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浅谈直流系统断路器选择性保护

发表时间：2021/8/10 来源：《中国电力企业管理》2021年4月作者：潘雄1张亚楠1孟庆凯1杨荣芝1白展1 苏泓霖1段辞涵1袁焕炯

[导读] 断路器的脱扣特性和选择性保护特性是保证直流电源系统安全可靠运行的重要条件之一。本文简要介绍了断路器脱扣特性和选择性保护的条件，讨论了断路器选择性保护特性的意义和测试方法，呼吁社会力量关注断路器选择性保护的研究，不断提升直流系统可靠性。

1.广州供电局变电三所潘雄1 张亚楠1 孟庆凯1 杨荣芝1 白展1 苏泓霖1 段辞涵1 广东广州 511400
2.广州市仟顺电子设备有限公司袁焕炯2 广东广州 511400

摘要：断路器的脱扣特性和选择性保护特性是保证直流电源系统安全可靠运行的重要条件之一。本文简要介绍了断路器脱扣特性和选择性保护的条件，讨论了断路器选择性保护特性的意义和测试方法，呼吁社会力量关注断路器选择性保护的研究，不断提升直流系统可靠性。
关键字：直流断路器；级差配合；级差保护；直流系统
        1前言
        发电厂、变电站中的直流系统是为站内控制、保护、通信、照明等设备提供独立电源的系统，是保证电网稳定可靠运行的重要条件之一。而断路器的脱扣特性和选择性保护特性是保证直流电源系统安全可靠运行的重要条件之一。
        小型直流断路器因其运维方便、操作灵活、稳定性高等优点，在直流电源系统中具有十分广泛的应用。在直流系统中不同部位安装不同等级的保护断路器，能够使系统及时并准确切断故障回路，保护直流系统不受故障回路产生的故障电流危害。
        但由于系统的复杂性和不同型号和品牌的脱扣性不一致等原因，容易导致不同等级断路器极差配合错乱甚至失效，继而导致扩大事故范围。因而我们在选用断路器时，需要了解断路器的脱口特性、选择性保护等特性，了解不同断路器适用的条件，选择对应的断路器，保证保护功能完善、极差配合有效，进而保证直流系统安全稳定运行。
        2断路器脱扣特性
        热磁脱扣器具有不易受电压波动影响、寿命长等优点。电子脱扣器具有功能完善，灵敏度高等优点。
        2.1过载保护特性
        实现过载保护功能主要依靠断路器的热脱扣特性或电子脱扣特性。热脱扣是通过断路器内置金属片流过过大电流时发热导致变形，推动脱扣器脱扣，使断路器跳闸。而电子脱扣是通过电子元件构成的电路，测量回路电流并放大电流，推动脱扣器脱扣来完成跳闸动作。
        过载保护是保护回路流经断路器的电流不超过允许范围，使回路免受过载电流的危害。在不同承载能力的回路上安装相应的断路器，如在承载能力为40A的回路上安装36A断路器，当回路负载电流大于等于36A时，断路器就会动作切断回路，以保证直流系统安全运行。为保护回路免受过载电流影响，断路器的选型应与回路的一些参数上满足以下三点：
        (1）断路器额定电流In不应小于保护回路的计算负载电流Ib；
        (2）断路器额定电流In不应大于保护回路的允许长时间承载电流Iz；
        (3）断路器热脱扣电流I2不应大于回路载流量的1.45倍。
        2.2短路保护特性
        实现短路保护功能依靠的是断路器的磁脱扣特性，无论是热磁脱扣器还是电子脱扣器，都是利用短路时瞬间大电流使断路器内部磁心和线圈产生强磁，拉动脱扣器脱扣，完成跳闸动作。
        在直流系统中，由于电源大小、导线承载能力、导线电阻等数据差异，使回路产生的短路电流也存在较大差异，为避免短路引发事故，短路保护特性应该满足以下两点：
        (1) 断路器的分断能力不应大于它安装回路的预期短路电流；
        (2) 上级断路器的瞬动分断电流值应大于下级断路器的瞬动分断电流值；
        (3) 被保护回路发生短路时，断路器能在被保护回路的导体温度上升到允许限值前的时间内切断电源。当t小于0.1s时导体的K2S2应大于短路电流的非周期分量I2t。其中K为计算系数，它决定于导体和绝缘的材质，以及导体通过短路电流时的起始温度和最终温度；S为导线的横截面积。
        2.3 选择性保护特性
        选择性保护也称级差配合，是指利用上下级断路器的脱扣电流和脱扣时间不一样，来完成对故障回路的正确切断。例如在图1中，3级保护的Z01支路a点发生过载或短路，只有Z01支路的三级保护断路器QF6断开，其他断路器不跳变，达到了只切除了故障最小支路。选择性保护可以防止短路、过载电流对系统和设备的破坏，防止扩大事故范围。

        图1 多级保护示意图
        断路器选择性保护分过载选择保护和短路选择保护，过载选择保护主要取决于过载的电流，一级到四级保护回路的电流依次变小，在不同保护等级的回路上安装不同的过载能力的断路器，既可达到过载保护选择。而短路选择性保护，主要取决于安装回路流过的短路电流和断路器动作的时间差，只有下级保护回路的短路电流低于上级保护断路器的瞬动值、或者达到了上级保护的瞬动值但低级保护断路器的动作时间短于下级的动作时间，使得下级断路器优先动作，由此实现短路选择性保护。
        3选择性保护的条件
        3.1过载选择性保护的条件
        目前国内变电站直流系统主要采用辐射性供电方式，保护电气一般采用3级或4级串联配合的方法，通常一级保护为蓄电池、充电机出口保护，二级为动力母线或合母馈出保护，三级保护为馈线屏出线保护，四级为测控屏断路器或高压断路器操作回路保护。最上级回路的电流最高，为所有负载电流的总和，而末级电流最小。因此过载选择性保护实现的条件是：
        （1）下级保护断路器的热脱扣电流必须小于上级保护的热脱扣值；
        （2）断路器热脱扣电流不应小于回路的最大负载电流Ib；
        （3）断路器热脱扣电流不应小于保护回路的允许长时间承载电流Iz。
        3.2短路选择性保护的条件
        短路选择性保护主要取决于两个条件：一是短路时的电流，一是上下级断路器的分断时间差。因此要实现短路选择性保护的途径，一个是在不同等级回路安装不同瞬动脱扣电流值的断路器或，降低回路的短路电流值，一个是实现上下级断路器分断的动作时间差。由于线路的内阻很小，降低回路短路电流主要依靠下级断路器的限流特性，因此，末端断路器的分断速度和限流特性是实现短路选择性保护的关键因素。实现短路选择性保护的条件有：
        （1）提高末级断路器的分断速度和限流特性，使末端断路器快速动作同时限制电流的急剧上升；
        （2）使上、下级断路器动作存在时间差，下级断路器优先动作，并且短路电流通过上级断路器的维持时间不超过上级的动作时间。
        4选择性保护的重要性
        过载选择性保护主要是保护会在回路不受过载电流损害。通常情况下，每个回路的承载电流是一定的，当线路长时间电流过载，会使线路发热和老化加剧，造成绝缘故障，主回路的过载则容易造成充电机、蓄电池设备超负荷，导致损坏，影响整个系统稳定性。
        短路选择保护使保护系统不受短路电流的损害。系统发生短路时，由于线路电阻很小，形成的电流很大，极易损坏电源设备和造成火灾等事故。因此，迅速准确地切断短路回路，保证系统安全地同时，不影响其他回路稳定工作，是短路选择性保护地意义所在。
        5选择性保护的测试校验
        断路器选择性保护主要分过载电流分断、延迟分断和短路电流分断。市场对继电器保护早已投入大量研究，已经有相当成熟的过载分断技术和延迟分断技术。因此，为保证下级短路不造成上级保护误动，选用的上级断路器额定电流应大于下级断路器额定电流，且选用的断路器额定电流应不大于所在回路的长时间允许承载电流，选用的上级断路器的分断时间应大于下级的分断时间。直流系统断路器选择性保护测试分析主要测试短路电流与断路器的瞬动电流关系。
        短路电流与选择性保护的测试原理实际上就是测量回路短路电流，短路电流应该大于本级断路器的瞬动电流值，同时小于上级断路器的瞬动电流值，才能满足短路电流的选择性保护。如图2，首先，在待测试回路的测试点上施加一个电阻负载，测试除待测回路的等效电阻Rn，在测量带测量点的电压Vn，再通过戴维南定理计算出待测回路的短路电流In。只有In大于本机断路器的瞬动脱扣电流值同时小于上级断路器的瞬动脱扣电流值时，才能达到短路电流选择性保护。
        6结束语
        直流系统断路器选择性保护是保护系统不受过载电流和短路电流危害的重要条件，保证直流系统断路器选择性保护功能需要注意一下几点：一是明确不同回路和支路的负载电流和允许长时间承载电流，选用适合的断路器型号，一是短路时，保证下级断路器分断时间短于上级断路器，保证上级断路器接受短路电流时间少于瞬动脱扣时间；三是提升末端断路器的分断速度和限流能力，达到快速切断末端短路故障，同时避免短路电流增大造成越级跳闸，扩大事故范围。同时断路器选择性保护功能的实现，还需满足回路断路器过载灵敏性、短路灵敏性、和上下级保护的选择性要求等。
参考文献：
[1]江立佳, 廖毅伟, 石智培,等. 直流电源系统断路器的级差配合研究[D]. 重庆大学.
[2]林琳. 变电站直流系统断路器级差配合的探讨[J]. 广东输电与变电技术, 2007.
[3]李伟,束娜,胡卫清,韩本帅.变电站直流断路器选型配置及级差配合研究[J].电工电气,2016:63-65.
作者简介：潘雄，男，1969年12月生，广东兴宁人，供职于南方电网公司广州供电局变电三所，变电运行专业一级技能专家；主要研究方向：变电运行设备检修技术。