1 关于蓄电池直流电源系统短路电流计算及自动空气断路器的选择 一、前言： 近几年，随着我国电力事业的飞速发展，新建和扩建的厂、站大量增加，尤其是城农网改造；直流电源系统的设备 也得到了前所未有的发展和提高，阀控蓄电池和直流断路器得到了广泛采用，其使用范围、场合以较快的速度增长，设备 的总体健康状况和技术水平得到了较大的提高， 安全运行和节能环保得到了进一步好转和改善； 但是存在的问题仍然不能 忽视，务必引起各级领导高度重视，不然会造成严重的后果。尤其是在城农网改造时，注重了一次设备和二次保护装置的 更新改造、而忽视了直流电源系统设备及网络的更新改造，尤其是直流供电网络的更新改造；目前运行中直流电源系统采 用的保护电器是多型号、多厂家、多组合的被动局面，这给直流电源系统的保护级差配合带来了一定的难度。一旦级差配 合不满足要求、失去动作选择性，其后果不堪设想。 二、造成目前直流系统级差不配合的主要原因和解决的措施： 一） 、级差配合问题的主要原因及复杂性 1、接线复杂。原则上应该简化接线即蓄电池接单母线运行辐射供电。但是目前的控制合闸母线环行供电；硅降压， 闪光母线不变的情况下，强制将熔断器改为直流断路器级差配合是十分复杂的，短路电流无法计算，控母合母馈线合用断 路器，控母闪光合用断路器无法整定瞬动脱扣器等一系列问题没有很好解决。 2、交流或交直流两用断路器应用在直流电源中，其降容能力，临界分断能力，没有产品数据，试验证明交流断路 器的分断能力仅为直流断路器的分断能力的 1/5~1/8，额定电流分断直流电流弧光引起烧坏触头现象经常发生，全分断时 间的不确定性，也是级差配合中成为难题。 3、熔断器保护由于特性的不稳定性，受温度和湿度影响较大，而且和接触松紧及熔片是否经受过大电流冲击损伤 有关，有经验的单位在现场运行规程明确规定定期检查或更换、短路发生后必须更换合格产品。一是随着变电站无人值班 的发展，熔断器因自身结构的限制熔断后不能报警，不满足运行要求；二是目前保护成套厂已不再采用熔断器均为直流断 路器。建议运行单位积极创造条件进行改造。 4、熔断器和直流断路器混装且品牌不成系列，安秒特性的不完善也给级差配合带来困难。 5、直流电源负荷侧的成套继电保护和自动装置保护电器是由成套厂选用，往往是从供电可靠性出发，而不按满足 最大负荷电流的选择原则，选用了较大额定电流的保护电器，并且有多路供电的要求。这给直流电源馈线保护电器的选择 和级差配合出了难题。 6、短路电流计算和实测的复杂性，蓄电池内阻是动态的，计算中无法取得准确值，回路电阻值包括断路器内阻以 及限流性能 （断路器分断时的电弧限流，熔断器承受冲击电流使熔片改变特性的限流等）都给短路电流计算带来困难， 因此脱扣器的整定和灵敏度检验也十分困难。 7、不同保护电器有不同的保护特性和离散特性，例如直流断路器瞬动脱扣电流按制造标准规定：直流微型断路器 为 7~15In，塑壳断路器为 8~12In，短路电流大小也对断路器的全分断时间有一定分散性。 8、 直流电源设备投运前的安装调试中，也不进行任何保护级差配合的调试工作。 二） 、相关标准的规定 2 3 1、DL/T 5644~2004《电力工程直流系统设计技术规程》 6.1 保护规定采用直流断路器或熔断器 1.熔断器在上而直流断路器在下时，熔断器为直流断路器额定电流的 2 倍及以上。 2.直流断路器上而熔断器在下时，直流断路器额定电流应为熔断器额定电流的 4 倍及以上。 7.5 规定了直流断路器选择原则；经受冲击电流的安全性，级差配合，断流能力、选择性+灵敏度计算见附录 E。 7.6 规定了熔断器选择原则； 隔离电器、报警触点、断流能力、级差配合 2、DL/T 459-2000《电力系统直流电源柜订货技术条件》 5.3.2.4 直流断路器、熔断器应具有安一秒特性曲线 严禁使用交流断路器，交直流断路器应满足开断直流回路短路电流和动作选择性要求。 3、DL/T 724-2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护规程》 5.3.9C）按图验收 按图更换 4、国电发[2000]589 号《防止电力生产重大事故的 25 项重点要求》 20．防止枢纽变电所全停电事故；要求 2 组蓄电池，3 台充电装置 直流母流分段运行，每段母线应分别蓄电池供电，母线设联络断路器，正常运行处于断开位置。 直流熔断器应按有关规定分级配置，加强直流熔断器的管理，对直流熔断器应采用合格的产品，防止因直流熔断器 在正常熔断而扩大事故。 23．防止全厂停电事故； 要求加强蓄电池和直流系统（含逆变电源）??的维修。 5、国家电网公司十八项电网重大反事故措施： 13.2.2、 加强直流系统熔断器的管理，防止越级熔断： 13.2.2.1、各级熔断器的定值整定应保证级差的合理配合。上、下级熔体之间（同一系列产品）额定电流值，应保 证 2～4 级级差，电源端选择上限，网络末端选择下限。 13.2.2.2、为防止事故情况下蓄电池组总熔断器无选择性熔断，该熔断器与分熔断器之间，应保证 3～4 级级差。 13.2.3、 加强直流系统用直流断路器的管理： 13.2.3.1、新、扩建或改造的变电站直流系统用断路器应采用具有自动脱扣功能的直流断路器，不应用普通交流断 路器替代。在用直流系统用断路器如采用普通交流开关的，应及时更换具有自动脱扣功能的直流断路器。 13.2.3.2、当直流断路器与熔断器配合时，应考虑动作特性的不同，对级差做适当调整，直流断路器下一级不应再 接熔断器。 6、国家电网公司直流电源系统管理规范 《直流电源系统技术标准》 ： 5.3.2.2 直流回路中严禁使用交流空气断路器；当使用交直流两用空气断路器时，其性能必须满足开断直流回路短 路电流和动作选择性的要求。 5.3.2.5 直流空气断路器、熔断器应具有安－秒特性曲线 级的配合级差，并动作选择性的要求。 5.3.2.6 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下级使用熔断器。 4 5 防止在回路故障时失去动作选择性。 《直流电源运行规范》 第十二条 运行管理 （8）直流熔断器和华侨断路器应采用质量合格的产品，其熔断体或定值应按有关规定分级配置和整定，并定期极 性核对，防止因其不正确动作而扩大事故。 （9）直流电源系统同一条支路中熔断器与空气断路器不应混用，尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。防止 在回路故障时失去动作选择性。严禁支路回路使用交流空气断路器。 《直流电源系统技术监督》 第二十七条 应加强直流系统熔断器的管理，熔断器应按有关规定分级配置。一个厂、站的直流熔断器或自动空气 断路器，原则上应选用同一厂家系列产品。自动空气断路器使用前应进行特性和动作电流抽查。同一条支路上直流熔断器 或自动空气断路器不应混合使用，尤其不能在自动空气断路器之后（下级）再使用熔断器。 直流电源系统各级熔断器或自动空气断路器的选择必须保证级差配合合理，防止越级跳闸。 不同厂家的产品混用，由于动作特性的分散性，有可能失去动作选择性。所以，一个厂、站的直流熔断器或自动空 气断路器，原则上应选用同一厂家系列产品。 空气断路器与熔断器混合保护的级差配合比较困难，由于无时限的空气断路器的脱扣速度基本不随电流的大小变 化，而熔断器的动作具有反时限特性。无论空气断路器安装在熔断器之前或之后，总在某些短路电流值范围内会失去动作 选择性。因此，应尽量避免这种组合保护方式。尤其不能在自动空气断路器之后（下级）再使用熔断器，这样，级差配合 更加困难。 《预防直流电源系统事故措施》 第十一条 直流系统熔断器应分级配置， 上下级熔体应满足选择性配合要求。 一个站的直流熔断器或自动空气断路器， 原则上应选用同一制造厂系列产品。 使用前宜进行安秒特性和动作电流抽检， 同一条支路上的空气开关和熔断器不宜混合 使用。 直流回路中采用空气自动空气断路器时，必须选用合格的直流空气断路器，严禁采用交流空气断路器。对已经采用 的，必须安排更换。 7、上述规定和要求究竟其原因何在，为什么要作这样规定？ 1） 、严禁在直流电源系统中采用交流或交直流两用断路器，是因为其分断能力和灭弧能力都不能满足直流的要求， 试验和运行实践都证明了交流断路器的分断能力仅为直流断路器的分断能力的 1/5～1/8，额定电流分断时、直流电弧引起 烧坏触头现象时有发生，全分断时间的不确定性，也是级差配合中的难题。 2） 、熔断器保护特性由于不稳定、熔断时间分散性大，温度和湿度对其影响较大，而且和接触松紧及熔片是否经受 过大电流冲击有无损伤等因素有密切关系， 尤其是在大电流冲击后特性会发生变化； 所以很多基层运行单位都作出这样规 定： 熔断器在经受大电流冲击后必须进行检查或更换及运行中应定期进行检查或更换制度。 另外随着变电站无人值班的发 展， 熔断器因自身结构的限制熔断后不能报警， 不满足运行要求； 二是目前保护成套厂已不再采用熔断器均为直流断路器。 建议运行单位积极创造条件进行改造。 3）、熔断器和直流断路器混合使用不成系列，一个是反时限动作原理、一个是定时限动作原理；安秒特性的不完 善也给级差配合带来难题，不宜采用。尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。 熔断器RM10、RTO保护特性详见图1、图2。我们现用熔断器RM10和直流断路器GM32组合在一起，按断路器+熔断器、 熔断器+断路器方式、在短路故障发生时，看其动作结果如何？详见下表： 6 7 保护电器位置 类型 末断（下级） 上级 末断（下级） 上级 保护电器 额定电流 6 15 6 25 短路电流 6*10＝60 60 60 25*10＝250 短路故障发生 动作时间 6 动作结果 动作 未动 动作 不动 正确 正确 正确 正确 短路电流 150 150 250 250 短路故障发生 动作时间 6 动作结果 动作 正确 正确 断路器 熔断器 熔断器 断路器 ms ms 0.3 2.5s 0．2.5 s 6 s 不动 18 6 ms ms 未动 不正确 动作 越级 ms 熔断器与断路器组合后有以下几个特征： （1） 、回路故障电流在断路器额定电流 10In 以下的过载情况时，熔断器熔断时间与断路器动作时间均处于过载保 护范围，由其动作曲线决定，不同的熔断器与不同的断路器组合其动作结果是不一致的，同样会出现误动越级现象。 （2） 、回路短路电流在断路器额定电流 10In 以上的短路电流情况时，断路器动作时间比熔断器熔断时间快。如果 熔断器在下级、上级断路器就会先动作，就出现了误动。 （3）、无论空气断路器安装在熔断器之前或之后，总在某段短路电流值范围内会失去动作选择性。因此，应尽量 避免这种组合保护方式。尤其不能在自动空气断路器之后再使用熔断器，这样，级差配合更加困难。 4）、断路器和断路器组合使用时，由于不同系列的断路器其过载反时限特性和短路瞬时脱扣特性不同，级差配合 和选择性应很难满足要求。IEC60898、GB10963.2标准规定脱扣特性为：B型4～7倍额定电流、C型7～15额定电流，不同厂 家生产的断路器选用的短路瞬时脱扣标准不同， 组合在一起就有很大的差异， 往往很难匹配、 不能满足动作选择性的要求， 原则上应选用同一制造厂家的系列产品。 5）、所以在直流技术监督的规定中明确指出：无论采用何种保护电器，原则上应选用同一制造厂家的系列产品， 因为不同厂家的产品混用，由于动作特性的分散性，有可能失去动作选择性。所以，一个厂、站的断路器或熔断器原则上 应选用同一厂家系列产品；使用前应进行安秒特性和动作电流的抽检工作。 6）级差配合事故不断出现，直流电源已经影响了电力系统的安全运行，不应只从标准中找解决方法，而应该根据 具体情况做些工作，近年北京、浙江、河北（石家庄）、广州、湖南等研究成果并不公开发表，同时可操作性也并不完善。 上海、吉林、山西等仍在研究中，地区级的级差配合研究以及数个发电厂进行设备改造工程也使用一些试验研究（如直接 短路）方案。但研究成果尚没有纳入上述标准之中。 三）、统一认识问题 1、蓄电池直流电源应该是在蓄电池寿命期中长期浮充运行的可靠设备，长期开路或不用倒是有问题的。不存在一 组运行一组备用的概念。仅考虑蓄电进行核对性放电时的解决办法（例如配合主设备检修，50%容量放电减少停用时间， 临时用一组蓄电池替代供电等） 。 2、设计规程规定发电厂总容量为 100mw 上和重要的 110kv 变电所，宜装或可装 2 组蓄电池，这种特定的电力工程 也不解释为一组运行一组备用的概念。 3、蓄电池直流电源系统接线，元件选择的原则是满足交流事故全停电的 1h（2h）内直流负荷的需要，不能越级停 直流电源，供电必需可靠，更不能有任何直流电源停电现象， 4、设计规程规定的允许 2 组蓄电池短时并联，是指切换过程中的短时并联是有条件的。同时规定了不允许任何支 路馈线形成的并联。理解为可能出现的误操作和避免不可控制的环流。 8 9 5、根据有关规定：双重化的要求是除了继电保护和高压断路器跳闸线圈外，蓄电池直流电源也应该是双重化配置。 但供电电缆可由直流接地检测和短路保护检出故障，不需双重化。因此简化接线，辐射供电是正确设计。 总之，蓄电池直流电源应该长期可靠运行，不设备用。所有参数均按交流事故停电 1h（2h）时间内直流负荷的需 要选择，保证可靠供电。2 组蓄电池的短时并联只能在直流母线进行。双重化配置应包括蓄电池直流电源，但不包括馈线 电缆。简化接线辐射供电。 四）、级差配合的解决办法 1、简化直流电源接线 级最好，最多不应超过 4 级，当然取消控母合母分家，取消硅降压， 闪光独立供电按规程取消保护，取消环形供电改辐射供电。 2、新设计的工程，应按设计规程的规定进行。 3 现有工程，找出共同点和不放心的配置方案，做些具体试验研究工作，重点解决如下问题。 ——蓄电池出口保护要计算短路电流，正确选择保护电器。 ——直流母线进线和出线之间的级差（短路电流基本一样） 。 ——直流电源末级与直流负荷当出现直流负荷有并联支路时需要解决。 ——各类保护器件内阻和限流特性。 ——短路电流的计算值（予期值）与实测值的关系。 ——各种保护电器的动作特性。 4、选用全系列熔断器，级差配合是比较方便的，但装直流隔离电器和馈线宜装辅助报警触点的要求有一定困难。 定期维护更换的工作也很难做。 5、直流断路器过载长延时保护和熔断器一样，级差配合容易选择，但短路瞬动脱扣整定的级差配合有一定困难， 用短路电流校验灵敏度其结果可能有两种情况。 一是短路电流灵敏度高1.25 而按额定电流选择的直流断路器有越级可能， 设计规程要求提高上级直流断路器额定电流， 一些单位也有采用将上级直流断路器拆除瞬动脱扣器的办法， 或者要厂家提 高瞬动脱扣整定值的办法，近来用这种办法的人少了，主要订货非标的麻烦。另一种是短路电流小，灵敏度1.25，这种 情况主要是因为蓄电池容量小或系统回路电阻大， 这种情况也有要求降低瞬动脱扣整定值的办法或认真根据负荷电流减小 额定电流的选择，否则瞬动脱扣不具备保护能力。 6、由于保护电器的动作特性不同，不同系列的产品混合使用，有可能失去动作选择性，所以规定一个厂、站、的 保护电器（直流断路器或熔断器）原则上应选用同一厂家的系列产品。 7、短路电流相近的上下级直流断路器，其上级选用具有短路短延时特性的直流断路器。当短路发生在下一级的直 流断路器的负荷侧时，上级断路器工作在短延时的范围内，在下级断路器将短路故障切除后，上级断路器可以从动作状态 自动返回到工作状态，避免了越越级误动。并不是任何短路电流下均不动作，当短路电流太大时（大于 60In 或以上）还 是要瞬动的，这是直流断路器耐受能力的需要实际上这种情况不会出现越级误动的。[所谓具备三段式保护的直流断路器 10 11 即具有过载长延时+短路短延时（10、30、60ms）+短路瞬时的保护特性。直流断路器具有短路短延时的功能和继电保护 中的延时速断保护有相同之处。] 8、 智能脱扣器是按逻辑关系实现级差配合，目前还不具备商业化市场产品。 9、 限流型断路器设有权威部门的检测数据，因而应用领域还不成熟。 四、断路器的现状及选择： 1、目前国内生产的直流断路器现状 根据目前所掌握的资料和信息，生产直流断路器的厂家和公司有：西门子（5SX） 、ABB(S252S)、梅兰日兰 (C32H)、 施耐德(C32H－DC) 、德力西(CDB7DC-63)及北京人民电器厂（G 系列）等多家企业。详见表 1 和表 2。 以北京人民电器厂生产的 G 系列塑料外壳式直流断路器，规格最全、品种最多、以成为系列产品；而且具有二段 和三段式断路器，可以满足 100～3000Ah 蓄电池直流电源系统从蓄电池出口至负荷处，1～4 级的各级保护级差配合的要 求。可以满足系统保护级差实现全选择性的要求；同时该厂还建成了 3000Ah/220V 直流电源研究试验站，可以满足运行 单位的各种保护配置方式的试验和研究。其它几家公司主要是以生产交流断路器为主，直流断路器只是小电流规格，未 形成系列产品。就说西门子公司生产的 5SX52 直流型断路器，额定电流只要：3、4、6、8、10、13、16、20、25、32、 40、50 十二种规格。 为了保证电力系统和电气设备的安全运行， 要求直流电源系统所采用的保护电器要准确、 可靠、 快速切断故障电流， 北京人民电器厂经过不断研究，于 1999 年在只有两段保护的直流断路器（过载长延时保护+短路瞬时保护）基础上，成功 地研制出 G 系列全选择性三段保护（过载长延时保护+短路短延时保护+短路瞬时保护）直流断路器，具有分断能力高、 体积小、飞弧短、短路短延时准确，规格齐全等特点，较好地解决了直流电源系统保护电器的越级、误动、拒动等问题。 。 表 1――部分生产厂家生产的直流断路器 生产厂家 西门子公司 保护类型 两段保护 5SX――DC 断路器额定电流规格 3、4、6、8、10、13、16、20、25、32、40、50 共计 12 种规格。 ABB 公司 两段保护 S252S――DC 1、2、3、6、10、16、20、25、32、40、50、63 共计 12 种规格。 施耐德电公司 两段保护 C32H－－DC 1、2、3、6、10、16、20、25、32、40、共计 10 种规格。 德力西集团 两段保护 CDB7DC-63 0.5、1、3、6、10、16、20、25、32、40、50、63 共计 12 种规格。 两段保护 北京人民电器厂 三段保护 GM32 GM100 GM225 GM400 GM800 GM1250 共计 65 个规格 GMB32 GMB100 GMB225 GMB400 GMB800 GMB1250 12 13 表 2――北京人民电器厂生产的 G 系列直流断路器 两段保护特性的断路器称为 A 类保 护断路器（即：过载长延时保护+短 路瞬时保护） 断路器 型 号 GM32 短延时 电流整 定值 1、3、6、10、 10In 16、20、25、 32、40 断路器 额定电流 三段保护特性的断路器称为 B 类保护断路器 （即：过载长延时保护+短路短延时保护+短路瞬时保护） 断路器 型号 GMB32 短路 短延时 电流整值 16、20、25、32、40 10In～1.2 KA （16、20） 10In～1.8 KA 25.4cm～2.5 KA （32、40） 50、63、80、100 10In～6KA 断路器额定电流 短延时 时间整定值 mS GM100 GM225 GM400 GM800 GM1250 10、16、20、 25、32、40、 50、63、 80、100 100 、 125 、 140、160 180、 200、 225 250 、 315 、 350、400 400 、 500 、 630、 700、 800 800、1000、 1250 10In GMB100 10、30、60 10In GMB225 100、125、140、160、 10In～8KA 180、200、225 250、315、350、400 400、500、630、700 800 800、1000、1250 10I～15KA 5In～20KA 5In～20KA 10、30、60 10In 5In 5In GMB400 GMB800 GMB1250 30、60 30、60 30、60 2、断路器保护特性和动作方式： 为进一步理解和掌握断路器的保护特性和动作方式，现以 GMB32/2400R-32A 型直流断路器为例来说明各种故障 电流发生时断路器动作情况： 1） 、过载脱扣：Int、 （1.13*32＝36.16）～Id ～10In(320A)；Id 发生时，过载长延时脱扣器按图 2～5 所示紫色反时 限曲线动作，随着过载电流 Id 在（1.13*Int～10 Int）区间内增大，过载脱扣器动作时间 T 逐渐减小。 当 Id＝1.13*Int＝36.16A 时 当 Id＝1.45*Int＝46.4A 时 当 Id＝3 *Int＝96A 时 当 Id＝7 Int＝224A 时 当 Id＝10*Int＝320A 时 GMB32----32 不动作时间应大于 1 小时以上； GMB32----32 在小于 1 小时内动作； GMB32----32 在 7 秒内动作； GMB32----32 在 3 秒内动作； GMB32----32 在 2 秒内动作； 2） 、短路短延时脱扣：10Int（320）～Id ～2.5KA；当 Id 属于一般短路电流时，短路短延时脱扣器按图 2～5 所示 红色部分定时限曲线动作，随着过短路电流 Id 在（10Int～2.5KA）区间内增大，短延时脱扣器经过一个固定的延时时间 t 后再动作，延时时间为 10 毫秒，且如果 Id 在该延时时间 t 内被 GMB32—32 的下一级断路器切除，则 GMB32----32 断路 器脱扣器复位。 3） 、短路瞬时脱扣：2.5KA ～Id ～20KA；当 Id 大于等于 2.5KA 时，属于较大短路电流时，短路脱扣器按图 2～ 5 所示黑色曲线瞬时动作，随着过短路电流 Id 在（2.5KA～20KA）区间内增大，短路脱扣器瞬时动作。Icu 为断路器额定 极限短路分断能力，动作时间为 4 毫秒。 当 Id 在 10Int～2.5KA 区间内，此时过载脱扣器也会被触发，但由于双金属片的弯曲速度在数百毫秒，而短路短延 时脱扣器的延时时间加上断路器的固有动作时间仅仅为十几毫秒，这样的差距足够保证了两个脱扣器的先后动作顺序。 3、直流断路器保护特性执行的标准： 14 15 目前断路器因使用场所不同、其执行的标准也存在一定的差异；大致分以下几种类型： 配电保护型断路器其保护特性符合 GB 14048.2《低压开关设备和控制设备 （IEC 947-2 标准. 电动机保护型断路器其保护特性符合 GB 14048.2《低压开关设备和控制设备 低压断路器》和 GB 14048.4《低压机 电式接触器和电动机起动器》标准；其等效采用国际（IEC 947-4）标准. 家用和类似场所保护型断路器其保护特性符合 GB 10963.《家用和类似家用场所过电流保护断路器》 ；其等效采用 国际（IEC 60898）标准. 剩余电流保护型断路器其保护特性符合 GB 6829、GB 16916 其等效采用国际（IEC1008）和 GB 16917 其等效采用 国际（IEC 1009）和（IEC 755）等标准. 不同类型的断路器其保护特性也有较大的差异,其中《家用和类似场所保护型断路器》瞬时脱扣器的型式有三种：B 型脱扣电流为大于 3In～5In、C 型脱扣电流为大于 5In～10In、D 型脱扣电流为大于 10In～50In；详细资料见相关标准或 低压断路器及其应用一书 6～7 页。 20 世纪九十年代国内没有专门的直流断路器生产标准，有关科研和相关管理部门在 GB 10963.《家用和类似家用场 所过电流保护断路器》派生了 GB 10963.2《低压直流断路器》生产标准，其中瞬时脱扣器的型式有二种：B 型脱扣电流为 大于 4In～7In、C 型脱扣电流为大于 7In～15In。据了解目前生产厂家生产的直流断路器大部分是采用了该标准；但是不 同厂家生产的断路器其保护特性（主要是指短路瞬时脱扣保护）差异较大；其中德力西生产的 CDB7DC-63 直流断路器瞬时 脱扣 C 型电流为 7In～15In（瞬时不脱扣电流为 7In 时、时间应大于等于 0.1 秒，瞬时脱扣电流为 15In 时、时间应小于 0.1 秒） ；北京人民电器厂生产的 GMN20R 微型断路器 B 型脱扣电流为大于 4In～7In、GM 或 GMB 型直流断路器瞬时脱扣 C 型电流为 10In、正负 20％（8In~12In） ；西门子生产的直流断路器瞬时脱扣 C 型电流为 7～10In，其它生产厂家因没有收 集到详细资料，在此不作介绍。 低压断路器》标准；其等效采用国际 4、为进一步理解、掌握和应用断路器保护特性及级差配合要求，现以实际例题来进一步说明： 以往直流断路器只有两段保护（过载长延时保护+短路瞬时保护） ，不能满足较复杂的直流系统选择性的要求，现 有北京人民电器厂生产的三段保护用的直流断路器（过载长延时保护+短路短延时保护+短路瞬时保护） ，较好地解决了复 杂直流系统的选择性要求。请结合下面例题进行分析和选择： A 错误! 1100A 100Ah 920A B C 640A 16 17 表 3――采用两段式保护断路器选择性级差配合分析表 断 路 断路器 器 标 型号 号 额 定 工 作 电 流 6 短路瞬 时脱 扣器整 定电 流 10*In 短 短 时 扣 设 时 0 路 延 脱 器 定 间 DM3 GM32 10*6＝60 DM2 GM32 32 10*32＝320 0 DM1 GM100 63 10*63＝630 0 各短路点动作分析 短路点 a 短路点 b 短路点 c 1100A 920A 640A 灵敏度 KL 值：KL==Id/10In，Id 为实际短 路电流，KgIn 为瞬时脱扣器电流整定值， 也就是 断路 器额定 工 作电流 的 10 倍 。 （10In） KL=10.66 断路器动作、 正确 KL=2.875 KL=2 断路器 断 路 器 动 动作、误动 作、正确 KL=1.746 断 KL=1.46 断 KL=1.02 断 路器动作、 正 路器动作、 路器动作、 误 确 误动 动 有关问题的说明 灵敏度系数： 1、KL 小于 0.8 时瞬时脱扣器可靠 不动作。 2、KL 大于 1.25 时瞬时脱扣器可 靠动作。 3、KL 等于大于 0.8、小于等于 1.25 时断路器可能动作。此段 是误动区间。 4、在 c 点短路时， DM2 误动作， DM1 也可能误动作。 在 b 点短路时 DM1 误动. 5、100Ah 蓄电池 1 小时放电电流 为：In＝5.5*100/10＝55A，所 以断 DM1 断路器额定电流取 63A. 表 4――采用两段和三段式保护断路器选择性级差配合分析表 断 路 断路器 器 标 型号 号 额 定 工 作 电 流 6 短路瞬时脱 扣器整定电 流 10*In 短 短 时 扣 设 时 0 路 延 脱 器 定 间 各短路点动作分析 短路点 a 短路点 b 短路点 c 1100A 920A 640A 灵敏度 KL 值：KL==Id/10In，Id 为实际短 路电流，KgIn 为瞬时脱扣器电流整定值， 也就是断路器额定工作电流的 10 倍 。 （10In） KL=10.66 断路器动作、 全分断时间 6 毫秒 KL=2.875 KL=2 断路器 断 路 器 延 脱扣器只延 时 10 毫秒 时 6 毫秒， 则 后动作、正 断 路 器 不 动 确 作。 KL=1.746 断 KL=1.4 短 KL=1.02 断 路器延时 30 延 时 脱 扣 路器不动作。 毫秒后动作、 器 只 延 时 正确 12 毫秒， 则 断路器不 动作。 有关问题的说明 灵敏度系数： 1、KL 小于 0.8 时瞬时脱扣可靠 不动作。 2、KL 大于 1.25 时瞬时脱扣器可 靠动作。 3、 KL 等于大于 0.8、小于等于 1.25 时断路器可能动作。此段是 误动区间。 4、在 C 点短路时， DM3 动作 在 b 点短路时仅 DM2 动作 DM3 GM32 10*6＝60 DM2 GMB32 32 10*32＝320 10 DM1 GMB100 63 10*63＝630 30 目前运行中的直流电源系统保护电器组合方式大致有四种：熔断器+熔断器、熔断器+断路器、断路器+熔断器、断 18 19 路器+断路器，我们已经对不同组合方式进行了分析对比。 通过理论分析计算和模拟试验， 也证实了一个直流电源系统全部选择两段式保护断路器， 各级断路器额定电流即便 严格按照规程相关规定进行配置；总会在某段短路电流值范围内，出现越级失去动作选择性，这就充分说明两段保护断路 器很难完全解决直流电源系统的级差配合和满足动作选择性的要求。 根据上面例题和目前直流电源系统和网络接线的现状， 采用二段式的直流断路器仍然很难满足系统短路保护动作选 择性的要求，建议采用北京人民电器厂生产的二段和三段全选择型直流断路器，可满足级差配合和选择性的要求。三段保 护断路器的出现，就使选择性保护的范围大大扩展，工程造价可大幅度地降低。 五、直流断路器的选择的原则和方法： 1、其原则是：当出现短路电流时，断路器应能将短路故障电流迅速、准确、可靠地从系统中切除、使故障区域缩 小到最小范围，即不能误动、更不能越级动作。 2、其方法是：计算直流电源系统各有关短路点处的短路电流及所采用的保护电器动作灵敏度系数，并使直流断路 器灵敏度要系数避开可能误动区间（0.8～1.25） ，对上级保护的动作系数应小于 0.8，对短路点处的保护动作系数应大于 1.25；若不满足动作系数要求时，一是调整保护电器的额定电流，二是采用三段保护断路器用增加短延时的办法来解决这 个问题。 3、直流断路器额定电流的选择：（75～76页） 一个直流电源系统保护级数不宜超过4级：是指一个直流电源系统从电池出口至负载端所串连的保护电器的数量。 保护级差配合是指：某保护电器其系列产品的上、下级额定电流等级的之差。 首先应搞清你所选用的保护电器的型式，其次是该型式系列产品型号和额定电流的规格；保护电器型式如熔断器、 断路器等；其型式系列产品型号和额定电流的规格如北京人民电器厂生产的 G 型直流断路器、型号为 GM32 系列、其电 流等级为 1、3、6、10、16、20、25、32、40 等九个等级；如果下级断路器额定电流为 3A 时，上级断路器额定电流应为 20，其电流级差不小于 4 级。 1） 、蓄电池组出口回路： （1） 、断路器的额定电流应按蓄电池 1 小时放电电流值；即铅酸蓄电池可取 5.5I10,（严格讲不同类型的蓄电池 1 小 时放电电流不都是 5.5I10） 中倍率镉镍碱性蓄电池可取 7.0I5,高倍率碱性镉镍蓄电池可取 20.0I5;A； 300Aah 蓄电池 1 小时放 ； （ 电电流是 10 小时标准放电率的 5.5 倍。即 5.5*300/10＝165A） （2） 、按保护动作选择性条件，即额定电流应大于直流馈线中断路器额定电流最大的一台来选择；一般可取 2.0、 必要时取 3.0。 （3） 、取以上两种情况中电流最大者为断路器额定电流，并应满足蓄电池出口回路短路时灵敏系数的要求。同时还 应按事故初期（1 分钟）冲击放电电流校验保护动作时间。 2） 直流馈出线） 、充电装置输出回路；断路器额定电流应按充电装置额定输出电流的 1.2 倍选择（1.2*300/10＝36、取 40A） ； （2） 、直流电动机：断路器额定电流应按直流电机额定电流选择（In=Idj） ； （3） 、断路器电磁机构的合闸回路：断路器额定电流应按电磁机构合闸电流的 0.3 倍选择(0.3*100=30A)； 3） 、直流分电柜电源回路 （1） 、断路器额定电流按直流分电柜上全部用电回路的计算电流之和选择： （2） 、为了保证保护动作选择性的要求，断路器的额定电流还应大于直流分电柜馈线断路器的额定电流，它们之间 的电流级差不宜小于 4 级。 一般两段式保护的直流断路器，具有过载长延时的热脱扣功能，同时具有短路瞬时电磁脱扣功能，应该是理想的选 择。但是直流断路器的额定电流选择是根据所供电的负荷电流计算确定。选择大了，由于负荷电流小，在过载时热脱扣延 20 21 长了时间；选择小了，由于负荷电流大，长时间运行加上环境温度高，热脱扣可能误动。当断路器额定电流一但确定，其 过载长延时热脱扣器的保护特性、短路瞬时电磁脱扣器特性都已形成，一般是（7～15）In 动作，可是断路器安装处的短 路电流决定短路瞬时脱扣器的灵敏度，必须计算验证。 从上面不难看出断路器的保护动作是靠短路电流来完成的， 所以我们必须搞清直流电源系统有关各短路点的短路电 流值；而直流电源系统又由于相关参数复杂，不确定因素之诸多，目前各设计院、成套厂或运行单位均不可能精确计算出 各有关短路点的实际短路电流值，因此给断路器的选择和级差配合以及断路器灵敏度系数计算校验带来相当大的困难。 由于直流系统参数复杂，各设计院、成套厂或运行单位均不可能精确计算短路电流，因此灵敏度也无法校验。由于 短路电流的不确定性，本来按照负荷电流选择断路器的额定电流、同时考虑上下级的级差配合，但是短路瞬时动作保护不 能保证其级差配合，当上、下级断路器安装处较近、短路电流相差不大，并达到选择性极限电流时，肯定会出现越级而扩 大事故范围。试验证明，两段保护断路器（过载长延时+短路瞬时）配置的直流系统在直流屏处就近短路，极易造成越级。 为了解决直流电源系统保护级差配合和满足动作选择性的要求， 部分制造厂或运行单位往往采用加大断路器上、 下 级额定电流之间的级差来满足选择性的要求； 在这里提醒大家这是很不科学的， 靠加大级差是有限制的、 一般情况下为 2～ 4 级，而不是无限制的；在某些情况下加大级差对直流回路保护是不利的，尤其是电源端和负载端。假如为了满足保护级 差配合和动作选择性的要求， 将断路器的额定电流随意加大级差， 当发生短路其短路电流达不到断路器短路瞬时动作电流 值、只能靠断路器过载长延时保护来实现断路器脱扣，这样长时间通过短路电流会造成严重后果。 同样直流电源系统最末端的保护电器即负载端也不能随意加大断路器的额定电流， 应按照规程有关规定来选择断路 器的额定电流，如果断路器的额定电流大于用电设备的实际电流时，在回路发生故障时将会失去动作的选择性，造成拒动 后果不堪设想。 解决直流电源系统保护级差配合及满足动作选择性的要求，有两个途径；一是靠动作电流配合（级差配合）、二是 靠动作时间（短延时保护）；两者必须有机、合理地选择及配置，才能最大限度地实现直流电源系统全选择性的要求；才 能最大限度地发挥功能价格比的优势。一般情况下，蓄电池出口、直流屏和分电屏选择三段保护断路器，其短延时保护时 间分别选择60、30、10毫秒。 采用 G 系列全选择性三段保护直流断路器，通常情况下可按标准规范选择。对于蓄电池组电源系统的级差配合，可 简化短路电流计算，不需要再考虑回路电阻、电缆截面、电缆热稳定等参数。直流电源系统上下级断路器只要按照额定电 流等级选择， 就能实现直流电源系统全选择性三段保护。 直流二段保护和三段保护断路器的合理配置， 可满足 100～3000Ah 蓄电池直流电源系统从蓄电池出口至负荷处，1～4 级的各级保护级差配合的要求。可以满足直流电源系统保护级差配合 实现全选择性的要求。 4、级差配合举例说明： 某 110 变电站，蓄电池容量 300 安时，控制、保护、信号电源均为 6 安，10 千伏断路器合闸电流 100 安，请你选 择断路器额定电流？ 方法 1： 前提是知道直流电源系统各有关短路点的短路电流，由负载端开始，然后向上级逐级进行合理配置： 第一步：首先确定 10 千伏高压断路器合闸电源操作机构处的直流断路器额定电流＝03×100＝30 安，根据其系列 产品应选择两段 32 安的断路器； 第二步：根据上下级的级差应大于 4 级的规定，直流母线处的断路器应选择额定电流 80 安的两段断路器； 第三步：根据上下级的级差应大于 4 级的规定，直流母线处的蓄电池出口断路器应选择额定电流 160 安的两段断 路器。 第四步：根据设计规程蓄电池出口的断路器应按电池 1 小时放电电流选择断路器即：0.55×300＝165 安，选择额 定电流 160 安或 180 安的两段断路器。两种方法对电池出口的断路器选择是一致的。 短路动作选择性的校核： 最末端断路器额定电流为 32 安、短路瞬动电流为 320 安，其上级断路器额定电流为 80 安、短路瞬动电流为 800 22 23 安；如果负载处短路电流在 800 安以下就不会越级，满足了动作选择性的要求； 直流母线馈路出线 安、其上级断路器额定电流为 160 安、短路瞬动电流为 1600 安；如果直流 母线及直流母线馈路出线 安以下就不会越级，同样满足了动作选择性的要求； 方法 2：前提是不能准确计算出来各短路点的短路电流时，首先确定各个负载和电源端的额定电流，然后根据 2～4 级的级差，对处于中间位置的断路器逐级进行合理配置： 第一步：首先确定 10 千伏高压断路器合闸电源操作机构处的直流断路器额定电流＝03×100＝30 安，根据其系列 产品应选择两段 32 安的断路器；根据上下级的级差应大于 4 级的规定； 第二步：根据设计规程蓄电池出口的断路器应按电池 1 小时放电电流选择断路器即：0.55×300＝165 安，选择额 定电流 160 安或 180 安的断路器 第三步：根据上下级的级差应大于 4 级的规定，最末端断路器额定电流为 32 安、直流母线处的断路器应选择额定 电流 80 安的断路器。 问题是负载处的短路电流我们不清楚有可能大于 800 安、 直流母线及直流母线馈路出线附近处短路电流可能大 1600 安，在这种情况下就会出现越级动作，失去动作选择性，为了确保直流电源系统的安全运行，直流母线馈路出线处的断路 器应选择额定电流 80 安、10 毫秒的三段断路器；蓄电池出口断路器应选择 160 安、30 毫秒的三段断路器。 目前我们电力系统直流负荷：保护装置一般选择 6A 的断路器、高压断路器液压、弹簧、气动操作机构选择 10A 的断路器；电磁操作机构要具体对待，不同的型号的操纵机构分、合闸电流不一样，自然断路器额定电流就选择的不一样 了；至于直流母线馈路出线的断路器额定电流及蓄电池出口断路器的额定电流的选择同方法 1 或方法 2；建议蓄电池出口 断路器选择 30 毫秒的三段断路器，这样额定电流还可以减小，不一定非要比直流母线馈路出线的最大一台断路器额定电 流的大 4 级的级差，有 2 级的级差就满足动作选择性的要求了，这对电池组是非常有利的。 5、短路电流的估算法： 阀控电池 100Ah，短路电流为 1000A，单体内阻为 1.98 毫欧，电池端电压为 2.17。 200Ah，短路电流为 2000A，单体内阻为 1.01 毫欧，电池端电压为 2.17。 300Ah，短路电流为 3000A，单体内阻为 0.7 毫欧，电池端电压为 2.17。 防酸电池 100Ah，短路电流为 900A，单体内阻为 2.28 毫欧，电池端电压为 2.10。 2.17÷0.7＝3100A 200Ah，短路电流为 1800A；单体内阻为 1.14 毫欧，电池端电压为 2.10。 300Ah，短路电流为 2700A，单体内阻为 0.76 毫欧，电池端电压为 2.10。 六、直流供电网络的要求： 国家电网公司十八项反措规定 13.3.1 新、扩建或改造的变电站直流系统的馈出网络应采用辐射状供电方式，不 应采用环状供电方式， 。在用电设备如采用环状供电方式的，应尽快改造成辐射状供电方式。 新的直流设计规程和管理规范明确规定直流网络应采用辐射供电方式。以往直流系统网络供电均采用环网供电方 式，使的网络接线较复杂，容易造成供电回路的误并联，不易满足保护级差配合及查找直流接地故障等缺点弊端。辐射供 电方式主要优点是：网络接线简单、可靠性高、易满足级差配合要求及接地故障查找。 为了提高直流电源系统运行的可靠性，在直流回路发生短路故障时，回路保护元件动作应将故障限制在最小范围， 要求直流供电馈出网络应采用辐射状供电方式， 而不应采用环状供电方式。 老旧变电站的直流回路接线一般都不满足该项 要求，改造工作量和难度都非常大。首先应保证新建和改造的直流电源系统必须满足上述规定。对于不满足要求的老旧变 电站直流回路接线也应制定计划，逐步改造。 24 25 直流供电网络的接线方式应根据其重要程度、馈路多少等因素区别对待，大型变电站或保护下放布置方式的直流 供电网络宜采用直流分电柜， 规模小一些的直流供电网络可采用直流分电箱， 特别小的直流供电网络可以采用直馈供电等 方式。具体接线方式各运行单位应组织专业人员制定典型设计方案。 新建、扩建或改造的 220KV 及以上变电站： 1）对于目前保护已按双重化配置，并分别作用于两个分闸线圈的断路器，不论何种电压等级，均应设置分电柜， 每套保护及相对应的控制回路均应由分电柜按辐射状供电方式设计；并保证保护和控制共在一组直流电源上供电。 2）分电柜的数量一般与该电压等级母线）当该站最高电压等级的断路器未超过五台以上时，可不设分电柜、可直接从直流屏上馈出直流电源，应按辐射 状供电方案实施；但要保证两套保护及相对应的控制回路分别在两组直流电源上供电。 运行中的 110KV 变电站： 1）对重要或枢纽的 110 KV 变电站，而且目前保护未按双重化配置、但断路器分闸线圈是双配置，而且今后有 可能按双重化改造的变电站，其直流电源系统应设置分电柜、其直流供电网络应按辐射状供电方式考虑。 2）对于保护不是双重化的变电站可不设分电柜，但是对主变单元的设备及 110KV 单元的设备，其保护和控制电 源应满足分设的原则；并按辐射状供电方式考虑； 3）对于 110 KV 变电站的 35KV 及以下设备，其保护和控制电源可维持现状（环网供电方式）考；正常运行时必 须开环运行，开环位置应在是合环处、不在直流母线处；不然直流断路器级差配合及动作选择性不易满足。 4）如果 35KV 及以下高压断路器操作机构是采用电磁操作机构，直流总输出断路器的额定电流应考虑两台断路 器同时合闸的可能。 主母线 分电柜 七、直流电源系统接线、 单组蓄电池接线方式： 单母线 套充电装置时，二者接入不同母线 套充电装置时，接入不同母线 段，蓄电池跨接在两段母线、两组蓄电池接线方式： 采用晶闸管充电装置，宜配置 3 套。采用高频开关充电装置时，宜配置 2 套） （ 两组蓄电池应采用二段单母线，蓄电池分别接于不同母线段。二段直流母线之间应设联络电器。?应满足在运行中 二段母线切换时不中断供电的要求。切换过程中允许 2 组蓄电池短时并联运行。 两组蓄电池正常时应分列运行，考虑到定期充、放电试验要求，为了转移直流负荷、需要短时并联运行，2 组蓄电 池电压相差不大，而是时间很短，对蓄电池没有大的危害是允许的。试验证明并联运行时，电压低的蓄电池先是被另一组 蓄电池充电，而后是提高自身电压达到稳定的长期运行肯定是有害的。 26 27 图一双母线不分段 图二 该接线、 进一步合理电流的分布流向，减少回路压降； 两组电池在倒换运行方式不需要变动任何接线， 只需要设备倒换操作； 3、 4、 1 组电池退出运行，即可单独进行充放电工作； 任何 1 台充电装置发生故障，不需要变动任何接线 台充电装置即可对其进行充电。 图一：多年来各设计院的图纸基本上是这种接线，只是机械闭锁电器的选择不同，有机械闭锁也有双切换电器，后 者没有短时并列可能， 但是依靠充电装置解决了母线切换过程的不停电， 前者可以在运行中需要联络时临时解除机械闭锁 的方法，实现短时并列。 图二：可以简化为母线间的直接联络，两段母线安装在一起时可以再简化为一个联络电器。联络电器只能采用隔离 电器（直流隔离开关）而不能采用直流断路器（保护电器有电流方向问题） ，另外短时并列一年没有几次操作，此联络电 器应加机械锁，防止误操作避免长期误并联的危害。 结束语 本次介绍主要针对变电站铅酸蓄电池运行现状及存在主要问题，并根据国家电网公司直流电源系统“5+1”管理规 范及相关规程，对变电站蓄电池运行维护和保护电器级差配合提出了建设性建议意见，尽供参考。 难免有误，请各位专家批评指正。谢谢大家！ 陕西宝鸡供电局 樊树根 2006 年 9 月 由于水平有限， 28 29 1 11 30
