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1、变电站直流系统网络设计及问题研究摘要：针对220kV变电站直流系统存在的保护电器级差配合问题，通过分析3种直流系统网络设计方案，并重点研究二、三级直流断路器及三、四级直流断路器的级差整定配合，最后提出2种直流系统典型配置方案。关键词：直流系统；保护电器；直流断路器；级差配合变电站直流系统由蓄电池、充电机、监控装置和保护电器组成。在电力系统中，直流系统为控制负荷和动力负荷供电，是继电保护、自动装置和断路器等正确动作的基本保证。近几年，国内连续发生了几起由于变电站直流系统故障导致的电网故障扩大事故，如2014年甘肃嘉峪关330kV变电站110kV系统全停事故及2016年陕西南郊330kV变电站主变
2、压器烧毁事故。直流系统对于变电站稳定运行的重要性越来越遭到关注。从工程设计角度出发，怎样实现直流保护电器的级差配合，确保不发生由于越级跳闸造成的直流停电范围扩大事故，是一切问题中最突出也是最难解决的问题。决定直流系统运行安全性和可靠性的不仅在于某一个元件的性能，更在于全部元件的协同配合，这就与变电站直流系统的网络构造密切相关。纵观国内文献1-5，大量研究均集中于怎样利用短路电流进行上下级直流断路器选型，而从网络优化方面提升直流系统可靠性的研究基本没有。下面在充分调研变电站直流系统配置现状基础上，分析研究了变电站内实际大量存在的级差配合问题，提出了二、三级直流断路器及三、四级直流断路器之间的优化
3、解决方案。最终提出了2种直流系统典型配置方案，分别适用于户内/半户内及户外变电站。经技术经济比拟，具有极高的推广价值。1220kV变电站直流配置方案及比拟1.13种配置方案a.方案1。全站配置2组直流蓄电池，出口采用熔断器。共配置2面直流馈线屏，二次设备室内布置2面220kV直流分电屏及1面110kV直流分电屏，就地布置2面220kV直流分电屏及1面110kV直流分电屏。低压侧开关柜采用直流小母线供电方式，不配置直流分电屏。每面直流分电屏设置2段直流母线，对于户外变电站，就地直流分电屏可以设置1段直流母线。根据DL/T50442014（电力工程直流电源系统设计技术规程）简称“规程，每段母线来历
4、自同一蓄电池组的2回直流电源供电。其中，二次设备室内的直流分电屏仅示意1段母线。b.方案2。全站配置2组直流蓄电池，出口采用熔断器。共配置2面直流馈线屏，二次设备室内布置2面220kV直流分电屏及2面110kV直流分电屏，取消就地直流分电屏。每面直流分电屏设置2段直流母线。同样，直流分电屏仅示意1段母线。c.方案3。全站配置2组直流蓄电池出口采用熔断器。共配置4面直流馈线屏，供全站直流负荷，取消直流分电屏。1.2优缺点分析方案1是变电站直流系统最常采用的方案。优点是分电屏靠近负荷区，可节约电缆，缺点是直流分电屏配置较多，工程造价高。同时，由于二次设备室内直流分电屏与直流馈线屏距离较近，在分电屏
5、出口处发生直流接地时，由于短路电流过大，容易造成直流馈线屏断路器越级跳闸。方案2与方案1相比减少了2面直流分电屏。但对于智能控制柜内的直流负荷来讲，每个间隔的直流电源均需要从二次设备室引接，造成二次电缆用量剧增。此外，对于方案1中的二、三级直流断路器越级跳闸问题，方案2仍同样存在，且后果愈加严重。方案3仅设置直流馈线屏，不设置直流分电屏。该方案将220kV变电站直流系统的4级级差配置方案简化为3级，可增大保护电器的上下级级差，便于实现级差配合。但是，此方案会导致直流馈线屏内接线复杂，一旦发生越级跳闸，将导致整组直流系统失电。并且，此种接线方式不知足（国家电网公司十八项电网重大反事故措施）及（国
6、家电网公司防止变电站全停十六项措施防止变电站全停十六项措施）中“66kV及以上应按电压等级设置分电屏供电方式的要求，不建议推广应用。2直流系统设计关键问题分析2.1二、三级直流断路器的级差配合这里主要指的是直流馈线屏断路器与二次设备室内直流分电屏断路器的级差配合问题。由于布置于同一个室内，直流馈线屏与直流分电屏间电缆较短，在分电屏出口处发生短路时，短路电流可能会到达上一级直流断路器瞬时动作区，造成越级跳闸。以某实际工程为例，分电屏出口处发生短路时，短路电流值为1223edLsLSUIrRRRR=+=3481A(1)式中：Ue为直流系统额定电压，取220V；r为蓄电池内阻，取29.016m；RL
7、1为直流蓄电池至直流充电屏的电缆内阻；Rs2为直流馈线屏直流断路器的内阻；RL2为直流馈线屏至分电屏的电缆内阻；Rs3为直流分电屏直流断路器的内阻。直流馈线屏断路器如选用三段式，瞬时脱扣电流为1820%In。此时，若实现级差配合，断路器额定电流应为250A以上，不仅断路器本身安装尺寸过大，占用较多直流馈线屏屏面空间，更在于对上级蓄电池出口熔断器的选型将造成一定的困难。根据规程要求，熔断器额定电流应为直流馈线屏断路器最大额定电流的2倍。为保证选择性，工程中一般按3倍额定电流选择，此时蓄电池出口熔断器额定电流将到达750A以上，不仅提高了工程造价，同时也降低了保护电器的灵敏性。二、三级直流断路器的
8、级差配合问题广泛存在于已投运的变电站内，具有较大的潜在运行风险。针对此种问题，仅靠设备选型极难消除，需对原有直流系统网络进行优化。通过取消二次设备室内直流分电屏，将室内直流负荷统一改由直流馈线屏供电，可从根本上避免了二、三级直流断路器的越级误动的可能。对于就地直流分电屏，出口处直流短路电流一般在1500A以内，选择额定电流为100A三段式直流断路器即可实现级差配合。2.2三、四级微型直流断路器的级差配合当前变电站内三、四级保护电器一般均采用二段式微型直流断路器。在末级直流系统故障时，容易造成三、四级直流断路器均进入瞬时动作区，造成越级跳闸。一般情况下，第三级直流断路器如采用三段式，能够较容易实
9、现三、四级直流断路器的级差配合，即瞬时脱扣电流1820%In躲过下级出口短路电流即可。但实际上，由于受采购方式的限制，设计单位不能对此提出要求。此外，二次屏柜上的直流空开由各设备厂家提供，类型繁多，在配合上存在多种方案，具有一定的不确定性，不能仅仅通过级差进行选择。对于三、四级直流断路器的级差配合问题，笔者以为，国内大部分文献都集中研究了三、四级直流断路器怎样实现级差配合，而未研究级差配合的必要性问题。举例来讲，对于户外布置的220kV智能控制柜，柜内的二次设备主要为双重化配置的合并单元及智能终端。对应于同一套保护装置的合并单元、智能终端由同一直流电源供电，柜内通过不同微型直流断路器引接。该合
10、并单元与智能终端在功能上属于关联型设备，及任何一台设备失电，均会对另一台设备的正常运行造成影响。此时，实现三、四级断路器级差配合的必要性就不大了，上级微型直流断路器可不按躲过下级断路器出口处短路电流整定，上下级直流微型断路器保证4级级差即可。然而，对于非关联型负荷来讲，则必须保证上下级直流断路器的动作选择性。如110kV线路保护屏，屏内设备为单间隔的线路保护测控装置及经过层交换机。当经过层交换机的直流分支回路发生故障时，不应该造成线路保护测控装置的直流回路失电。当2个110kV线路间隔共同组屏时更应保证动作选择性，单间隔内的直流故障不应扩大至其它间隔。基于以上分析，对于三、四级微型直流断路器的
11、级差配合问题，应该根据实际的组屏方案进行分析。如屏柜内二次设备为非关联型负荷，则必须保证上下级直流断路器的动作选择性；如为关联型负荷，则能够在一定程度上放宽要求，仅根据上下级直流断路器保证一定的级差进行配置。为保证三、四级直流断路器的级差配合，在工程允许的情况下，上级直流断路器可根据三段式配置，可以配置为塑壳直流断路器。3直流系统优化配置方案综合以上的分析，针对变电站不同布置方式，提出2种直流系统典型配置方案。3.1总体方案介绍a.取消二次设备室内的直流分电屏，直流负荷改由馈线屏直接供电。b.设置就地直流分电屏，其中220kV就地分电屏2面，110kV就地分电屏1面。c.如为户外变电站，就地直
12、流分电屏设置1段直流母线；如为户内或半户内变电站，就地直流分电屏设置2段直流母线。d.结合二次设备的组屏方案，判定屏内二次设备能否为关联型负荷。如是，则上一级应采用三段式直流断路器，并优先选用电磁式。3.2户内半户内变电站直流系统配置方案对于户内半户内变电站，由于各间隔的保护、测控装置及经过层交换机均下放布置于智能控制柜内，二次设备室内的二次负荷较户外变电站大幅减少。以某一实际工程为例，若取消室内直流分电屏，每组直流馈线屏需要配置32A或20A、25A微型直流断路器27个，63A微型直流断路器5个，100A塑壳直流断路器12个。二次设备室内的直流负荷主要为站控层设备及主变压器保护、测控装置。对
13、于站控层设备，同一屏内采用同一组直流母线电源的二次设备属于关联型设备，上级直流断路器可采用二段式。对于主变压器保护柜，屏内设备包括主变压器保护、测控装置及经过层交换机。屏内任何二次设备失电均不应该影响主变压器保护装置，因而属于非关联型设备，上级直流断路器应采用三段式。如以GM系列直流断路器产品进行屏面布置，可采用GM32系列二段式微型直流断路器24个，GM5FB系列电磁三段式直流断路器12个，GM5FB-250系列三段式塑壳直流断路器12个。直流馈线屏仅需1面。对于就地直流分电屏，由于间隔层设备下放，每面直流分电屏需配置2段直流母线。保护、测控装置及经过层交换机电源取自其中一段母线，合并单元、
14、智能终端取自另一段母线。其中，保护、测控装置及经过层交换机属于非关联型设备，上级应配置三段式直流断路器，合并单元、智能终端属于关联型设备，可配置二段式直流断路器。3.3户外变电站的直流系统配置方案对于户外变电站，间隔层设备集中于综合保护室内，此时，每组直流馈线屏需32A或20A、25A微型直流断路器50个，63A微型断路器5个，100A塑壳直流断路器10个。此时，每组直流蓄电池需配置2面馈线屏，共配置4面。对于就地直流分电屏，每个分电屏内仅需设置一段母线。智能控制柜内合并单元、智能终端属于关联型设备，上级可配置二段式直流断路器。3.4工程造价分析对以上所介绍的3种直流系统网络设计方案及2种配置
15、方案的终期投资进行估算及经济比拟。由于直流系统配置复杂，元件诸多，对于直流蓄电池、直流充电机、DC/DC、UPS等装置在表中并未列出。本节所介绍的2种方案并未增加直流系统投资，户内/半户内方案较方案1投资还有明显减少，节约了7.7万元。经技术经济比拟，本节所介绍的2种变电站直流系统典型设计方案具有明显的工程应用价值。针对当前220kV变电站直流系统中存在的级差配合潜在问题进行深化分析，提出了直流系统网络的优化设计方案。通过技术经济比拟，验证了所提方案具有较高的工程应用价值。此外，从设计角度出发，直流系统还需额外注意下面几点。a.低压电力电缆截面应根据载流量及允许压降进行合理选择，避免以大带小。b.如使用电子三段式直流断路器，短延时时限应自下至上应逐级增加，建议三级取10ms，二级取30ms。c.对于末级微型直流断路器的选择，在同一工程中应尽量减少种类，并优先选用成熟产品。