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【摘 要】针对电力直流系统设计过程中保护元件如何正确选型及上下级之间选 择性保护的配合校验问题，开发了一种直流电源系统保护元件级差配合校核软件，实现了对变电站/电厂直流系统线路配置设计、保护元件选型、灵敏度和选择性校 验等功能.该软件不仅能够对已有的直流电源系统进行分析，同时也能够对新站的建设起到辅助设计作用，是直流系统设计人员得力的辅助设计工具
【关键词】直流级差;依据标准;保护回路;级差配合
一、直流级差保护元件
直流电源系统中保护元件级差配合是否合理，主要是指在短路情况下，串联在同一个支路的保护元件是否能选择性地将短路故障快速＼准确地从系统中切除，确保将故障缩小到最小范围。断路器的短路保护脱扣器动作与否，与流经断路器的短路电流大小有密切的关系，一旦在断路器的脱扣线圈中产生足以使铁心动作的磁场，断路器动作将不可返回。因此，要保证直流系统中保护元件的级差配合满足要求，首先，必须明确直流电源系统相关各点的短路电流值，保证断路器短路故障时既不拒动，也不误动，更不能越级。直流电源系统短路电流的计算所涉及的相关参数复杂，不确定因素诸多，尤其是各个断路器厂家断路器的限流系数提供的不完全，导致目前各设计院、成套厂或运行单位均难以精确计算出各有关短路点的实际短路电流值，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。
二、当前依据标准
开发直流电源系统保护元件级差配合测试验装置，主要依据的标准为：
（1）GB14048.1—2006《低压开关设备和控制设备总则》;
（2）GB14048.2—2008《低压开关设备和控制设备断路器》;
（3）GB10963.1—2005《家用及类似场所用过电流保护断路器第1部分：用于交流的断路器》;（4）GB10963.2—2008《家用及类似场所用过电流保护断路器第2部分：用于交流和直流的断路器》;
（5）DL/T5044—2004《电力工程直流系统设计技术规程》。
断路器的选择性保护直流电源系统保护电器的级差系同一回路、同一系列保护电器上下级额定电流的等级之差。首先应明确所用保护电器的型式（熔断器或断路器等），其次是该型式系列产品的型号和额定电流的规格。如果下级负载发生短路故障时，下级的断路器瞬动，而此故障电流也要流经上一级线路。如果上一级断路器无短路短延时，则下级发生故障的瞬间，会与下级断路器一起跳闸;如果上一级断路器具有短路短延时功能，当下级断路器跳闸时，在下级断路器分断动作时间内，上级断路器保持不动作，这种配合称为选择性保护。级差配合校验系统就是校验变电站直流电源系统上下级断路器的配合关系，判断其是否有选择性。为了适应新颁DL/T5044-2003《电力工程直流设计技术规程》（以下简称设计规程）有关规定，验证变电站直流系统中断路器和熔断器几种典型的级差配置方案是否满足选择性保护的要求，探索直流断路器之间的级差配合、直流断路器与熔断器的配合及其上下级之间的选择配置，选择了石家庄供电公司所辖变电站直流系统中部分直流断路器、熔断器的典型保护级差配合方案进行了现场试验，并对具备延时功能的三段式直流断路器也进行了试验验证，确认了实现选择性保护的配合条件。
三、直流断路器的动作特性
断路器的动作特性断路器俗称空气开关，主要于电路发生过载和短路等情况时自动分断电路，是低压交直流配电系统的重要保护元件，具有过载反时限动作断开和短路快速切除的保护功能。断路器主要技术参数包括分断能力、限流能力、使用寿命和动作特性，其中动作特性最为重要。根据动作特性，断路器一般可分为两段保护型与三段保护型。两段保护型断路器的动作特性曲线由过载长延时段和短路瞬时保护段组成。
四、保护回路 级差配合存在的主要问题
由于变电站直流系统供电内容多，回路分布广，在一个直流网络中往往有许多支路需要设置断路器或熔断器进行保护，并往往分成三级或四级串联，这就存在着正确选择保护方案和保护上下级之间的配合问题。
1、交直流断路器混用
由于交、直流的燃弧及熄弧过程不同，额定值相同的交直流断路器开断直流电源的能力并不完全一样，用交流断路器代替直流断路器或交、直流断路器混用是保护越级误动的主要原因之一。断路器瞬时动作采用磁脱扣原理，判据为通过的电流峰值，断路器标定的额定值为有效值，而交流电的峰值高于有效值，在相同定值下，在直流回路中交流断路器实际额定值高于直流断路器。另外，因交流断路器与直流断路器灭弧原理不同，交流断路器用于直流回路不能有效、可靠地熄灭直流电弧，容易造成上级越级动作。
2 断路器质量及参数问题
不同厂家提供的断路器技术数据是在产品型式试验时得到的，且校验熔断器的分断能力是在交流电源周期分量有效值下做的，熔体动作选择配合特性曲线也是交流安秒特性曲线。这与变电站直流系统发生短路故障时的实际情况有一定差距。各断路器厂家及设计手册提供的级差配合是按同一型号、同熔体材料确定上、下级差，从而保证满足选择性的，当回路中有不同类型的断路器时，断路器之间的级差配合更应引起高度重视。同时，由于目前低压电器生产厂家较多，不能完全保证产品质量，所以即使同一厂家、同一型号的熔体，其参数也有一定的分散性。
3 上、下级间的额定值级差选择不当
断路器采用热效应原理，而断路器是磁效应与热效应相结合，安秒特性曲线不同，配合级差也不同。对于断路器之间、断路器与熔断器之间的级差配合不应照搬熔断器间的配合规定。
五、直流系統级差保护方案的建议
5.1熔断器与熔断器配合
应选用正规生产厂家同厂、同型号的产品，可方便地用于对变电站原有熔断器的统一更换工作。但对于新建站，由于熔断器均为设备自带，难以保证同厂、同型号，特别是难以保证设计规范要求的？？ 各熔件材料相同？？的要求，因此，不同厂家、型号的熔断器配合，应加大级差。
5.2熔断器与断路器（两段式）间及同型两段式断路器间的配合除应按设计规程执行外，还应核定最大短路电流不应超过上级元件额定电流的8～ 10 倍。
5.3 不同型号断路器的配合
应考虑断路器的固有动作时间，必须保证上级断路器固有动作时间不小于下级固有动作时间。推荐采用上级塑壳式断路器、下级微型断路器的配合。
5.4 三段式断路器
采用三段式断路器可以实现小级差配合，而且不必考虑短路电流的影响，能够适应设计规程关于直流分电屏设计方案中多级配合的要求。
参考文献：
[1]李书元，张明河.直流空气开关级差配合与安秒特性试验研究[J].山东电力技术，2013（05）：56-59.
[2]王斌.桐柏电厂直流系统空开级差配合的分析[J].水电站机电技术，2015，38（11）：17-20.
[3]夏明圣.直流系统保护电器级差配合试验的应用与优化[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2017，22（01）：29-37
（作者单位：国网山西省电力公司检修分公司）
【关键词】直流级差;依据标准;保护回路;级差配合
一、直流级差保护元件
直流电源系统中保护元件级差配合是否合理，主要是指在短路情况下，串联在同一个支路的保护元件是否能选择性地将短路故障快速＼准确地从系统中切除，确保将故障缩小到最小范围。断路器的短路保护脱扣器动作与否，与流经断路器的短路电流大小有密切的关系，一旦在断路器的脱扣线圈中产生足以使铁心动作的磁场，断路器动作将不可返回。因此，要保证直流系统中保护元件的级差配合满足要求，首先，必须明确直流电源系统相关各点的短路电流值，保证断路器短路故障时既不拒动，也不误动，更不能越级。直流电源系统短路电流的计算所涉及的相关参数复杂，不确定因素诸多，尤其是各个断路器厂家断路器的限流系数提供的不完全，导致目前各设计院、成套厂或运行单位均难以精确计算出各有关短路点的实际短路电流值，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。
二、当前依据标准
开发直流电源系统保护元件级差配合测试验装置，主要依据的标准为：
（1）GB14048.1—2006《低压开关设备和控制设备总则》;
（2）GB14048.2—2008《低压开关设备和控制设备断路器》;
（3）GB10963.1—2005《家用及类似场所用过电流保护断路器第1部分：用于交流的断路器》;（4）GB10963.2—2008《家用及类似场所用过电流保护断路器第2部分：用于交流和直流的断路器》;
（5）DL/T5044—2004《电力工程直流系统设计技术规程》。
断路器的选择性保护直流电源系统保护电器的级差系同一回路、同一系列保护电器上下级额定电流的等级之差。首先应明确所用保护电器的型式（熔断器或断路器等），其次是该型式系列产品的型号和额定电流的规格。如果下级负载发生短路故障时，下级的断路器瞬动，而此故障电流也要流经上一级线路。如果上一级断路器无短路短延时，则下级发生故障的瞬间，会与下级断路器一起跳闸;如果上一级断路器具有短路短延时功能，当下级断路器跳闸时，在下级断路器分断动作时间内，上级断路器保持不动作，这种配合称为选择性保护。级差配合校验系统就是校验变电站直流电源系统上下级断路器的配合关系，判断其是否有选择性。为了适应新颁DL/T5044-2003《电力工程直流设计技术规程》（以下简称设计规程）有关规定，验证变电站直流系统中断路器和熔断器几种典型的级差配置方案是否满足选择性保护的要求，探索直流断路器之间的级差配合、直流断路器与熔断器的配合及其上下级之间的选择配置，选择了石家庄供电公司所辖变电站直流系统中部分直流断路器、熔断器的典型保护级差配合方案进行了现场试验，并对具备延时功能的三段式直流断路器也进行了试验验证，确认了实现选择性保护的配合条件。
三、直流断路器的动作特性
断路器的动作特性断路器俗称空气开关，主要于电路发生过载和短路等情况时自动分断电路，是低压交直流配电系统的重要保护元件，具有过载反时限动作断开和短路快速切除的保护功能。断路器主要技术参数包括分断能力、限流能力、使用寿命和动作特性，其中动作特性最为重要。根据动作特性，断路器一般可分为两段保护型与三段保护型。两段保护型断路器的动作特性曲线由过载长延时段和短路瞬时保护段组成。
四、保护回路 级差配合存在的主要问题
由于变电站直流系统供电内容多，回路分布广，在一个直流网络中往往有许多支路需要设置断路器或熔断器进行保护，并往往分成三级或四级串联，这就存在着正确选择保护方案和保护上下级之间的配合问题。
1、交直流断路器混用
由于交、直流的燃弧及熄弧过程不同，额定值相同的交直流断路器开断直流电源的能力并不完全一样，用交流断路器代替直流断路器或交、直流断路器混用是保护越级误动的主要原因之一。断路器瞬时动作采用磁脱扣原理，判据为通过的电流峰值，断路器标定的额定值为有效值，而交流电的峰值高于有效值，在相同定值下，在直流回路中交流断路器实际额定值高于直流断路器。另外，因交流断路器与直流断路器灭弧原理不同，交流断路器用于直流回路不能有效、可靠地熄灭直流电弧，容易造成上级越级动作。
2 断路器质量及参数问题
不同厂家提供的断路器技术数据是在产品型式试验时得到的，且校验熔断器的分断能力是在交流电源周期分量有效值下做的，熔体动作选择配合特性曲线也是交流安秒特性曲线。这与变电站直流系统发生短路故障时的实际情况有一定差距。各断路器厂家及设计手册提供的级差配合是按同一型号、同熔体材料确定上、下级差，从而保证满足选择性的，当回路中有不同类型的断路器时，断路器之间的级差配合更应引起高度重视。同时，由于目前低压电器生产厂家较多，不能完全保证产品质量，所以即使同一厂家、同一型号的熔体，其参数也有一定的分散性。
3 上、下级间的额定值级差选择不当
断路器采用热效应原理，而断路器是磁效应与热效应相结合，安秒特性曲线不同，配合级差也不同。对于断路器之间、断路器与熔断器之间的级差配合不应照搬熔断器间的配合规定。
五、直流系統级差保护方案的建议
5.1熔断器与熔断器配合
应选用正规生产厂家同厂、同型号的产品，可方便地用于对变电站原有熔断器的统一更换工作。但对于新建站，由于熔断器均为设备自带，难以保证同厂、同型号，特别是难以保证设计规范要求的？？ 各熔件材料相同？？的要求，因此，不同厂家、型号的熔断器配合，应加大级差。
5.2熔断器与断路器（两段式）间及同型两段式断路器间的配合除应按设计规程执行外，还应核定最大短路电流不应超过上级元件额定电流的8～ 10 倍。
5.3 不同型号断路器的配合
应考虑断路器的固有动作时间，必须保证上级断路器固有动作时间不小于下级固有动作时间。推荐采用上级塑壳式断路器、下级微型断路器的配合。
5.4 三段式断路器
采用三段式断路器可以实现小级差配合，而且不必考虑短路电流的影响，能够适应设计规程关于直流分电屏设计方案中多级配合的要求。
参考文献：
[1]李书元，张明河.直流空气开关级差配合与安秒特性试验研究[J].山东电力技术，2013（05）：56-59.
[2]王斌.桐柏电厂直流系统空开级差配合的分析[J].水电站机电技术，2015，38（11）：17-20.
[3]夏明圣.直流系统保护电器级差配合试验的应用与优化[J].安徽电气工程职业技术学院学报，2017，22（01）：29-37
（作者单位：国网山西省电力公司检修分公司）