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电力直流电源保护电器级差配合试验方法的研究作者：艾克拜尔·艾尼瓦尔来源：《数字化用户》2013年第14期【摘要】研究了保护电器级差配合试验的方法以及直流系统短路电流估算法，该研究是针对电力直流电源系统保护电器越级跳闸现象所开展的。
文章将保护电器特性仿真法与额定电流校核法进行了对比，对此提出选择性校验试验法。
直流电源保护电器级差配合装置就是根据短路电流预估算法研制的。
【关键词】直流系统短路电流级差配合试验装置保护电器直流电源系统能够供给人们日常生活、工作中所需的直流电源依靠的是电力工程的通信设备、自动装置、机电保护、断路器等设备，直流断路器以及熔断器在直流电源回路中作为主要的保护电器元件而被广泛使用，它所保护的是短路故障以及直流系统各个出线过流，总之，为了能够隔离或断开馈线回路供电网络，可应用直流断路器及熔断器。
是否能将系统的故障控制在最小范围内，与上下级保护选择性配合以及保护电器动作值整定和选型有着密切的关系。
供电网络中发生短路时，很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏，同时使网络内的电压大大降低，因而破坏了网络内用电设备的正常工作。
为了消除或减轻短路的后果，就需要计算短路电流，以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。
短路电流电力系统在运行中，相与相之间或相与地之间发生非正常连接时流过的电流。
其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。
一、校验直流电源保护电器（一）级差配合特性法在采用该方法之前应先建模，根据型号不同的直流保护电器所具有的特性开展建模，直流电源系统保护电器配置可采用仿真软件进行模拟，级差配合情况可根据对仿真结果的分析获得。
通过保护器件电流和延时时间的函数关系是对保护器件建模过程中必不可少的。
通过器件的电流与断路器保护时间之间的函数关系可采用软件函数进行拟合，还需要对多型号的直流断路器以及熔断器饿保护特性曲线进行查阅。
该方法虽然不适合现场试验，但确实具有了很强理论研究意义。
发电厂直流系统空气开关级差配合试验在现场的应用作者：孙严王彦来源：《理论与创新》2020年第20期【摘要】本文介绍了发电厂直流系统级差配合试验的常规试验方法及现场应用情况。
同时也针对不易停运的直流系统，介绍了一种将直流系统短路电流与空气开关安秒特性试验相结合的方法，用以验证直流系统空气开关级差是否合理。
【关键词】直流系统空气开关;级差配合试验;试验方法引言发电厂电力系统中直流系统为继电保护、仪表、通信、动力回路等提供电源，是电力系统的重要组成部分。
在直流系统回路中，直流空气开关是直流系统发生短路故障的重要保护元件，所以直流空气开关的选型以及直流空气开关上、下级级差配合是否满足选择性要求至关重要。
1.发电厂直流空气开关级差配置的现状发电厂电力系统中直流系统一般采用集中辐射形供电方式或分层辐射形供电方式。
直流系统空气开关级差配合一般分为以下几级。
级差第一级为蓄电池出口熔断器，第二级为直流馈线屏各路直流馈线空气开关。
如果采用分层辐射形供电方式，第三级为直流分电屏直流空气开关。
最末一级为负荷侧、用户侧直流空气开关。
各级空气开关配置应根据直流电源系统短路电流计算结果，保证具有可靠性、选择性、灵敏性和速动性。
2.发电厂直流系统空气开关级差配合试验2.1常规直流系统空气开关级差配合试验发电厂直流系统空气开关级差配合试验的常规方法，是根据电厂直流系统级差配合情况，选择不同规格型号的直流空气开关，在直流系统的最末级直流负荷空气开关的输出侧，用专用的试验仪器进行模拟金属性短路试验，并录制短路电流波形。
然后通过分析各短路点短路时，直流空气开关跳闸后的灭弧特性和上、下级各级开关级差配合是否合理，验证直流空气开关是否存在越级动作的情况。
2.2试验数据在某电厂升压站110V直流系统的不同规格直流负荷空气开关输出侧进行模拟金属性短路，验证各级直流空气开关的级差配合情况。
如下表。
试验结果表明，在直流负荷空气开关输出侧模拟短路试验过程中，下级直流空气开关直流空气开关均先于上一级空气开关动作，不存在越级跳闸的情况。
直流级差配合表表E3 GM型直流自动空气开关在250V时各级电流配合表（供参考）表E4 S260UC微型断路器间部分选择性配合（供参考）附录1熔断器－自动空气开关的特性配合当预期的短路电流较大、且超过自动空气开关的额定分断能力时，或系统短路电流过大没有可供选择的自动空气开关时，采用熔断器与自动空气开关的组合方式具有既经济又简单的优点。
1)熔断器安－秒特性曲线应位于自动空气开关脱扣器跳闸曲线上方，并保持足够的距离（见图E1）。
2)当系统短路电流超过自动空气开关的额定分断能力时，应使其曲线在稍小于自动空气开关额定分断能力的点上与自动空气开关瞬时短路脱扣器的跳闸曲线相交，以保证在较小短路电流时，自动空气开关跳闸，在较大的超过自动空气开关额定分断能力的短路电流情况下，由熔断器来分断。
3)熔断器的额定电流等级应高于自动空气开关的额定电流等级，以保证分断的选择性。
4)熔断器的熔断值，不得超过自动空气开关热过负荷脱扣器的最大的允许值。
图E1自动空气开关－熔断器级间配合说明图a ---熔断器特性曲线 b---自动空气开关特性曲线c---自动空气开关瞬时脱扣特性曲线d---自动空气开关的额定短路分断电流E.2自动空气开关的保护特性配合为保证自动空气开关之间的动作选择性，就必须要求自动空气开关的安秒特性能够安全合理地配合。
自动空气开关的安秒特性由热脱扣器和电磁脱扣器特性两部分组成，热脱扣器为一反时限特性，作为过负荷保护；电磁脱扣为一瞬动特性，即当电流超过给定值时，瞬时切断电源，作为短路保护（见图E2）。
a）在过负荷保护区内t1”>t2”I oth1/I oth2≥k c1式中：t1”、 t2”:分别为后前两级自动空气开关热脱扣器特性的下限时间和上限时间；I oth1、I oth2:分别为后前两级自动空气开关热脱扣器对同一时间的下限电流；k c1:两级自动空气开关的过负荷配合系数、与断路器的型式和性能有关，一般k c1≥2b）在短路保护区I ot1 /I ot2 ≥k c2式中：I ot1、I ot2分别为后前两级自动空气开关的瞬时脱扣电流；k c2:两级自动空气开关的瞬时脱扣配合系数，与断路器型式和性能有关，一般k c2 ≥1.5。
附件1 空开级差配合要求注：本内容参考《南方电网公司变电站直流电源系统技术规范》（2012年修订）1 直流电源系统支路直流熔断器和直流断路器级差配合原则如下：1.1 变电站所有直流负荷必须带直流保护电器。
根据工程具体情况，可采用直流熔断器，甚至熔断器和直流断路器混用，但应注意上下级之间的配合。
当直流断路器与熔断器配合时，应考虑动作特性的不同，对级差做适当调整。
直流断路器下一级不宜再接熔断器。
1.2 上、下级均为直流断路器的，额定电流宜按照4级及以上电流级差选择配合。
1.3 蓄电池出口为熔断器，下级为直流断路器的，宜按照2倍及以上额定电流选择级差配合。
1.4 变电站内设置直流保护电器的级数不宜超过4级。
1.5 500kV变电站当设置直流分电屏时，直流主馈电屏宜采用塑壳式直流断路器。
2 直流电源系统的直流断路器、熔断器典型配置方案推荐如下：2.1 300Ah蓄电池出口可采用额定电流315A的熔断器；500Ah 蓄电池出口可采用额定电流400A的熔断器；800Ah蓄电池出口可采用额定电流630A的熔断器。
2.2 60A充电装置总输出可采用额定电流80A的直流断路器；80A充电装置总输出可采用额定电流100A的直流断路器；120A 充电装置总输出可采用额定电流160A的直流断路器。
2.3 保护装置、测控装置、故障录波、PMU、安全自动装置等二次设备和断路器控制回路宜采用额定电流不大于6A直流断路器。
资料性附录附录1熔断器－自动空气开关的特性配合当预期的短路电流较大、且超过自动空气开关的额定分断能力时，或系统短路电流过大没有可供选择的自动空气开关时，采用熔断器与自动空气开关的组合方式具有既经济又简单的优点。
1)熔断器安－秒特性曲线应位于自动空气开关脱扣器跳闸曲线上方，并保持足够的距离（见图1）。
2)当系统短路电流超过自动空气开关的额定分断能力时，应使其曲线在稍小于自动空气开关额定分断能力的点上与自动空气开关瞬时短路脱扣器的跳闸曲线相交，以保证在较小短路电流时，自动空气开关跳闸，在较大的超过自动空气开关额定分断能力的短路电流情况下，由熔断器来分断。
直流系统级差配合前言随着我国电力工业的不断进步，电力系统向超高压、大容量方向发展，为这些大容量电力设备提供控制、保护、信号、操作电源，直流系统的安全、可靠、经济运行就必须提到一个新的高度。
正常运行时，直流系统为断路器提供合闸电源，为继电保护及自动装置、通讯等提供直流电源；故障时，特别是交流电源中断情况下，直流系统为继电保护及自动装置、断路器合跳闸、事故照明提供安全可靠的直流电源，是电力系统继电保护、自动装置和断路器正确动作的基本保证。
在直流回路中，熔断器、断路器是直流系统各出线过流和短路故障主要的保护元件，可作为馈线回路供电网络断开和隔离之用，其选型和动作值整定是否适当以及上下级之间是否具有保护的选择性配合，直接关系到能否把系统的故障限制在最小范围内，这对防止系统破坏、事故扩大和主设备严重损坏至关重要。
因此，加强熔断器、断路器选择及配置的准确性，对提高电力系统运行的安全可靠性具有重要意义。
1 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。
1．1 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。
1．2 熔断器质量及参数问题各生产厂家提供的熔断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。
1关于蓄电池直流电源系统短路电流计算及自动空气断路器的选择一、前言：近几年，随着我国电力事业的飞速发展，新建和扩建的厂、站大量增加，尤其是城农网改造；直流电源系统的设备也得到了前所未有的发展和提高，阀控蓄电池和直流断路器得到了广泛采用，其使用范围、场合以较快的速度增长，设备的总体健康状况和技术水平得到了较大的提高，安全运行和节能环保得到了进一步好转和改善；但是存在的问题仍然不能忽视，务必引起各级领导高度重视，不然会造成严重的后果。
尤其是在城农网改造时，注重了一次设备和二次保护装置的更新改造、而忽视了直流电源系统设备及网络的更新改造，尤其是直流供电网络的更新改造；目前运行中直流电源系统采用的保护电器是多型号、多厂家、多组合的被动局面，这给直流电源系统的保护级差配合带来了一定的难度。
一旦级差配合不满足要求、失去动作选择性，其后果不堪设想。
二、造成目前直流系统级差不配合的主要原因和解决的措施：一）、级差配合问题的主要原因及复杂性1、接线复杂。
原则上应该简化接线即蓄电池接单母线运行辐射供电。
但是目前的控制合闸母线环行供电；硅降压，闪光母线不变的情况下，强制将熔断器改为直流断路器级差配合是十分复杂的，短路电流无法计算，控母合母馈线合用断路器，控母闪光合用断路器无法整定瞬动脱扣器等一系列问题没有很好解决。
2、交流或交直流两用断路器应用在直流电源中，其降容能力，临界分断能力，没有产品数据，试验证明交流断路器的分断能力仅为直流断路器的分断能力的1/5~1/8，额定电流分断直流电流弧光引起烧坏触头现象经常发生，全分断时间的不确定性，也是级差配合中成为难题。
3、熔断器保护由于特性的不稳定性，受温度和湿度影响较大，而且和接触松紧及熔片是否经受过大电流冲击损伤有关，有经验的单位在现场运行规程明确规定定期检查或更换、短路发生后必须更换合格产品。
一是随着变电站无人值班的发展，熔断器因自身结构的限制熔断后不能报警，不满足运行要求；二是目前保护成套厂已不再采用熔断器均为直流断路器。
建议运行单位积极创造条件进行改造。
4、熔断器和直流断路器混装且品牌不成系列，安秒特性的不完善也给级差配合带来困难。
5、直流电源负荷侧的成套继电保护和自动装置保护电器是由成套厂选用，往往是从供电可靠性出发，而不按满足最大负荷电流的选择原则，选用了较大额定电流的保护电器，并且有多路供电的要求。
这给直流电源馈线保护电器的选择和级差配合出了难题。
6、短路电流计算和实测的复杂性，蓄电池内阻是动态的，计算中无法取得准确值，回路电阻值包括断路器内阻以及限流性能（断路器分断时的电弧限流，熔断器承受冲击电流使熔片改变特性的限流等）都给短路电流计算带来困难，因此脱扣器的整定和灵敏度检验也十分困难。
7、不同保护电器有不同的保护特性和离散特性，例如直流断路器瞬动脱扣电流按制造标准规定：直流微型断路器为7~15In，塑壳断路器为8~12In，短路电流大小也对断路器的全分断时间有一定分散性。
8、直流电源设备投运前的安装调试中，也不进行任何保护级差配合的调试工作。
二）、相关标准的规定31、DL/T 5644~2004《电力工程直流系统设计技术规程》6.1 保护规定采用直流断路器或熔断器1.熔断器在上而直流断路器在下时，熔断器为直流断路器额定电流的2倍及以上。
2.直流断路器上而熔断器在下时，直流断路器额定电流应为熔断器额定电流的4倍及以上。
7.5规定了直流断路器选择原则；经受冲击电流的安全性，级差配合，断流能力、选择性+灵敏度计算见附录E。
7.6规定了熔断器选择原则；隔离电器、报警触点、断流能力、级差配合2、DL/T 459-2000《电力系统直流电源柜订货技术条件》5.3.2.4直流断路器、熔断器应具有安一秒特性曲线，上下级应大于2级的配合级差。
5.3严禁使用交流断路器，交直流断路器应满足开断直流回路短路电流和动作选择性要求。
3、DL/T 724-2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护规程》5.3.9C）按图验收按图更换4、国电发[2000]589号《防止电力生产重大事故的25项重点要求》20．防止枢纽变电所全停电事故；要求2组蓄电池，3台充电装置直流母流分段运行，每段母线应分别蓄电池供电，母线设联络断路器，正常运行处于断开位置。
直流熔断器应按有关规定分级配置，加强直流熔断器的管理，对直流熔断器应采用合格的产品，防止因直流熔断器在正常熔断而扩大事故。
23．防止全厂停电事故；要求加强蓄电池和直流系统（含逆变电源）……的维修。
5、国家电网公司十八项电网重大反事故措施：13.2.2、加强直流系统熔断器的管理，防止越级熔断：13.2.2.1、各级熔断器的定值整定应保证级差的合理配合。
上、下级熔体之间（同一系列产品）额定电流值，应保证2～4级级差，电源端选择上限，网络末端选择下限。
13.2.2.2、为防止事故情况下蓄电池组总熔断器无选择性熔断，该熔断器与分熔断器之间，应保证3～4级级差。
13.2.3、加强直流系统用直流断路器的管理：13.2.3.1、新、扩建或改造的变电站直流系统用断路器应采用具有自动脱扣功能的直流断路器，不应用普通交流断路器替代。
在用直流系统用断路器如采用普通交流开关的，应及时更换具有自动脱扣功能的直流断路器。
13.2.3.2、当直流断路器与熔断器配合时，应考虑动作特性的不同，对级差做适当调整，直流断路器下一级不应再接熔断器。
6、国家电网公司直流电源系统管理规范《直流电源系统技术标准》：5.3.2.2 直流回路中严禁使用交流空气断路器；当使用交直流两用空气断路器时，其性能必须满足开断直流回路短路电流和动作选择性的要求。
5.3.2.5直流空气断路器、熔断器应具有安－秒特性曲线，上下级应大于2级的配合级差，并动作选择性的要求。
5.3.2.6 直流电源系统中应防止同一条支路中熔断器与空气断路器混用，尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。
5防止在回路故障时失去动作选择性。
《直流电源运行规范》第十二条运行管理（8）直流熔断器和华侨断路器应采用质量合格的产品，其熔断体或定值应按有关规定分级配置和整定，并定期极性核对，防止因其不正确动作而扩大事故。
（9）直流电源系统同一条支路中熔断器与空气断路器不应混用，尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。
防止在回路故障时失去动作选择性。
严禁支路回路使用交流空气断路器。
《直流电源系统技术监督》第二十七条应加强直流系统熔断器的管理，熔断器应按有关规定分级配置。
一个厂、站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一厂家系列产品。
自动空气断路器使用前应进行特性和动作电流抽查。
同一条支路上直流熔断器或自动空气断路器不应混合使用，尤其不能在自动空气断路器之后（下级）再使用熔断器。
直流电源系统各级熔断器或自动空气断路器的选择必须保证级差配合合理，防止越级跳闸。
不同厂家的产品混用，由于动作特性的分散性，有可能失去动作选择性。
所以，一个厂、站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一厂家系列产品。
空气断路器与熔断器混合保护的级差配合比较困难，由于无时限的空气断路器的脱扣速度基本不随电流的大小变化，而熔断器的动作具有反时限特性。
无论空气断路器安装在熔断器之前或之后，总在某些短路电流值范围内会失去动作选择性。
因此，应尽量避免这种组合保护方式。
尤其不能在自动空气断路器之后（下级）再使用熔断器，这样，级差配合更加困难。
《预防直流电源系统事故措施》第十一条直流系统熔断器应分级配置，上下级熔体应满足选择性配合要求。
一个站的直流熔断器或自动空气断路器，原则上应选用同一制造厂系列产品。
使用前宜进行安秒特性和动作电流抽检，同一条支路上的空气开关和熔断器不宜混合使用。
直流回路中采用空气自动空气断路器时，必须选用合格的直流空气断路器，严禁采用交流空气断路器。
对已经采用的，必须安排更换。
7、上述规定和要求究竟其原因何在，为什么要作这样规定？1）、严禁在直流电源系统中采用交流或交直流两用断路器，是因为其分断能力和灭弧能力都不能满足直流的要求，试验和运行实践都证明了交流断路器的分断能力仅为直流断路器的分断能力的1/5～1/8，额定电流分断时、直流电弧引起烧坏触头现象时有发生，全分断时间的不确定性，也是级差配合中的难题。
2）、熔断器保护特性由于不稳定、熔断时间分散性大，温度和湿度对其影响较大，而且和接触松紧及熔片是否经受过大电流冲击有无损伤等因素有密切关系，尤其是在大电流冲击后特性会发生变化；所以很多基层运行单位都作出这样规定：熔断器在经受大电流冲击后必须进行检查或更换及运行中应定期进行检查或更换制度。
另外随着变电站无人值班的发展，熔断器因自身结构的限制熔断后不能报警，不满足运行要求；二是目前保护成套厂已不再采用熔断器均为直流断路器。
建议运行单位积极创造条件进行改造。
3）、熔断器和直流断路器混合使用不成系列，一个是反时限动作原理、一个是定时限动作原理；安秒特性的不完善也给级差配合带来难题，不宜采用。
尤其不应在空气断路器的下级使用熔断器。
熔断器RM10、RTO保护特性详见图1、图2。
我们现用熔断器RM10和直流断路器GM32组合在一起，按断路器+熔断器、熔断器+断路器方式、在短路故障发生时，看其动作结果如何？详见下表：7熔断器与断路器组合后有以下几个特征：（1）、回路故障电流在断路器额定电流10In以下的过载情况时，熔断器熔断时间与断路器动作时间均处于过载保护范围，由其动作曲线决定，不同的熔断器与不同的断路器组合其动作结果是不一致的，同样会出现误动越级现象。
（2）、回路短路电流在断路器额定电流10In以上的短路电流情况时，断路器动作时间比熔断器熔断时间快。
如果熔断器在下级、上级断路器就会先动作，就出现了误动。
（3）、无论空气断路器安装在熔断器之前或之后，总在某段短路电流值范围内会失去动作选择性。
因此，应尽量避免这种组合保护方式。
尤其不能在自动空气断路器之后再使用熔断器，这样，级差配合更加困难。
4）、断路器和断路器组合使用时，由于不同系列的断路器其过载反时限特性和短路瞬时脱扣特性不同，级差配合和选择性应很难满足要求。
IEC60898、GB10963.2标准规定脱扣特性为：B型4～7倍额定电流、C型7～15额定电流，不同厂家生产的断路器选用的短路瞬时脱扣标准不同，组合在一起就有很大的差异，往往很难匹配、不能满足动作选择性的要求，原则上应选用同一制造厂家的系列产品。
5）、所以在直流技术监督的规定中明确指出：无论采用何种保护电器，原则上应选用同一制造厂家的系列产品，因为不同厂家的产品混用，由于动作特性的分散性，有可能失去动作选择性。
所以，一个厂、站的断路器或熔断器原则上应选用同一厂家系列产品；使用前应进行安秒特性和动作电流的抽检工作。
