110kV變電站直流系統(tǒng)電纜與空開選型探討

110kV變電站直流系統(tǒng)電纜與空開選型探討劉輝【摘要】本文對(duì)采用南方電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的110kV變電站的直流系統(tǒng)的直流空開和電源電纜常用選型進(jìn)行分析校驗(yàn)，為變電站直流空開極差配合和電源電纜選擇提供計(jì)算參考及選型建議.【期刊名稱】《低碳世界》【年(卷)，期】2015(000)030【總頁(yè)數(shù)】2頁(yè)(P18-19)【關(guān)鍵詞】直流系統(tǒng);級(jí)差配合;電纜選型【作者】劉輝【作者單位】東莞電力設(shè)計(jì)院，廣東東莞523413【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM63直流電源作為變電站的核心設(shè)備，擁有獨(dú)立電源，不受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響，在站用交流電停用的情況下，以蓄電池作為后備電源繼續(xù)為重要設(shè)備提供直流電。直流系統(tǒng)可靠與否對(duì)變電站的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，安全可靠的直流系統(tǒng)是變電站安全可靠運(yùn)行的重要保證［1］。合理選擇直流系統(tǒng)各級(jí)空開和電源電纜，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的持續(xù)可靠供電有著及其重要的意義?！赌戏诫娋W(wǎng)公司110~500kV變電站標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(V1.0)》的應(yīng)用，使得變電站內(nèi)電源電纜長(zhǎng)度和設(shè)備選型相對(duì)固定，為直流系統(tǒng)的電源電纜選型和空開選擇以及實(shí)現(xiàn)各級(jí)保護(hù)空開級(jí)差配合提供了有利條件。2.1常用設(shè)備功耗調(diào)查本文根據(jù)東莞地區(qū)電網(wǎng)常用的設(shè)備廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行了負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，具體情況如下:（1）西門子110kV斷路器的儲(chǔ)能電機(jī)功率為638W，分合閘電流1.7A。（2）ABB110kV斷路器的儲(chǔ)能電機(jī)功率為900W，分合閘電流2.0A。（3）北開電氣110kVGIS斷路器儲(chǔ)能電機(jī)功率為720W，分合閘電流2.0A。（4）10kV斷路器的儲(chǔ)能電機(jī)功率為90W，分合閘電流2.0A。（5）南瑞繼保保護(hù)測(cè)控裝置單臺(tái)裝置直流功耗：正常＜35W，跳閘＜50W，10kV保護(hù)測(cè)控一體化裝置功耗：正常＜15W，跳閘＜25W。（6）深圳南瑞科技保護(hù)、測(cè)控裝置功耗：正常＜15W，動(dòng)作＜25W。2.2變電站直流負(fù)荷電流計(jì)算根據(jù)我們常用設(shè)計(jì)方案，直流系統(tǒng)常用電壓為DC110V，一般的彈簧機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能電機(jī)直流功率損耗為700W左右，最大不超過(guò)900W，電機(jī)額定電流InM=8.18A,起動(dòng)電流Icho=KstMxInM=16.36A。分合閘電流不超過(guò)2.0A?，F(xiàn)110kV變電站保護(hù)、測(cè)控裝置除10kV保護(hù)測(cè)控裝置電源采用環(huán)網(wǎng)供電方式外，其它均采用輻射式供電方式，單面屏柜設(shè)備不超過(guò)4臺(tái)，組屏設(shè)備按照50W考慮，每面屏電流為Icp=4x0.55=2.2A或Icc=2.0A。根據(jù)各廠家提供的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案，10kV保護(hù)測(cè)控裝置均按照30W考慮。每一段10kV母線有約19回饋線，總負(fù)荷按570W計(jì)，其電流Ica1=5.18A,Ica2=5.18+2.0=7.18A。2.3變電站直流設(shè)備配置情況變電站在設(shè)備選型時(shí)一般參考相關(guān)規(guī)范，上、下級(jí)額定電流按照4級(jí)及以上級(jí)差選擇。對(duì)于110kV變電站直流系統(tǒng)配置一般為：電源電壓110V，蓄電池54只，容量300Ah。直流系統(tǒng)一般采用集中輻射型布置方案。第一級(jí)為直流蓄電池組進(jìn)線熔斷器，配置為315A。第二級(jí)為直流饋線屏內(nèi)饋線開關(guān)，合母饋線為63A，控母饋線為25A。第三級(jí)為各保護(hù)屏柜內(nèi)的保護(hù)測(cè)控設(shè)備，10kV開關(guān)柜、110kVGIS設(shè)備環(huán)網(wǎng)電源進(jìn)線空開。一般保護(hù)設(shè)備的操作電源空開為6A，裝置電源為4A，環(huán)網(wǎng)電源進(jìn)線空開為16A。第四級(jí)為開關(guān)柜內(nèi)保護(hù)測(cè)控裝置電源空開和110kVGIS設(shè)備間隔內(nèi)電機(jī)電源空開，一般操作電源空開為6A，裝置電源為4A。間隔內(nèi)電機(jī)電源空開為6A，控制電源空開為4A。站內(nèi)直流網(wǎng)絡(luò)圖如圖1。根據(jù)《南方電網(wǎng)公司110~500kV變電站標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（V1.0）》，現(xiàn)站內(nèi)布置已基本固定，設(shè)備之間的距離也基本固定。根據(jù)我院常用設(shè)計(jì)方案，一般蓄電池組到直流系統(tǒng)屏的距離為20~25m，直流饋線屏到各保護(hù)設(shè)備的電源電纜長(zhǎng)度為25~40m，至10kV開關(guān)柜設(shè)備電纜長(zhǎng)度為55~70m，至110kVGIS設(shè)備電纜長(zhǎng)度為35~45m。為方便施工單位接線方便，全站電源電纜盡量統(tǒng)一，蓄電池組到直流系統(tǒng)屏選用截面為150mm2的電纜，直流屏到各設(shè)備屏采用截面為4mm2的電纜，到10kV開關(guān)柜或110kVGIS設(shè)備的環(huán)網(wǎng)電源采用截面為10mm2的電纜。根據(jù)直流規(guī)程要求對(duì)有選擇性配合要求的回路電纜，電纜截面選型時(shí)需要按照電纜導(dǎo)體的長(zhǎng)期允許載流量計(jì)算選擇，同時(shí)需要滿足回路電壓降的要求［2］。L1電纜選擇：L1電纜應(yīng)大于蓄電池組1h放電率電流，即Ical>5.5I10=165A，按載流量選取電纜截面25mm2，按電纜允許壓降△UP<1%Un,應(yīng)選用電纜截面S=0.0184x2x25x165/1.1=138mm2，選用150mm2電纜滿足要求。L2電纜選擇：L2電纜主要給主控室內(nèi)保護(hù)測(cè)控屏柜供電，每面屏柜計(jì)算電流Ical=2.2A或Ical=2A。按照5A考慮，電纜截面取4mm2，其允許壓降△UP<5%Un,應(yīng)選用電纜截面S=0.0184x2x40x5/5.5=1.4mm2，選用4mm2電纜滿足要求。L3電纜選擇：L3電纜主要給10kV開關(guān)柜保護(hù)測(cè)控裝置供電，計(jì)算電流Ical=7.18A。按照10A考慮，電纜截面一般取4mm2，其允許壓降A(chǔ)UPQ.SZUn,應(yīng)選用電纜截面5=0.0184x2x70x10/2.75=9.36mm2，選用10mm2電纜滿足要求。L4電纜選擇：L4電纜主要給110kVGIS設(shè)備供電，計(jì)算電流Ical=16.36A。環(huán)網(wǎng)電源電纜截面—般取10mm2，其允許壓降膈？＜2.5%。門，應(yīng)選用電纜截面S=0.0184x2x45x16.36/2.75=9.8mm2，選用10mm2電纜滿足要求。4.1變電站直流設(shè)備配置情況根據(jù)變電站直流設(shè)備選用經(jīng)驗(yàn)，變電站直流系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備參數(shù)常規(guī)選型如下：(1)蓄電池出口熔斷器F1配置NT2-315A熔斷器。(2)直流饋線屏的母線饋線S1、S2配置C型25A斷路器。(3)直流饋線屏的母線饋線S3配置C型63A斷路器。(4)10kV開關(guān)柜直流環(huán)網(wǎng)電源進(jìn)線S4配置C型16A斷路器。(5)110kVGIS設(shè)備直流環(huán)網(wǎng)電源進(jìn)線S5配置C型16A斷路器。(6)主控室內(nèi)保護(hù)屏柜進(jìn)線電源空開S6配置C型6A斷路器。(7)10kV開關(guān)柜保護(hù)裝置電源空開S7配置C型6A斷路器。(8)110kVGIS設(shè)備電機(jī)、控制電源空開S8配置C型6A斷路器。4.2變電站直流設(shè)備計(jì)算電阻圖根據(jù)變電站直流網(wǎng)絡(luò)接線可得直流回路電阻圖如圖2。短路電流計(jì)算：根據(jù)直流回路網(wǎng)絡(luò)圖和直流回路電阻圖可計(jì)算出回路電阻值：?jiǎn)沃恢绷縻U酸蓄電池內(nèi)阻r1=0.44mQ，硬連接條電阻r2=0.015，蓄電池組r=23.66mQF1熔斷器的電阻RF1=0.22mQS1、S2斷路器內(nèi)阻Rs1=Rs2=3.1x2=6.2mQS3斷路器內(nèi)阻Rs3=1.9x2=3.8mQS4、S5斷路器內(nèi)阻Rs4=6.2x2=12.4mQS6、S7、S8斷路器內(nèi)阻Rs6=Rs7=Rs7=45x2=90mQ導(dǎo)線電阻：R=px2xL/SL1電纜的電阻RL1=6.13mQL2電纜的電阻RL2=368mQL3電纜的電阻RL3=257mQL4電纜的電阻RL4=165.6mQ計(jì)算各點(diǎn)短路電流：Id=U/R>d1點(diǎn)的短路電流：Id1=3.832kAd2點(diǎn)的短路電流：Id2=3.176kAd3點(diǎn)的短路電流：Id3=3.422kAd4點(diǎn)的短路電流：Id4=0.376kAd5點(diǎn)的短路電流：Id5=0.542kAd6點(diǎn)的短路電流：Id6=0.233kAd7點(diǎn)的短路電流：Id7=0.290kAd8點(diǎn)的短路電流：Id8=0.381kA4.3保護(hù)電器選擇性配合分析S8斷路器選擇：d8點(diǎn)的短路電流Id8=381A，斷路器S8瞬時(shí)脫扣電流15In=90AoId8>90A,S8斷路器可靠瞬時(shí)動(dòng)作。S7斷路器選擇：d7點(diǎn)的短路電流Id8=290A，斷路器S7瞬時(shí)脫扣電流15In=90A°Id7>90A,S7斷路器可靠瞬時(shí)動(dòng)作。S6斷路器選擇：d6點(diǎn)的短路電流Id6=233A，斷路器S6瞬時(shí)脫扣電流15In=90AoId6>90A,S6斷路器可靠瞬時(shí)動(dòng)作。S5斷路器選擇：d5點(diǎn)的短路電流Id5=542A，斷路器S5瞬時(shí)脫扣電流15In=240A<542A,S5瞬時(shí)動(dòng)作。d8點(diǎn)的短路電流Id8=381A，大于S5瞬時(shí)脫扣最小電流刀n=112A。S5與S8配合可能無(wú)選擇。S4斷路器選擇：d4點(diǎn)的短路電流Id5=356A，斷路器S45瞬時(shí)脫扣電流15In=240A<356A,S4瞬時(shí)動(dòng)作。d7點(diǎn)的短路電流Id7=290A，大于S5瞬時(shí)脫扣最小電流刀n=112A。S4與S7配合無(wú)選擇。S3斷路器選擇：d3點(diǎn)的短路電流Id3=3422A，斷路器S3瞬時(shí)脫扣電流15In=945A,d3點(diǎn)的短路Id5=3422A>945,S3斷路器可靠動(dòng)作，d8點(diǎn)的短路電流Id8=381A，小于S3瞬時(shí)脫扣最小電流刀n=441A。S3與S8滿足選擇配合。d5點(diǎn)的短路電流Id5=542A>441A,S3與S5配合無(wú)選擇。同時(shí)由于d5點(diǎn)的短路電流Id5在S3的63A斷路器可動(dòng)可不動(dòng)區(qū)域，945A>Id5>441A，可能會(huì)用過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)來(lái)斷開短路點(diǎn)，查斷路器動(dòng)作曲線可得延時(shí)時(shí)間會(huì)超過(guò)5S，對(duì)直流系統(tǒng)電壓有較大影響?？紤]到該支路負(fù)荷電流小于20A，將S3斷路器換為高精度二段式32A直流斷路器（瞬時(shí)脫扣范圍為12In~15In），可以算得：d8點(diǎn)的短路電流：Id8=0.380kAd5點(diǎn)的短路電流：Id5=0.541kAId5=541>15x32A,12x32A>Id8=380根據(jù)計(jì)算可得S3選用高精度二段式32A直流斷路器與S8滿足選擇配合要求。S2斷路器選擇：d2點(diǎn)的短路電流Id2=3176A，斷路器S2選擇標(biāo)準(zhǔn)型二段式25A、C型脫扣器直流斷路器，d2點(diǎn)的短路Id5=3176A>375,S2斷路器可靠動(dòng)作，d7點(diǎn)的短路電流Id7=290A，大于S2瞬時(shí)脫扣最小電流刀n=175A。S2與S7不滿足選擇配合。d4點(diǎn)的短路電流Id4=376A>175A,S4與S7配合無(wú)選擇。d6點(diǎn)的短路電流Id6=233A，大于S2瞬時(shí)脫扣最小電流刀n=175A。S2與S6不滿足選擇配合。如S2換專為直流級(jí)差配合開發(fā)的高精度二段式25A直流斷路器（瞬時(shí)脫扣范圍為12In~15In）d6、d7點(diǎn)的短路電流小于S2瞬時(shí)脫扣最小電流12In=300A,Id4和Id2短路電流>375A，滿足選擇配合要求。蓄電池出口F1熔斷器選擇：d1點(diǎn)的短路電流Id1=3832A，按照直流規(guī)程推薦參數(shù)300Ah蓄電池出口熔斷器選用NT2-315。d2點(diǎn)的短路電流Id1=3176A，熔斷器在d2點(diǎn)短路時(shí)的弧前時(shí)間約為80ms。滿足F1與S1、S2、S3選擇性配合要求。在變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型中，直流電源電纜的選型滿足直流規(guī)程對(duì)回路電壓降的要，同時(shí)發(fā)現(xiàn)即使參照直流規(guī)程的上下級(jí)直流開關(guān)級(jí)差大于4級(jí)選型建議，配置各級(jí)保護(hù)開關(guān)，也很難實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)各級(jí)開關(guān)的保護(hù)選擇性配合。需要按照實(shí)際工程情況，設(shè)備參數(shù)，逐