高压直流供电-直流断路器应用1.9讲课稿

高压直流供电-直流断路器应用1.9直流断路器的应用领域电力行业发电厂直流屏：火电、核电、太阳能变电站直流屏冶金钢铁二次侧直流屏直流电机港口船舶港口大型直流电机船用推进电机设备电信行业直流配电屏直流蓄电池铁路系统车厢用电直流产品在电信领域的应用目前，直流断路器在直流系统中的应用得到了电信行业，如杭州，广州，北京等城市的广泛关注。

杭州移动枢纽楼项目，采用NW10HDC，代替原来的熔断器作为直流配电屏直流蓄电池保护优点（与熔断器相比）：准确执行保护，保护值可调供电连续性，迅速恢复供电方便隔离检修，带负载分断远程操作，多种触点指示机车车厢中，多种用电设备少量交流电源插座、空调回路大量直流用电系统3个塑壳断路器20多个微型断路器直流用电优势电源稳定干扰较小直流产品在机车领域的应用直流配电网一般结构为关键负荷供电，系统救生艇UPS电池回路机架电源回路操作、信号直流电源屏可靠性

要求更高，持续供电

安全性运行安全操作安全维护安全直流低压配电网分析直流系统的特点直流电流特性：电流持续固定，无周期变化直流分断及灭弧困难，难于交流互感器很难感应变化，断路器设计独特直流对线圈、热继等动作特性不同于交流直流配电系统结构独特，保护设置不同于交流系统采用IT系统采用绝缘检测装置大电流回路不要求过载保护根据DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》直流系统标称电压供控制符合的直流系统：DC110V。供动力负荷的直流系统：DC220V。控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统：220V或110V。当采用弱电控制或弱电信号接线：采用48V及以下。在正常运行情况下，直流母线电压应为直流系统标称电压的105％。(115.5/231)在均衡充电运行情况下，直流母线电压应满足如下要求：专供控制负荷的直流系统，应不高于直流系统标称电压的110％；(121)专供动力负荷的直流系统，应不高于直流系统标称电压的112.5％；(247.5)对控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统，应不高于直流系统标称电压的110％。

直流断路器的额定电压应大于或等于回路的最高工作电压直流系统电压的规定二次放电法：将蓄电池充满，以I1=4I10～6I10的电流放电20秒，测量电压U1断开回路，静置2～5分钟，以I2=20I10～40I10的电流放电5秒，测量电压U2蓄电池内阻为：Rb=(U1－

U2)/（I2－

I1）蓄电池端子短路电流为：Ibk=(U1I2－U2I1)/(U1－

U2)

估算法：或根据电池额定容量（C-安时）的估算公式为：Isc=KC（单位:A），其中K为不大于20近似于10的系数直流系统电流的计算：蓄电池短路电流直流系统某一点的短路电流计算公式为：Isc=V/（Ri+Rl）+6In其中V为上述的开路电压Ri为上述电池组内阻和Rl为故障回路的导体总电阻In为直接接于该点附近的直流电机满载时的额定电流；当没有此直流电机时，式中In=0+-直流系统电流的计算：线路短路电流以一组500Ah直流电池组为例其开路端口电压为240V（110块2.2V的电池串连）其内阻为55毫欧其预期Ics=4.4kA直流系统电流的计算：短路电流计算举例直流系统中的断路器应用直流低压配电网分析直流系统中的断路器应用直流断路器和熔断器应用比较交直流断路器的差异及选型>应大于或等于直流回路的最高工作电压应大于通过直流断路器的最大预期短路电流直流断路器的参数选择直流断路器的参数选择：额定电流1类似于交流回路的断路器选择首先根据负载情况计算电流，然后确定直流微型断路器的额定电流。断路器的额定电流应大于或等于负载正常工作的电流。以下列六种常见情况做简略说明（来自DLT5044-2004）充电装置的输出回路直流电动机回路断路器的电磁操作机构控制、保护和信号回路直流馈电柜的电源回路蓄电池组的出口回路充电装置的输出回路In>=Kk*ImIn：直流断路器额定电流；Im：充电装置的额定输出电流；Kk：可靠系数，取1.2。直流电动机回路In>=InMIn：直流断路器额定电流；InM：电动机额定电流；直流断路器的参数选择：额定电流2断路器的电磁操作机构In>=Kc2*Ic1In：直流断路器额定电流；Kc2：配合系数，取0.3；Ic1：断路器的电磁操作机构的合闸电流。控制、保护和信号回路In>=Kc*（Icc+Icp+Ics）In：直流断路器额定电流；Kc：同时系数，取0.8；Icc:控制负荷计算电流；Icp:保护符合计算电流；Ics:信号符合计算电流。直流断路器的参数选择：额定电流3直流馈电柜的电源回路In>=Kc*（Icc+Icp+Ics）In：直流断路器额定电流；Kc：同时系数，取0.8；Icc:控制负荷计算电流；Icp:保护符合计算电流；Ics:信号符合计算电流。蓄电池组的出口回路In>=I1hIn：直流断路器额定电流；I1h：蓄电池1小时放电率电流。直流断路器的参数选择：额定电流4短路电流计算的目的：选择与校验电器设备（热稳定性与动稳定性）；继电保护整定计算。断路器分断能力必须大于系统最大短路电流值和系统电压相关和电池内阻、线路电阻相关分断能力>Isc=V/（Ri+Rl）+6In和系统接地方式相关直流断路器的参数选择：分断能力1

不接地系统

(电源未接地)DL/T5044-20044.5.5：除有特殊要求的直流系统外，直流系统应采用不接地方式。B故障:Isc最大；断路器两极都承受短路电流。A故障或C故障：对系统没有影响。A和C同时故障实际Isc<Isc最大值（存在接地阻抗）断路器两极都承受短路电流。最严重的情况：B故障断路器选择：每一极额定电压下的分断能力必须大于最大短路电流值负荷直流断路器的参数选择：分断能力2直流系统中的断路器应用直流低压配电网分析直流系统中的断路器应用直流断路器和熔断器应用比较交直流断路器的差异及选型>熔断器限流性强、单极分断、价格低廉、更换麻烦

断路器限流性较强、全极分断、价格较高、维护方便

断路器和熔断器使用概述熔断器IEC标准，1.25In1小时内不熔断，1.6In1小时内熔断断路器IEC标准，1.05In1小时内不跳闸，1.25In1小时内跳闸。相对来说：断路器动作的精确度优于熔断器，在过载电流保护的选择性内具有选择性优势——在短路电流保护中二者性能比较？直流系统中设计——过载选择性直流系统中设计——短路选择性普通断路器：在大短路电流下失去选择性断路器进入瞬动区间没有任何延时直接脱扣影响到上级和临近回路可靠工作NSX断路器：在大短路电流下保持选择性断路器进入瞬动区间利用能量脱扣保证选择性上级和临近回路可靠工作NSX短路选择性实现原理：利用能量脱扣技术小容量断路器内部的弹簧压力和斥力敏感度高于大容量断路器，在同样电流情况下会首先动作，保证了选择性实现条件：上级断路器壳架电流大于下级断路器一定比例：可以参考施耐德选择性表格直流系统中设计——短路选择性熔断器可以实现完全选择性；NSX断路器可以实现完全选择性；国网直流电源系统技术标准5.3.2.6条：直流电源系统中应防止同一条支路中熔断器与空气断路器混用，尤其不应在空气断路器的上级使用熔断器。防止在回路故障时失去动作选择性。结论：在过载保护中，由于能设定不同的动作定值并且精度更高，NSX断路器具有比熔断器更好的选择性在短路保护中，NSX断路器采用能量脱扣技术，能达到和熔断器一致的短路完全选择性同一支路中，不应采用熔断器和断路器混用直流系统中设计——选择性总结熔断器体积较小，标准化尺寸，但在容量变化时需要停电更换熔体，无法实现联锁等逻辑功能断路器体积大于熔断器，但NSX和NWDC断路器尺寸标准化，在容量调整中可以通过脱扣器整定不同过载定值，可以方便实现联锁等安全措施结论：系统安装中，熔断器体积更小，断路器修改定值更方便，同时更方便实现机械联锁来保证安全直流系统的安装——标准化尺寸和体积熔断器：熔断后必须更换熔体；无法实现电动等遥控功能；无法实现真正带电分合；熔断器在在长期电流波动荷载和电动力作用下，快熔经冷热周期性变化引起熔体金属老化，最后导致快熔故障运行，直至损坏。断路器：动作后可以直接闭合开关；易于实现遥控；具有灭弧系统可实现带电分合；断路器长期运行中，其脱扣器曲线基本无变化，保证稳定运行。结论：在实际使用中，断路器性能远优于熔断器直流系统的使用——更换熔丝Vs分合开关熔断器：无法保护电机过载；在出现短路情况下可能出现单相熔断损坏电机；无法实现高级保护功能；能实现二类配合，但和接触器动作配合较差。断路器：方便实现电机过载保护；在任何情况下三相同期分断；能够实现缺相、堵转、长启动等保护功能；能够和接触器良好配合，实现过载前动作接触器。结论：在电机保护中，断路器性能优于熔断器，能够全面保护电动机避免损坏。直流系统的使用——直流电机的保护熔断器：熔断后必须需要经验来判断故障类型，易引发二次故障；带电更换熔体不安全；难以判断熔体运行状态；使用寿命较短断路器：动作后有明确指示，方便判断故障类型，避免二次故障；可带电分合断路器；断路器具有触头磨损指示，方便判断断路器运行状态；使用寿命平均万次以上结论：系统维护中，断路器更加具有提高系统可用性的优势，便于故障处理和恢复，使用寿命远高于熔断器。直流系统的维护——故障判断和使用寿命熔断器：容量变化停电更换熔体，不改变安装尺寸；无法增加通信、逻辑、测量和保护功能断路器：脱扣器可调，能够适应小范围容量变化；本体和脱扣器独立，可增加各种保护功能，可扩展通信、测量、逻辑联锁等功能。结论：配电系统升级上，断路器具有更好的弹性和可拓展性，满足先进配电系统要求。直流系统的升级——容量变化和性能提升断路器和熔断器差异总结直流系统中的断路器应用直流低压配电网分析直流系统中的断路器应用直流断路器和熔断器应用比较交直流断路器的差异及选型>直流断路器特点——本体直流比交流系统灭弧更加困难，要求直流断路器必须有先进的灭弧和分断系统。直流电弧具有非常强的方向性特点，要求直流断路器必须有对称的分断结构，满足直流电弧灭弧需要。优异的限流性能，满足直流系统电缆、设备保护的需求。E37953直流断路器的特点——本体全绝缘结构，避免串弧危险附件，脱扣器和分断单元相互绝缘前面板二类绝缘特殊的灭弧和分段设计静触头分断单元外壳灭弧栅高分子聚合物动触头磁隔离单元静触头动触头弹簧双旋转分断系统——最重要的专利技术上下双重灭弧系统双断点旋转分断——触点电弧能量降低一半上下进线同时对称灭弧更适于直流分断和灭弧！直流断路器的特点——本体直流能量脱扣装置保证在出现大短路电流故障时，最迅速的脱扣NSXDC专为直流分断设计的内部结构直流触头系统更强耐磨材料更强耐熔材料保证在直流系统中，最可靠的分断NWDC专为直流分断设计的灭弧室NWDC转为直流灭弧设计的灭弧室：灭弧室的内部空间更大，将电弧拉大拉长更多的金属栅片，将电弧分割成更多串联的短弧更特殊的耐弧绝缘材料，加强冷却与去游离

专为直流电流分断而设计，能轻松熄灭最大直流电流分断时产生的电弧，安全距离为零直流系统对断路器要求——脱扣器要求：IEC标准规定，热磁脱扣器的热保护脱扣精度为＋20%～－20%，TM脱扣单元应用在交流系统中，符合IEC的标准，脱扣精度在要求的精度范围之内。当TM脱扣单元用于DC系统时，由于直流和交流系统的物理差异原因，脱扣精度会有误差，误差范围在交流的基础之上波动－10％，即误差范围在－30％～＋10％之间，这样，严格意义上讲，不符合IEC的标准。所以，一般情况下，不允许热磁脱扣器出现交直流通用情况，应该选择直流专用脱扣器。直流断路器的特点——脱扣器专为直流系统进行优化，避免误脱扣造成的损失NSX100～250DC脱扣器类型——热磁型热脱扣值可调：0.8~1×In磁脱扣值200A以下固定：260～1250A200A及以上可调：5~10×In直流断路器的特点——脱扣器专为直流系统进行优化，避免误脱扣造成的损失NW1000～4000A

DC框架开关MicrologicDC1.0电子脱扣器只有瞬时电流保护3种设定值的互感器-1250to2500A-2500to5400A-5000to11000A两极上有瞬动设置拨钮-两极的设置值都应相同-每极上都有5个设置值-10%精确度直流断路器的特点——脱扣器交直流断路器通用的危害难以熄灭电弧，可能导致断路器直流串弧，引起断路器爆炸、损坏；大幅降低断路器本体寿命，降低直流系统可靠性，损害配电系统安全性；引发断路器动作曲线失常，使直流装置出现拒动、误动、越级跳闸等故障，危害系统可用性；交直流断路器选型的差异系统极数和断路器极数不等。——系统只有+和-极，断路器（MCCB或ACB）一般都为3/4极；断路器极间可串联，满足电压和分断能力的要求——根据不同的系统电压和分断能力要求，选择不同串接方式；——多极串接有利于多断点分担电压和电弧，提高工作电压能力和分断能力；——要求：断路器触头同期分断/断路器分断结构对称脱扣器保护功能较为简单，热磁或磁脱扣，无电子脱扣器直流系统对断路器要求——直流专用直流系统是救生艇，要求有更高的稳定性和持续运行能力直流分断和保护相对于交流，难度更高，要求有更加合适的保护和分断装置参考标准：国网直流标准5.3.2.2：直流回路中严禁使用交流空气断路器。条文解释：由于交流电弧与直流电弧具有不同的灭弧机理，决定了交流和直流真空断路器的灭弧室具有根本的差异，交流空气断路器不具备熄灭直流短路电弧的能力。因此，直流回路中严禁使用交流空气断路器。目前市场上的交直流两用断路器质量差异较大，应慎重选用！——结论：应该选择直流专用断路器满足直流系统要求高压直流应用总结高压直流可行性不存在问题，国标和企业标准都对此有专门说明和规范。在电厂、变电站、轨道交通等行业中，高压直流已经得到大范围应用。国标DTL/5044；国家电网直流电源系统技术标准...；1.系统应采用直流断路器进行保护，以保证操作、维护安全；2.直流断路器间应具有完全选择性配合，以避免故障越级脱扣；3.系统应采用直流专用断路器，慎用交流断路器及交直流混用断路器，避免断路器误动、损坏，以提升系统可用性

。直流专用断路器选型举例塑壳式断路器NSXDC（尺寸和NSXAC一致，两种脱扣器）额定电流In=100～630A；额定工作电压Ue=750V；Icu＝100％Ics：100kA；框架式断路器NWDC（抽屉式尺寸和MTAC抽屉式相同；固定式比MTAC固定式厚30mm）额定电流：1000～4000A；额定工作电压：Ue=900V；Icu＝100％Ics：N-85kA、H-100kA（时间常数<5ms）