變電站直流系統網絡設計及問題研究范文

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摘要：針對220kV變電站直流系統存在的保護電器級差配合問題，通過分析3種直流系統網絡設計方案，并重點研究二、三級直流斷路器及三、四級直流斷路器的級差整定配合，最后提出2種直流系統典型配置方案。

關鍵詞：直流系統；保護電器；直流斷路器；級差配合

0引言

變電站直流系統由蓄電池、充電機、監控裝置和保護電器組成。在電力系統中，直流系統為控制負荷和動力負荷供電，是繼電保護、自動裝置和斷路器等正確動作的基本保證。近幾年，國內連續發生了幾起由于變電站直流系統故障導致的電網故障擴大事故，如2014年甘肅嘉峪關330kV變電站110kV系統全停事故及2016年陜西南郊330kV變電站主變壓器燒毀事故。直流系統對于變電站穩定運行的重要性越來越受到關注。從工程設計角度出發，如何實現直流保護電器的級差配合，確保不發生由于越級跳閘造成的直流停電范圍擴大事故，是一切問題中最突出也是最難解決的問題。決定直流系統運行安全性和可靠性的不僅在于某一個元件的性能，更在于全部元件的協同配合，這就與變電站直流系統的網絡結構密切相關。縱觀國內文獻[1-5]，大量研究均集中于如何利用短路電流進行上下級直流斷路器選型，而從網絡優化方面提升直流系統可靠性的研究基本沒有。以下在充分調研變電站直流系統配置現狀基礎上，分析研究了變電站內實際大量存在的級差配合問題，提出了二、三級直流斷路器及三、四級直流斷路器之間的優化解決方案。最終提出了2種直流系統典型配置方案，分別適用于戶內/半戶內及戶外變電站。經技術經濟比較，具有極高的推廣價值。

1220kV變電站直流配置方案及比較

1.13種配置方案

a.方案1。全站配置2組直流蓄電池，出口采用熔斷器。共配置2面直流饋線屏，二次設備室內布置2面220kV直流分電屏及1面110kV直流分電屏，就地布置2面220kV直流分電屏及1面110kV直流分電屏。低壓側開關柜采用直流小母線供電方式，不配置直流分電屏。每面直流分電屏設置2段直流母線，對于戶外變電站，就地直流分電屏也可設置1段直流母線。根據DL/T5044—2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》（簡稱“規程”），每段母線由來自同一蓄電池組的2回直流電源供電。其中，二次設備室內的直流分電屏僅示意1段母線。b.方案2。全站配置2組直流蓄電池，出口采用熔斷器。共配置2面直流饋線屏，二次設備室內布置2面220kV直流分電屏及2面110kV直流分電屏，取消就地直流分電屏。每面直流分電屏設置2段直流母線。同樣，直流分電屏僅示意1段母線。c.方案3。全站配置2組直流蓄電池出口采用熔斷器。共配置4面直流饋線屏，供全站直流負荷，取消直流分電屏。

1.2優缺點分析

方案1是變電站直流系統最常采用的方案。優點是分電屏靠近負荷區，可節約電纜，缺點是直流分電屏配置較多，工程造價高。同時，由于二次設備室內直流分電屏與直流饋線屏距離較近，在分電屏出口處發生直流接地時，由于短路電流過大，容易造成直流饋線屏斷路器越級跳閘。方案2與方案1相比減少了2面直流分電屏。但對于智能控制柜內的直流負荷來說，每個間隔的直流電源均需要從二次設備室引接，造成二次電纜用量劇增。此外，對于方案1中的二、三級直流斷路器越級跳閘問題，方案2仍同樣存在，且后果更加嚴重。方案3僅設置直流饋線屏，不設置直流分電屏。該方案將220kV變電站直流系統的4級級差配置方案簡化為3級，可增大保護電器的上下級級差，便于實現級差配合。但是，此方案會導致直流饋線屏內接線復雜，一旦發生越級跳閘，將導致整組直流系統失電。并且，此種接線方式不滿足《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》及《國家電網公司防止變電站全停十六項措施防止變電站全停十六項措施》中“66kV及以上應按電壓等級設置分電屏供電方式”的要求，不建議推廣應用。

2直流系統設計關鍵問題分析

2.1二、三級直流斷路器的級差配合

這里主要指的是直流饋線屏斷路器與二次設備室內直流分電屏斷路器的級差配合問題。由于布置于同一個室內，直流饋線屏與直流分電屏間電纜較短，在分電屏出口處發生短路時，短路電流可能會達到上一級直流斷路器瞬時動作區，造成越級跳閘。以某實際工程為例，分電屏出口處發生短路時，短路電流值為1223edLsLSUIrRRRR=++++=3481A(1)式中：Ue為直流系統額定電壓，取220V；r為蓄電池內阻，取29.016mΩ；RL1為直流蓄電池至直流充電屏的電纜內阻；Rs2為直流饋線屏直流斷路器的內阻；RL2為直流饋線屏至分電屏的電纜內阻；Rs3為直流分電屏直流斷路器的內阻。直流饋線屏斷路器如選用三段式，瞬時脫扣電流為（18±20%）In。此時，若實現級差配合，斷路器額定電流應為250A以上，不僅斷路器本身安裝尺寸過大，占用較多直流饋線屏屏面空間，更在于對上級蓄電池出口熔斷器的選型將造成一定的困難。根據規程要求，熔斷器額定電流應為直流饋線屏斷路器最大額定電流的2～3倍。為保證選擇性，工程中一般按3倍額定電流選擇，此時蓄電池出口熔斷器額定電流將達到750A以上，不僅提高了工程造價，同時也降低了保護電器的靈敏性。二、三級直流斷路器的級差配合問題廣泛存在于已投運的變電站內，具有較大的潛在運行風險。針對此種問題，僅靠設備選型極難消除，需對原有直流系統網絡進行優化。通過取消二次設備室內直流分電屏，將室內直流負荷統一改由直流饋線屏供電，可從根本上避免了二、三級直流斷路器的越級誤動的可能。對于就地直流分電屏，出口處直流短路電流一般在1500A以內，選擇額定電流為100A三段式直流斷路器即可實現級差配合。

2.2三、四級微型直流斷路器的級差配合

當前變電站內三、四級保護電器一般均采用二段式微型直流斷路器。在末級直流系統故障時，容易造成三、四級直流斷路器均進入瞬時動作區，造成越級跳閘。一般情況下，第三級直流斷路器如采用三段式，可以較容易實現三、四級直流斷路器的級差配合，即瞬時脫扣電流（18±20%）In躲過下級出口短路電流即可。但實際上，由于受采購方式的限制，設計單位不能對此提出要求。此外，二次屏柜上的直流空開由各設備廠家提供，類型繁多，在配合上存在多種方案，具有一定的不確定性，不能僅僅通過級差進行選擇。對于三、四級直流斷路器的級差配合問題，筆者認為，國內大部分文獻都集中研究了三、四級直流斷路器如何實現級差配合，而未研究級差配合的必要性問題。舉例來說，對于戶外布置的220kV智能控制柜，柜內的二次設備主要為雙重化配置的合并單元及智能終端。對應于同一套保護裝置的合并單元、智能終端由同一直流電源供電，柜內通過不同微型直流斷路器引接。該合并單元與智能終端在功能上屬于關聯型設備，及任何一臺設備失電，均會對另一臺設備的正常運行造成影響。此時，實現三、四級斷路器級差配合的必要性就不大了，上級微型直流斷路器可不按躲過下級斷路器出口處短路電流整定，上下級直流微型斷路器保證4級級差即可。然而，對于非關聯型負荷來說，則必須保證上下級直流斷路器的動作選擇性。如110kV線路保護屏，屏內設備為單間隔的線路保護測控裝置及過程層交換機。當過程層交換機的直流分支回路發生故障時，不應該造成線路保護測控裝置的直流回路失電。當2個110kV線路間隔共同組屏時更應保證動作選擇性，單間隔內的直流故障不應擴大至其它間隔。基于以上分析，對于三、四級微型直流斷路器的級差配合問題，應該根據實際的組屏方案進行分析。如屏柜內二次設備為非關聯型負荷，則必須保證上下級直流斷路器的動作選擇性；如為關聯型負荷，則可以在一定程度上放寬要求，僅按照上下級直流斷路器保證一定的級差進行配置。為保證三、四級直流斷路器的級差配合，在工程允許的情況下，上級直流斷路器可按照三段式配置，也可配置為塑殼直流斷路器。

3直流系統優化配置方案

綜合以上的分析，針對變電站不同布置方式，提出2種直流系統典型配置方案。

3.1總體方案介紹

a.取消二次設備室內的直流分電屏，直流負荷改由饋線屏直接供電。b.設置就地直流分電屏，其中220kV就地分電屏2面，110kV就地分電屏1面。c.如為戶外變電站，就地直流分電屏設置1段直流母線；如為戶內或半戶內變電站，就地直流分電屏設置2段直流母線。d.結合二次設備的組屏方案，判斷屏內二次設備是否為關聯型負荷。如是，則上一級應采用三段式直流斷路器，并優先選用電磁式。

3.2戶內（半戶內）變電站直流系統配置方案

對于戶內（半戶內）變電站，由于各間隔的保護、測控裝置及過程層交換機均下放布置于智能控制柜內，二次設備室內的二次負荷較戶外變電站大幅減少。以某一實際工程為例，若取消室內直流分電屏，每組直流饋線屏需要配置32A（或20A、25A）微型直流斷路器27個，63A微型直流斷路器5個，100A塑殼直流斷路器12個。二次設備室內的直流負荷主要為站控層設備及主變壓器保護、測控裝置。對于站控層設備，同一屏內采用同一組直流母線電源的二次設備屬于關聯型設備，上級直流斷路器可采用二段式。對于主變壓器保護柜，屏內設備包括主變壓器保護、測控裝置及過程層交換機。屏內任何二次設備失電均不應該影響主變壓器保護裝置，因此屬于非關聯型設備，上級直流斷路器應采用三段式。如以GM系列直流斷路器產品進行屏面布置，可采用GM32系列二段式微型直流斷路器24個，GM5FB系列電磁三段式直流斷路器12個，GM5FB-250系列三段式塑殼直流斷路器12個。直流饋線屏僅需1面。對于就地直流分電屏，由于間隔層設備下放，每面直流分電屏需配置2段直流母線。保護、測控裝置及過程層交換機電源取自其中一段母線，合并單元、智能終端取自另一段母線。其中，保護、測控裝置及過程層交換機屬于非關聯型設備，上級應配置三段式直流斷路器，合并單元、智能終端屬于關聯型設備，可配置二段式直流斷路器。

3.3戶外變電站的直流系統配置方案

對于戶外變電站，間隔層設備集中于綜合保護室內，此時，每組直流饋線屏需32A（或20A、25A）微型直流斷路器50個，63A微型斷路器5個，100A塑殼直流斷路器10個。此時，每組直流蓄電池需配置2面饋線屏，共配置4面。對于就地直流分電屏，每個分電屏內僅需設置一段母線。智能控制柜內合并單元、智能終端屬于關聯型設備，上級可配置二段式直流斷路器。

3.4工程造價分析

對以上所介紹的3種直流系統網絡設計方案及2種配置方案的終期投資進行估算及經濟比較。由于直流系統配置復雜，元件眾多，對于直流蓄電池、直流充電機、DC/DC、UPS等裝置在表中并未列出。本節所介紹的2種方案并未增加直流系統投資，戶內/半戶內方案較方案1投資還有明顯減少，節約了7.7萬元。經技術經濟比較，本節所介紹的2種變電站直流系統典型設計方案具有明顯的工程應用價值。

4結論

針對當前220kV變電站直流系統中存在的級差配合潛在問題進行深入分析，提出了直流系統網絡的優化設計方案。通過技術經濟比較，驗證了所提方案具有較高的工程應用價值。此外，從設計角度出發，直流系統還需額外注意以下幾點。a.低壓電力電纜截面應根據載流量及允許壓降進行合理選擇，避免以大帶小。b.如使用電子三段式直流斷路器，短延時時限應自下至上應逐級增加，建議三級取10ms，二級取30ms。c.對于末級微型直流斷路器的選擇，在同一工程中應盡量減少種類，并優先選用成熟產品。

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作者:唐寶鋒 張驥 李亮玉 鄭紫堯 單位:國網河北省電力有限公司經濟技術研究院