1、變電站直流電源系統用微型斷路器解決保護誤動的問題摘要：介紹在新建或改造直流電源系統設備工程中應用直流斷路器時，不但要考慮負載的容量、電壓允許范圍等常見參數，還要重點考慮直流斷路器是否有選擇性保護，特別是在負載并聯了大容量濾波電容器時，造成斷路器誤動作的問題及解決方案。關鍵詞：對地電容，直流系統， 誤動， 選擇性保護一、課題的由來近來在我們大連供電公司改擴建的姚家、由家、二道河等變電所直流電源系統設備驗收時，發現這樣一個問題：當直流主饋屏微機保護電源的下級各測控保護屏電源開關(小容量斷路器)全部處于“合”位的情況下，在直流主饋屏上無法投入此路饋出斷路器(投入即脫扣)。這給我們驗收調試帶來許多不便

2、，更重要的是給今后安全運行帶來極大的事故隱患。為了探究其根本原因、并提出切實可行的解決方案。我們對此進行深入的調查研究、分析論證、模擬試驗等工作，現將情況介紹如下。二、現場誤動作和問題描述在姚家、由家、二道河等變電所直流電源設備驗收時：當直流主饋屏上的微機保護電源總斷路器的下級各測控保護屏中的直流小型斷路器(小容量斷路器)全部處于“合”位的情況下，在直流主饋屏上無法投入此路饋出斷路器(投入即脫扣)。后采取先投入直流主饋屏上微機保護電源總斷路器后，逐個投入微機保護屏上的斷路器，則系統供電完全正常。詳見示意圖1。圖 1 分電示意圖用后面的方法投入電源后，直流系統負載無故障現象(無過載、短路故障)，

3、而斷路器容量和脫扣特性嚴格按照設計部門的設計配置，級差配合完全符合規程要求。雖然后面的方案也能解決跳閘問題，因微機保護與電源保護往往是兩個部門各自管理，非常不方便和不合理;在每次檢修或驗收時都將保護屏的上斷路器都斷開后再去合饋電屏上的斷路器，容易引發其它問題而責任無法區分。先合保護屏上的直流斷路器，再合饋出屏上的直流斷路器時如出現上述越級誤動屬于事故性質，要對通往保護屏的每條線路進行排查，最后要下結論是因為對地電容引起的還是某一回路短路故障引起的。直流系統中，分饋電屏和保護屏上的直流斷路器，應能滿足在任意情況下，合上某一斷路器不誤動，才能解決安全和管理上的問題。三、誤動作問題的分析和測量針對后

4、合饋電屏上的直流斷路器時如出現誤動的情況，經過我們分析和測量，發現上述問題是各類保護、自動化等設備內部DC/DC電源變換中的濾波電容引起的。隨著變電所電壓等級的不斷提升、容量的不斷增大，綜合自動化水平的不斷提高，大量電子設備的應用及提高設備的抗干擾能力，大量的負載電容量是一個直流系統中各負載整合過程中出現的一個新問題，由于各制造成均將供電電源看做一個理想的電源，無數個濾波電容給直流系統帶來了新的問題。由于“微機保護裝置”的電源回路中，分散采用著各種電壓等級的高頻開關型電源變換器，而每個電源變換器的輸入端都采用了大量高容量的濾波電容器。大家知道，大容量的電解濾波電容器，對穩定直流系統電壓波動和抑

5、制直流電源中紋波電壓作用十分積極，但同時在加電瞬間也帶來了特別大的電容充電電電流問題。大家都知道在電路換路的瞬間電容器兩端的電壓U和電感線圈中電流I是不能突變的。在“合”直流主饋屏上微機保護電源總斷路器時，直流系統是在給其所帶電容充電，由于電容極片上電荷量的聚集是要經過一定時間的，所以電容上的電壓是不能突變的，剛一合閘送電，電容兩極相當于短路，這一瞬間充電電流最大，充電電流大小主要取決于充電電壓和充電回路電阻值。在剛一合閘的瞬間，電容的充電電流為：I=E-U/R=E/R，經過一段時間，U由0逐漸上升，E-U變小了，所以電流I也變小了，直到最后E=U、則I=0，電容器兩端的電壓變化是按指數曲線規

6、律而變化，電容充電的快慢僅與電容C和回路電阻R的乘積有關，我們規定T=RC為阻容回路的時間常數(電阻單位為歐、電容單位為法、時間常數單位為秒)。一般情況下經過三個時間常數后，電容上電壓就上升至穩態值的95%，五個時間常數后，電容上電壓就上升至穩態值的99%。例如姚家變電所饋電屏上通往“1#微機保護”支路的總斷路器，其額定電流為32A，短路瞬時脫扣器動作電流值為C型715In(256480A)，分斷時間<5ms，可以看出，“1#微機保護”支路上因電容沖擊電流達到400A以上的持續時間為5ms左右。四、解決方案要科學正確的選擇直流斷路器，就要對直流斷路器的保護原理和直流系統的選擇性理論進行分

7、析：1、過載長延時保護脫扣器斷路器的發展過程中，最先采用的是雙金屬片熱效應動作脫扣，其典型特征為熱功率達到設計值Pt即動作，忽略氣溫等離散因素，表達式符合Pt= ，即動作脫扣，此特性正是過載長延時保護需要的特性，故與傳統空氣開關(甚至熔斷器)的設計一致。過載長延時保護脫扣器是保護電纜和電器設備不受過載發熱而燒毀。2、瞬時脫扣器(短路脫扣)瞬時脫扣器(短路脫扣)是避免由于短路電流而引起電線電纜的絕緣損壞和電器設備燒毀。由于雙金屬片脫扣機構的原理局限，依靠其受熱彎曲，其彎曲速度很難做到能滿足在較大過電流或短路情況下迅速脫扣，因此，各斷路器生產廠家的產品均有由電磁線圈和銜鐵等機構組成的電磁式瞬時脫扣

8、器。以小型直流斷路器為例，根據IEC60898-2，將斷路器分為B特性和C特性。需要說明的是，這兩種特性的斷路器過載脫扣器的特性完全相同，主要的區別在于短路瞬時脫扣器動作閾值的不同。B特性為47In，C特性為715In。見圖2、圖3。圖2 B特性脫扣曲線      圖3 C特性脫扣曲線3、短路短延時保護特性DL/T5044-2004E.4.3.1中規定“當上、下級斷路器安裝處較近，短路電流相差不大，引起短路瞬時保護(脫扣器)誤動作時，應選用短路短延時保護(脫扣器)”。其保護特性示意圖見圖4。圖4 短路短延時保護特性示意圖4、關于選擇性保護的相關問題斷路器上下級之間

9、應滿足選擇性的要求。為了防止越級動作帶來的事故面擴大，保證故障電流僅僅由距離故障點最近的斷路器來切除，有時要求上級斷路器在遭遇短路電流時，經過一定時間的延時(一般為ms級)后再動作。在短延時期間，如果下級斷路器已經將故障回路切除，則斷路器不動作;如下級斷路器發生故障，不能執行保護動作，上級斷路器作為后備保護，將主干回路切斷，以保護設備和線路。選擇性保護是一個基于系統短路電流計算的綜合選型過程。工程中應根據DL/T5044-2004電力工程直流系統設計技術規程中的規定，計算各斷路器負載端短路電流，用此短路電流比對上下級斷路器的安-秒特性曲線，得出的兩個動作時間，通過比對動作時間差，從而判斷上下級

10、斷路器是否滿足選擇性保護的要求。直流斷路器是保護性電器，一要不誤動，二要不拒動，拒動的危害比誤動更甚。所以，直流斷路器既要滿足接地電容產生短路的選擇性要求，還要滿足發生短路故障時的選擇性要求，同時還要滿足過載保護的要求。解決斷路器因接地電容產生的短路電流而誤動的問題，是要增大斷路器的瞬時脫扣器動作電流值，此值要大于接地電容所產生的短路電流值(因微機保護的數量因各個變電站而異，數量越多，接地電容量越大，產生的短路電流越大，工程中已采用的斷路器瞬時脫扣器動作電流值已達到400A，還出現誤動)，如要實現可靠性要求，選用斷路器的瞬時脫扣器動作電流值達到600A以上。增大瞬時脫扣器動作電流值有以下方法：

11、一是增加C型特性斷路器的額定電流值，如達到100A以上，其瞬動則相應會增加，但斷路器體積會增大很多，同時會對回路的過載保護不利和在短路時會產生拒動;二是將C型特性的直流斷路器改為D型特性。根據IEC規定的標準：D型特性直流斷路器瞬時脫扣器動作電流值為(1250In);其動作范圍太大，也就是誤差太大，選小了誤動，選大了拒動。所以，一般D型特性的直流斷路器不能應用于電力保護系統中。三是采用帶短路短延時特性的斷路器。從圖5可以查出，該斷路器的瞬時脫扣器動作電流為2.5kA。短路短延時脫扣器的動作電流范圍為10In2.5kA時，斷路器可以延時710ms動作，需要說明的是：雖然此電容器充電電流不是物理意

12、義上的短路，但是其幅值足夠的大(已經大于斷路器短路瞬時脫扣器啟動值10In)，時間常數(電容器與線路電阻組成的充電回路)較動作時間也大，所以將其視為短路電流來分析。采用帶短路短延時特性的斷路器，可以通過適當的延時，來躲過普通兩段式斷路器不可避免的保護動作，待充電電流衰減至合適的電流值后，斷路器就不會動作。可以滿足接地電容引發的短路保護的選擇性要求。例如姚家變電所“1#微機保護”支路的啟動充電電流達到1100A，在微機保護屏回路如發生短路故障，經計算和試驗，最大的短路電流為500A左右，如果饋電屏斷路器選用32A規格的具有短路短延時脫扣器的斷路器，則不會誤動和拒動，可以解決由于各個濾波電容較大，

13、同時啟動后沖擊電流過大導致總開關越級動作的問題，又能很好的解決短路保護的選擇性問題。這是因為，此系列斷路器的動作特性為320A2500A電流范圍內，它要固定延時710ms之后，再動作。這短短的幾毫秒，正是躲過沖擊電流、避免斷路器誤動作的關鍵所在。經搜索，我們了解到北京人民電器廠的“G系列直流斷路器”中的 GMB系列為帶短路短延時保護特性的斷路器。成型系列產品此延時時間有10ms、30ms、60ms，也可根據實際情況進行定制(見附表1)。由于此延時特性原理上就適合阻斷電容器充電電流“過大”而造成的越級動作，而且延時時間多樣，可以根據現場負載電容量的大小靈活選擇，從根本上解決了這一誤動作。所以我們認為采用帶短路短延時特性的斷路器解決這一問題的最佳方案。同時較好地解決了直流系統級差配合的問題。五、結束語小小空氣斷路器在直流電源系統中看似很簡單，其實技術含量和發展速度都很高，它是目前為止直流電源系統保護電器最直接、最有效的器件。我們不能重蹈先前因為小小的空氣開關著火造成變電所直流電源系統癱瘓的