論小型直流斷路器的選擇性保護(hù)

論小型直流斷路器的選擇性保護(hù)
北京人民電器廠有限公司 南寅 趙志群 張自峰
2009-4-11
摘要：本文介紹一種二段式保護(hù)小型直流斷路器，它分別具有極高的限流特性和延遲
動作特性，這二種特性在電力直流電源系統(tǒng)中有機(jī)的配合使用，可實現(xiàn)一只饋電屏斷路器
對多只測控保護(hù)屏斷路器的配合而且具有選擇性保護(hù)，有著很高的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)價值。
關(guān)鍵詞：選擇性 級差配合 限流特性 動作時間 小型直流斷路器
0 前言
小型直流斷路器具有安裝維護(hù)方便、操作靈活、穩(wěn)定性高等特點，在電力直流系統(tǒng)中
應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。它擔(dān)負(fù)著繼電保護(hù)、自動裝置、控制操作回路在產(chǎn)生故障電流時的保
護(hù)作用。
變電站直流系統(tǒng)采用放射形、放射形與環(huán)形混合及環(huán)形等多種供電方式，保護(hù)電器（直
流空氣開關(guān)）一般為三級或四級串聯(lián)使用。變電站典型三級串聯(lián)系統(tǒng)如下：第一級為蓄電
池出口斷路器或熔斷器，第二級為動力母線和控制母線饋出斷路器，第三級為測控保護(hù)屏
斷路器或高壓斷路器操作回路斷路器。四級級差系統(tǒng)的第三級為分電屏斷路器，第四級為
測控保護(hù)屏斷路器或高壓斷路器操作回路斷路器，第一、二級保護(hù)電器同三級級差系統(tǒng)。
直流斷路器上下級之間的選型正確與否以及是否把直流電源的故障電流限制在最小范
圍內(nèi)，關(guān)系到電力系統(tǒng)運行的安全，對防止系統(tǒng)破壞、事故擴(kuò)大和設(shè)備損壞極為重要。本
文就變電站三級級差系統(tǒng)和四級級差系統(tǒng)利用二段式小型直流斷路器的高限流特性和延遲
動作特性，來解決現(xiàn)實存在的系統(tǒng)級差配合問題和接線復(fù)雜問題，并為用戶提供既經(jīng)濟(jì)又
可靠的直流電源系統(tǒng)保護(hù)電器配置方案。
1 存在的各種問題
在直流系統(tǒng)中，因各地供電局對各變電站蓄電池容量的選取、直流屏及測控保護(hù)屏供
電方式、連接方式和保護(hù)重要度等技術(shù)要求不同，其分布位置就相應(yīng)不同，導(dǎo)致導(dǎo)線、導(dǎo)
體選取的截面積、長度都不一樣，這些因素的差異，都會使回路電阻值產(chǎn)生變化，電阻值
1的變化使短路電流值也隨之產(chǎn)生變化，致使每個站的短路電流都不一樣。所以，變電站直
流系統(tǒng)的斷路器級差配合方案設(shè)計，由于上述因素的變化太大，一直沒有很好的辦法解決。
我們調(diào)查了一些區(qū)域的變電站：饋電屏直流斷路器出線端所接導(dǎo)線為4mm2，此規(guī)格導(dǎo)
線允許長時間通過的電流要小于 25A。用戶為了擴(kuò)大與測保屏斷路器的選擇性范圍，把饋
電屏斷路器電流規(guī)格最大提高到 63A。這一定程度上能夠解決短路保護(hù)的選擇性問題，但
這又帶來了過載保護(hù)的非選擇性問題：開關(guān)規(guī)格和導(dǎo)線截面積不匹配。這時，當(dāng)導(dǎo)線出現(xiàn)
36A～70A電流時，饋電屏斷路器將不能行使對導(dǎo)線的過載保護(hù)，這就造成了導(dǎo)線長時間過
載運行，甚至?xí)?dǎo)致線路著火的嚴(yán)重事故。
為滿足級差配合的選擇性要求，實現(xiàn)上級斷路器不誤動，或者即使上級誤動，也不致
于造成事故擴(kuò)散，現(xiàn)在很多直流系統(tǒng)中饋電屏（或分電屏）上斷路器與測控保護(hù)屏上斷路
器采用一對一的供電方式，該方式導(dǎo)致的問題是：每對斷路器之間都有二條導(dǎo)線，饋電屏
（或分電屏）與測控保護(hù)屏之間的距離小則十幾米，多則上百米，這又多又長的導(dǎo)線捆在
一起，經(jīng)過多年的運行使用會產(chǎn)生復(fù)雜而又混亂問題，如：導(dǎo)線與斷路器連接松動；導(dǎo)線
的絕緣下降；意外的損傷、咬傷；交織在一起的導(dǎo)線隱藏著多路相互短路或電弧放電著火
等危害，將會導(dǎo)致測控保護(hù)屏全面失電的重大隱患。
還有一種存在隱患的直流系統(tǒng)保護(hù)電器的配置方式是：為了跟上級饋電屏或分電屏上
的C型脫扣器特性、16～32A的直流小型斷路器實現(xiàn)選擇性保護(hù)，而在測控保護(hù)屏選用B
型脫扣器特性、2A~6A 的直流小型斷路器，此種方式存在著誤動的可能。 標(biāo)準(zhǔn)
GB10963.2-2008《家用及類似場所用過電流保護(hù)斷路器第二部分：用于交流和直流的斷路
器》規(guī)定，B型脫扣器特性的短路瞬時動作范圍是4～7In。如果測控保護(hù)屏中某一回路選
用B2A微型斷路器，那么回路中電流只要大于8A，比如 8.5A，這個斷路器瞬時脫扣器就
有可能會動作（0.01s內(nèi)）。而安裝于測控保護(hù)屏中的各種裝置，因為功能不同，特性不同，
生產(chǎn)廠家不同，在啟機(jī)、運行過程中，都有可能產(chǎn)生足夠使B型特性斷路器誤動作的擾動
電流。因此，測控保護(hù)屏上的直流微型斷路器應(yīng)選用瞬動脫扣器倍數(shù)較大的C型脫扣器特
性（短路瞬時脫扣器動作范圍符合7～10In）。
同時，末端高壓斷路器操作箱中的小型直流斷路器，由于一直沒有相應(yīng)規(guī)范對其進(jìn)行
約束，導(dǎo)致此斷路器選型極不規(guī)范，甚至有的廠家配置的斷路器達(dá)到 32 或 40A，這給系
統(tǒng)帶來極大的安全隱患。
以上種種配置方案，均是由于末段測控保護(hù)屏或操作箱斷路器限流效果太差或額定電
2流值選得太大，導(dǎo)致上端斷路器不得已選得越來越大。因此末端測控保護(hù)屏或高壓斷路器
操作箱中小型斷路器要選用適合的額定電流值和提高的限流效果，這是必要而且急需的。
2 實現(xiàn)級差配合的條件
直流斷路器上下級能否實現(xiàn)級差配合，取決于回路中流過的短路電流值及上下級斷路
器的動作時間差。只有在回路中的短路電流值低于上級斷路器的瞬動值，或雖達(dá)到了上級
斷路器的瞬動值但下級斷路器先于上級分?jǐn)嗟那闆r下，才能實現(xiàn)斷路器間的級差配合。因
此，為實現(xiàn)級差配合，一個途徑是要實現(xiàn)上下級斷路器的動作時間差，另一個途徑是要降
低回路短路電流值，限流型小定值的直流斷路器對降低回路短路值有顯著作用，因此最末
級小型斷路器的限流性能又是整個直流系統(tǒng)實現(xiàn)選擇性配合的關(guān)鍵要素。
目前現(xiàn)場應(yīng)用的一般為 3 級限流的進(jìn)口或國產(chǎn)斷路器（現(xiàn)在市場上流通的二段式小型
斷路器全部為3級限流），存在著無選擇性配合的問題。主要原因是：測控屏保護(hù)屏及分電
屏（或饋電屏）所使用的這些 3 級限流小型斷路器限流能力差，尤其是測控保護(hù)屏上的
2A~6A斷路器限流能力差，不能有效降低回路短路電流，同時上下級同型斷路器動作時間
相同，在回路短路電流達(dá)到上級斷路器動作值時上下級同時動作形成誤動。
所以，最根本的措施一是要提高測控保護(hù)屏2A~6A斷路器的限流性能和分?jǐn)嗨俣?，?br/>要將分電屏和饋電屏上直流斷路器的短路瞬時脫扣器動作倍數(shù)閾值加大，使其延遲動作。
這樣，上、下級斷路器在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r，會有一個時間差，并使經(jīng)測控保護(hù)屏上2A~6A
斷路器限流分?jǐn)嘁院蟮亩搪冯娏鞒^上一級斷路器瞬時脫扣器動作閾值的維持時間不超過
0.6ms，這樣才能保證上級斷路器在直流電源系統(tǒng)中不誤動和不拒動。
3 具有良好級差配合特性的 GM5-63 系列小型直流斷路器
北京人民電器廠通過多年的試驗研究，開發(fā)出GM5-63C（L）快速限流型和 GM5-63C
（H）延遲動作型小型直流斷路器。GM5-63C（L）快速限流型斷路器具有極高的限流性能，
遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 3 級限流的技術(shù)指標(biāo)，并且，在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r，其分?jǐn)嗨俣瓤梢栽谏霞墧嗦?br/>器對短路電流做出反應(yīng)之前而將短路電流迅速分?jǐn)唷Ｅc之相配合的上級 GM5-63C（H）延
遲動作型小型直流斷路器，內(nèi)置北京人民電器廠獨家擁有的延遲動作脫扣器。通過
GM5-63C（L）和 GM5-63C（H）兩款斷路器的絕佳配合，能滿足直流系統(tǒng)對小型斷路器
3的限流和選擇性保護(hù)的要求。
GM5-63系列小型直流斷路器是由多種技術(shù)結(jié)合的一種新型產(chǎn)品：
一是根據(jù)眾所周知的小型斷路器限流特性：斷路器的反向斥力觸頭在通過大的短路電
流時，觸頭間產(chǎn)生電動斥力限制了短路電流，并且斷路器動作速度很快（短路電流越大脫
扣速度越快），觸頭迅速分?jǐn)?，使短路電流在上升中途，還沒有達(dá)到預(yù)期電流峰值之前而下
降，最終被完全熄滅。即斷路器在短路電流上升過程中，具有“截斷”電流的能力。GM5-63
C（L）系列小型斷路器采用北京人民電器廠自主知識產(chǎn)權(quán)的超級限流技術(shù)，在短路電流達(dá)
到2000A~4000A時，使限流系數(shù)達(dá)到 0.07~0.32。
以 GM5-63 C（L）型斷路器、6A規(guī)格為例。根據(jù)實際試驗數(shù)據(jù)（用戶可參考圖1），
預(yù)期短路電流達(dá)到3000A，而實際被限制的短路電流峰值僅為690A，限流系數(shù)為0.23；以
GM5-63C（L）型斷路器、4A規(guī)格為例。根據(jù)實際試驗數(shù)據(jù)（用戶可參考圖1），預(yù)期短路
電流為2000A，而實際被限制的短路電流峰值為480A，限流系數(shù)為0.24，限流效果非常明
顯。
圖1 GM5-63 C（L）、C（H）系列小型直流斷路器限流曲線
4圖2 GM5-63C（L）、C（H）系列小型直流斷路器能量限制曲線
二是級聯(lián)選擇性技術(shù)：GM5-63C（L）系列小型直流斷路器采用快速分?jǐn)嗉夹g(shù)，使用
一種新型機(jī)構(gòu)，使斷路器全分?jǐn)鄷r間被控制在 2ms 以內(nèi)，經(jīng)其分?jǐn)嘞蘖饕院蟮亩搪冯娏鞒?br/>過上一級斷路器瞬時脫扣器動作閾值的維持時間不超過0.6ms；GM5-63C（H）采用大行程
的瞬時脫扣器技術(shù)，使電流上升到其瞬動脫扣器動作閾值時間加上瞬時脫扣器的空行程總
時間控制在大于0.8ms。這種級聯(lián)技術(shù)在上、下級斷路器短路瞬時脫扣器之間存在著動作分

尊敬的用戶， 小型直流斷路器的選擇性保護(hù)是指在電力系統(tǒng)中，特別是在直流電路中，用于確保電流安全傳輸?shù)囊环N關(guān)鍵功能。它主要涉及到以下幾個方面： 1. **保護(hù)級別**：選擇性保護(hù)要求斷路器能夠區(qū)分不同故障類型，如短路、過載和欠壓等，并僅在必要時切斷故障電流，以防止設(shè)備損壞或火災(zāi)風(fēng)險。對于小型設(shè)備，這尤為重要，因為它可能沒有足夠的裕度來承受大電流沖擊。 2. **靈敏度**：好的選擇性保護(hù)需要有適當(dāng)?shù)撵`敏度，即對微小的電流變化或故障能快速響應(yīng)。這樣可以確保在發(fā)生小故障時能迅速隔離，避免故障擴(kuò)大。 3. **分段能力**：如果系統(tǒng)較大，可能需要多級保護(hù)。小型斷路器應(yīng)具備分段能力，即在一級保護(hù)失敗后，仍能通過后續(xù)級保護(hù)來切斷電源，保證系統(tǒng)的安全性。 4. **適應(yīng)性**：針對不同的應(yīng)用環(huán)境和負(fù)載類型，斷路器應(yīng)具備良好的適應(yīng)性，比如對于電動機(jī)負(fù)載，可能需要特殊的保護(hù)特性。 5. **智能功能**：現(xiàn)代直流斷路器可能還包含智能化元素，如自診斷、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，能實時評估并優(yōu)化保護(hù)性能。 因此，在選擇小型直流斷路器時，您需要考慮其技術(shù)規(guī)格、額定電流、保護(hù)特性以及與您的具體應(yīng)用是否匹配。如果您有任何關(guān)于特定型號或技術(shù)問題的疑問，歡迎隨時向我提問，我會盡力提供幫助。