。同时由于d5点的短路电流Id5在S3的63A断路器可动可不动区域，945A>Id5>441A，可能会用过载长延时来断开短路点，查断路器动作曲线可得延时时间会超过5S，对直流系统电压有较大影响。考虑到该支路负荷电流小于20A，将S3断路器换为高精度二段式32A直流断路器（瞬时脱扣范围为12In~15In），可以算得：d8点的短路电流：Id8=0.380kAd5点的短路电流：Id5=0.541kAId5=541>15x32A,12x32A>Id8=380根据计算可得S3选用高精度二段式32A直流断路器与S8满足选择配合要求。S2断路器选择：d2点的短路电流Id2=3176A，断路器S2选择标准型二段式25A、C型脱扣器直流断路器，d2点的短路Id5=3176A>375,S2断路器可靠动作，d7点的短路电流Id7=290A，大于S2瞬时脱扣最小电流刀n=175A。S2与S7不满足选择配合。d4点的短路电流Id4=376A>175A,S4与S7配合无选择。d6点的短路电流Id6=233A，大于S2瞬时脱扣最小电流刀n=175A。S2与S6不满足选择配合。如S2换专为直流级差配合开发的高精度二段式25A直流断路器（瞬时脱扣范围为12In~15In）d6、d7点的短路电流小于S2瞬时脱扣最小电流12In=300A,Id4和Id2短路电流>375A，满足选择配合要求。蓄电池出口F1熔断器选择：d1点的短路电流Id1=3832A，按照直流规程推荐参数300Ah蓄电池出口熔断器选用NT2-315。d2点的短路电流Id1=3176A，熔断器在d2点短路时的弧前时间约为80ms。满足F1与S1、S2、S3选择性配合要求。在变电站直流系统设计选型中，直流电源电缆的选型满足直流规程对回路电压降的要，同时发现即使参照直流规程的上下级直流开关级差大于4级选型建议，配置各级保护开关，也很难实现直流系统各级开关的保护选择性配合。需要按照实际工程情况，设备参数，逐