一种输变电站的直流断路器及电缆数字化选型方法与流程

1.本发明涉及输变电工程技术领域，具体为一种输变电站的直流断路器及电缆数字化选型方法。


背景技术：

2.电网中直流电源系统一直作为重要的电源系统为各个变电站和设施提供稳定、安全、可应急的直流电源。为了提高直流系统运行的安全性和可靠性，确保直流系统发生故障后能快速切除故障部分，且可以不导致整个系统瘫痪和故障，需要精准的直流系统从电源侧到负荷侧的直流断路器间极差配合，将故障点及时切除，保障负荷侧的用电可靠。
3.直流微型断路器作为直流电源系统中的重要组成部分，其断路器的选型和级差配合计算在电网快速发展的近年来受到广泛关注。然而，至今为止，由于对直流微型断路器的不重视和疏忽管理导致直流系统发生故障所带来的事故还是很多，包括微型断路器漏跳、慢跳或者被烧毁的情况依然很多，严重影响了电力设施的安全运行，尤其直流电源系统作为控制、保护的基础，直接关系到电网运行的稳定性，其可靠性对电网起到重要作用。
4.在国家电网倡导构建新能源为主体的新型电力系统的当下，利用数字化、智能化的手段保障电力系统安全稳定运行更是必不可少的。当前，直流系统的数字化仿真及建模技术仍然达不到一定的研究深度，而且针对直流微型断路器极差和电缆计算的数字化建模技术没有研究，主要研究还是主要的设备选型、系统仿真及蓄电池建模等方面。在数字化技术和计算机机器算法技术在工程建设应用的不断推广和发展下，原本传统的直流系统馈线极差配合简单计算和应用已经不能满足当下要求，而且高比例新能源接入后复杂的电路非线性情况也将对直流系统产生巨大的冲击，急需向智能化、数字化发展。针对此种情况，提出直流电缆与微断极差数字建模结构设计,充分利用数字化技术和机器算法提升工程中的直流系统计算的精细化、实用化和一体化水平。鉴于此，我们提出一种输变电站的直流断路器及电缆数字化选型方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种输变电站的直流断路器及电缆数字化选型方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种输变电站的直流断路器选型方法，包括：
8.(1)集中辐射型输变电站的三级直流断路器配置选型方法包括以下步骤：
9.步骤11：第三级直流断路器选型计算模型
10.直流系统短路电流计算公式为：
11.i
d4
＝un/∑ri(1)
12.∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
+r
s3
(2)
13.式中：i
d4
为智能控制柜出口短路电流；un为直流电源系统标称电压，取220v；∑ri为回路电阻之和；r为阀控式铅酸蓄电池内阻；r
l1
为连接蓄电池和整流器屏之间电缆内阻；r
s2
为直流馈线屏直流断路器内阻；r
l2
为连接直流馈线屏和智能控制柜之间电缆内阻；r
s3
为智能控制柜内直流断路器内阻；
14.第三级直流断路器配置b型直流断路器，即在主控室的智能控制柜上配置b型直流断路器；满足级差配合：
[0015]7×in
《i
d4
(3)
[0016]
其中，in即为三级直流断路器配合中第三级的b型断路器额定电流；
[0017]
步骤12：第二级直流断路器选型计算模型
[0018]
直流系统短路电流计算公式为：
[0019]id3
＝un/∑ri(4)
[0020]
∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
(5)
[0021]
式中：i
d3
为直流馈线屏直流断路器末端处短路电流；
[0022]
第二级直流断路器配置c型直流断路器，比较ch型直流断路器、c型直流断路器和三段式直流断路器是否满足级差配合：
[0023]
若选择ch型直流断路器，则瞬时脱扣值上限14in×
(1+20％)＜i
d3
,瞬时脱扣值下限14in×
(1-20％)＞i
d4
；
[0024]
若选择c型直流断路器，则瞬时脱扣值上限10in×
(1+20％)＜i
d3
,瞬时脱扣值下限10in×
(1-20％)＞i
d4
；
[0025]
若ch型直流断路器和c型直流断路器均不满足级差配合则可选择三段式断路器，即满足短延时脱扣值上限10in×
(1+20％)＜i
d3
；
[0026]
步骤13：第一级直流断路器选择熔断器；
[0027]
(2)分层辐射型输变电站的四级直流断路器配置选型方法包括以下步骤：
[0028]
步骤21：第四级直流断路器选型
[0029]
直流系统短路电流计算公式为：
[0030]id5
＝un/∑ri(6)
[0031]
∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
+r
s3
+r
l3
+r
s4
(7)
[0032]
式中：i
d5
为智能控制柜出口短路电流；un为直流电源系统标称电压，取220v；∑ri为回路电阻之和；r为阀控式铅酸蓄电池内阻；r
l1
为连接蓄电池和整流器屏之间电缆内阻；r
s2
为直流馈线屏直流断路器内阻；r
l2
为连接直流馈线屏和直流分电屏之间电缆内阻；r
s3
为直流分电屏内直流断路器内阻；r
l3
为连接直流分电屏和智能控制柜之间电缆内阻；r
s4
为智能控制柜内直流断路器内阻；
[0033]
第四级直流断路器配置b型直流断路器，即在主控室的智能控制柜上配置b型直流断路器，满足级差配合：
[0034]7×im
《i
d5
(8)
[0035]
其中，im即为四级直流断路器配合中第四级的b型断路器额定电流；
[0036]
步骤22：第三级直流断路器选型
[0037]
第三级直流断路器配置c型直流断路器，比较ch型直流断路器、c型直流断路器和三段式直流断路器是否满足级差配合：
[0038]id5max
＝un/∑ri(9)
[0039]
∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
+r
s3
+r
l3
+r
s4max
(10)
[0040]id5min
＝un/∑ri(11)
[0041]
∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
+r
s3
+r
l3
+r
s4min
(12)
[0042]
其中，i
d5max
为智能控制柜直流断路器的出口末端的瞬时脱扣值上限短路电流；r
s4max
为智能控制柜内直流断路器内阻瞬时脱扣值上限阻值；i
d5min
为智能控制柜直流断路器的出口末端的瞬时脱扣值下限短路电流；r
s4min
为智能控制柜内直流断路器内阻瞬时脱扣值下限阻值；
[0043]
若选择ch型直流断路器，则瞬时脱扣值上限14im×
(1+20％)《i
d5max
,瞬时脱扣值下限14im×
(1-20％)《i
d5min
；
[0044]
若选择c型直流断路器，则瞬时脱扣值上限10im×
(1+20％)《i
d5max
,瞬时脱扣值下限10im×
(1-20％)《i
d5min
；
[0045]
若ch型直流断路器和c型直流断路器均不满足级差配合则可选择三段式断路器，即满足短延时脱扣值上限10im×
(1+20％)《i
d5max
；
[0046]
步骤23：第二级直流断路器选型
[0047]
第二级直流断路器应采用塑壳式直流断路器，直流系统短路电流计算通过式(6)、式(7)进行计算，其中主控室内直流馈线柜至直流分电柜的直流断路器出口短路电流为i
d3
,直流分电柜内直流断路器出口短路电流为i
d4
；
[0048]
这里将比较两种型号的直流断路器，满足级差配合：
[0049]
塑壳式直流断路器，瞬时脱扣范围为：10in,极限短时耐受电流20～30ka,时间15ms；
[0050]
塑壳式选择性直流断路器，瞬时脱扣值18in×
(1-20％)——18in×
(1+20％)，短路短延时电流整定值10in×
(1-20％)——10in×
(1+20％)，短路短延时整定值30～60ms；
[0051]
若选择塑壳式直流断路器，则i
d4
＜10in＜i
d3
，可得出所选择直流断路器额定电流；
[0052]
若选择塑壳式选择性直流断路器，则瞬时脱扣值上限18in×
(1+20％)＜i
d3
，瞬时脱扣值下限18in×
(1-20％)＞i
d4
，若瞬时脱扣不满足选择性要求，则短延时脱口值上限10in×
(1+20％)＜i
d3
；
[0053]
其中，im即为四级直流断路器配合中第四级的b型断路器额定电流；
[0054]
若选择塑壳式直流断路器，则i
d4
＜10in＜i
d3
，可得出所选择直流断路器额定电流；
[0055]
若选择塑壳式选择性直流断路器，则瞬时脱扣值上限18in×
(1+20％)＜i
d3
，瞬时脱扣值下限18in×
(1-20％)＞i
d4
，若瞬时脱扣不满足选择性要求，则短延时脱口值上限10in×
(1+20％)＜i
d3
。
[0056]
本发明还提供一种输变电站的电缆数字化选型方法，用于所述的输变电站所用电缆的选型，包括以下步骤：
[0057]
步骤31：直流系统电缆选型建模
[0058]
直流系统电缆截面进行计算和建模，电缆截面应按照电缆长期允许载流量和回路允许电压降两个条件选择，公式如下：
[0059]ipc
≥i
ca1
(13)
[0060]
[0061]ica
＝max(i
ca1
,i
ca2
)(15)
[0062]
式中：i
pc
为电缆允许载流量；i
ca1
为回路长期工作计算电流；s
cac
为电缆计算截面；l为电阻系数，取铜导体为0.0184ω
·
mm2/m；l为电缆长度；i
ca
为允许电压降计算电流；δu
p
为回路允许电压降；i
ca2
为回路短时工作计算电流；
[0063]
步骤32：蓄电池回路电缆选型建模
[0064]
蓄电池回路式中：i
ca1
为事故停电时间的蓄电池放电率电流；i
ca2
为事故初期(1min)冲击放电电流；
[0065]ica1
＝i
d1h
＝kc×c10
(16)
[0066]
因此，得出蓄电池回路电缆截面计算模型公式为：
[0067][0068]
步骤33：直流馈线至其他保护屏电缆选型建模
[0069]
集中辐射供电模式下，直流柜到终端回路负荷电流按id计算，因此得出直流主屏到终端负荷回路电缆截面的计算模型建模为：
[0070][0071]
步骤34：直流分电至其他保护屏电缆选型建模
[0072]
分层辐射供电模式下，分层辐射形供电的直流柜到终端回路负荷电流为id计算，因此得出电缆截面的计算模型为：
[0073]
条件一：
[0074][0075]
条件二：
[0076][0077]
而最终s
cac2
的值是条件一和条件二或关系值。
[0078]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该输变电站的直流断路器及电缆数字化选型方法，针对数字化技术和计算机机器算法技术在工程建设应用的不断推广和发展下，原本传统的直流系统馈线极差配合简单计算和应用已经不能满足当下要求，提出直流电缆与微断极差数字建模设计输变电站的直流断路器选型，以及电缆选型，提升工程中的直流系统计算的精细化、实用化和一体化水平。
附图说明
[0079]
图1为本发明中集中辐射型与分层辐射型输变电站断路器示意图。
具体实施方式
[0080]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0081]
实施例1
[0082]
如图1所示，一种输变电站的直流断路器选型方法，包括：
[0083]
(1)集中辐射型输变电站的三级直流断路器配置选型方法包括以下步骤：
[0084]
如表1所示为三级直流断路器对应位置表，三级直流断路器配置中主要是第二级和第三级的直流断路器级差配合和断路器选型，即为直流馈线柜到主控室中任意一个保护柜的直流断路器出口的保护配合。
[0085][0086]
表1：三级直流断路器对应位置表
[0087]
步骤11：第三级直流断路器选型计算模型
[0088]
直流系统短路电流计算公式为：
[0089]id4
＝un/∑ri(1)
[0090]
∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
+r
s3
(2)
[0091]
式中：i
d4
为智能控制柜出口短路电流；un为直流电源系统标称电压，取220v；σri为回路电阻之和；r为阀控式铅酸蓄电池内阻；r
l1
为连接蓄电池和整流器屏之间电缆内阻；r
s2
为直流馈线屏直流断路器内阻；r
l2
为连接直流馈线屏和智能控制柜之间电缆内阻；r
s3
为智能控制柜内直流断路器内阻；
[0092]
根据5044直流规范要求，第三级直流断路器配置b型直流断路器，即在主控室的智能控制柜上配置b型直流断路器；满足级差配合：
[0093]7×in
《i
d4
(3)
[0094]
其中，in即为三级直流断路器配合中第三级的b型断路器额定电流，一般可配置3a、4a，最大可为6a；i
d4
为最末端出口短路电流，即为保护柜出口处短路电流；
[0095]
步骤12：第二级直流断路器选型计算模型
[0096]
直流系统短路电流计算公式为：
[0097]id3
＝un/∑ri(4)
[0098]
∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
(5)
[0099]
式中：i
d3
为直流馈线屏直流断路器末端处短路电流；
[0100]
第二级直流断路器配置c型直流断路器，比较ch型直流断路器、c型直流断路器和三段式直流断路器是否满足级差配合：
[0101]
若选择ch型直流断路器，则瞬时脱扣值上限14in×
(1+20％)＜i
d3
,瞬时脱扣值下限14in×
(1-20％)＞i
d4
；
[0102]
若选择c型直流断路器，则瞬时脱扣值上限10in×
(1+20％)＜i
d3
,瞬时脱扣值下限10in×
(1-20％)＞i
d4
；
[0103]
若ch型直流断路器和c型直流断路器均不满足级差配合则可选择三段式断路器，即满足短延时脱扣值上限10in×
(1+20％)＜i
d3
；
[0104]
步骤13：第一级直流断路器选择熔断器；
[0105]
(2)分层辐射型输变电站的四级直流断路器配置选型方法包括以下步骤：如表2所示为四级直流断路器对应位置表，四级直流断路器配置中主要是第二级和第三级，指主控室中的直流馈线屏直流断路器与设备区的直流分电屏直流断路器的级差配合和断路器配置型式，以及第三级和第四级的级差配合，即直流分电屏直流断路器与末端智能控制屏或配电区直流断路器间配合。智能变电站中设备大部分在配电区，这样全站的直流负荷大部分都集中在直流分电屏中；且由于直流分电屏与主控室直流馈线屏距离较常规智能变电站的布置情况近，在直流分电屏出口处短路时，短路电流有可能在上一级直流断路器的瞬时动作区内，造成越级跳闸。
[0106][0107]
表2：四级直流断路器对应位置表
[0108]
步骤21：第四级直流断路器选型
[0109]
可参考三级直流断路器配置中第三级直流断路器的选择，直流系统短路电流计算公式为：
[0110]id5
＝un/∑ri(6)
[0111]
∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
+r
s3
+r
l3
+r
s4
(7)
[0112]
式中：i
d5
为智能控制柜出口短路电流；un为直流电源系统标称电压，取220v；∑ri为回路电阻之和；r为阀控式铅酸蓄电池内阻；r
l1
为连接蓄电池和整流器屏之间电缆内阻；r
s2
为直流馈线屏直流断路器内阻；r
l2
为连接直流馈线屏和直流分电屏之间电缆内阻；r
s3
为直流分电屏内直流断路器内阻；r
l3
为连接直流分电屏和智能控制柜之间电缆内阻；r
s4
为智能控制柜内直流断路器内阻；
[0113]
第四级直流断路器配置b型直流断路器，即在主控室的智能控制柜上配置b型直流断路器，满足级差配合：
[0114]7×im
《i
d5
(8)
[0115]
其中，im即为四级直流断路器配合中第四级的b型断路器额定电流；
[0116]
步骤22：第三级直流断路器选型
[0117]
可参考三级直流断路器配置中第二级直流断路器的计算方法，第三级直流断路器配置c型直流断路器，比较ch型直流断路器、c型直流断路器和三段式直流断路器是否满足级差配合：
[0118]id5max
＝un/∑ri(9)
[0119]
∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
+r
s3
+r
l3
+r
s4max
(10)
[0120]id5min
＝un/∑ri(11)
[0121]
∑ri＝r+r
l1
+r
s2
+r
l2
+r
s3
+r
l3
+r
s4min
(12)
[0122]
其中，i
d5max
为智能控制柜直流断路器的出口末端的瞬时脱扣值上限短路电流；r
s4max
为智能控制柜内直流断路器内阻瞬时脱扣值上限阻值；i
d5min
为智能控制柜直流断路器的出口末端的瞬时脱扣值下限短路电流；r
s4min
为智能控制柜内直流断路器内阻瞬时脱扣值下限阻值；
[0123]
若选择ch型直流断路器，则瞬时脱扣值上限14im×
(1+20％)《i
d5max
,瞬时脱扣值下限14im×
(1-20％)《i
d5min
；
[0124]
若选择c型直流断路器，则瞬时脱扣值上限10im×
(1+20％)《i
d5max
,瞬时脱扣值下限10im×
(1-20％)《i
d5min
；
[0125]
若ch型直流断路器和c型直流断路器均不满足级差配合则可选择三段式断路器，即满足短延时脱扣值上限10im×
(1+20％)《i
d5max
；
[0126]
步骤23：第二级直流断路器选型
[0127]
第二级直流断路器应采用塑壳式直流断路器，直流系统短路电流计算通过式(6)、式(7)进行计算，其中主控室内直流馈线柜至直流分电柜的直流断路器出口短路电流为i
d3
,直流分电柜内直流断路器出口短路电流为i
d4
；
[0128]
这里将比较两种型号的直流断路器，满足级差配合：
[0129]
塑壳式直流断路器，瞬时脱扣范围为：10in,极限短时耐受电流20～30ka,时间15ms；
[0130]
塑壳式选择性直流断路器，瞬时脱扣值18in×
(1-20％)——18in×
(1+20％)，短路短延时电流整定值10in×
(1-20％)——10in×
(1+20％)，短路短延时整定值30～60ms；
[0131]
若选择塑壳式直流断路器，则i
d4
＜10in＜i
d3
，可得出所选择直流断路器额定电流；
[0132]
若选择塑壳式选择性直流断路器，则瞬时脱扣值上限18in×
(1+20％)＜i
d3
，瞬时脱扣值下限18in×
(1-20％)＞i
d4
，若瞬时脱扣不满足选择性要求，则短延时脱口值上限10in×
(1+20％)＜i
d3
；
[0133]
其中，im即为四级直流断路器配合中第四级的b型断路器额定电流；
[0134]
若选择塑壳式直流断路器，则i
d4
＜10in＜i
d3
，可得出所选择直流断路器额定电流；
[0135]
若选择塑壳式选择性直流断路器，则瞬时脱扣值上限18in×
(1+20％)＜i
d3
，瞬时脱扣值下限18in×
(1-20％)＞i
d4
，若瞬时脱扣不满足选择性要求，则短延时脱口值上限10in×
(1+20％)＜i
d3
。
[0136]
实施例2
[0137]
如表3所示为输变电站的各回路电缆选择要求，实施例2是基于实施例1对输变电站所用电缆进行选型，具体为一种输变电站的电缆数字化选型方法，包括以下步骤：
[0138][0139]
表3：各回路电缆选择要求
[0140]
步骤31：直流系统电缆选型建模
[0141]
直流系统数字化建模需要对电缆截面进行精准计算和建模。电缆截面应按照电缆长期允许载流量和回路允许电压降两个条件选择，公式如下：
[0142]ipc
≥i
ca1
(13)
[0143][0144]ica
＝max(i
ca1
,i
ca2
)(15)
[0145]
式中：i
pc
为电缆允许载流量；i
ca1
为回路长期工作计算电流；s
cac
为电缆计算截面；l为电阻系数，取铜导体为0.0184ω
·
mm2/m；l为电缆长度；i
ca
为允许电压降计算电流；δu
p
为回路允许电压降；i
ca2
为回路短时工作计算电流；
[0146]
步骤32：蓄电池回路电缆选型建模
[0147]
对直流系统中蓄电池回路电缆建模，主要是从蓄电池到直流主屏的直流电缆，考虑其允许电压降、回路计算电流，做出电缆截面的计算建模如下：
[0148]
蓄电池回路式中，i
ca
1为事故停电时间的蓄电池放电率电流；i
ca
2为事故初期(1min)冲击放电电流；
[0149]ica1
＝i
d1h
＝kc×c10
(16)
[0150]
因此，得出蓄电池回路电缆截面计算模型公式为：
[0151][0152]
步骤33：直流馈线至其他保护屏电缆选型建模
[0153]
考虑直流主屏和分电屏之间的允许电压降和回路计算电流对电缆截面的影响，对直流系统中直流馈线柜至直流分电柜的电缆计算建模如表3的直流馈线回路至直流分电屏回路，可得出：直流馈线回路至直流分电屏回路电缆截面计算模型公式为：
[0154][0155]
步骤34：直流分电至其他保护屏电缆选型建模
[0156]
考虑集中辐射供电模式下，直流主屏到末端负荷回路的电缆截面受允许电压降及回路计算电流影响的建模模型如表3中对应集中辐射形供电的直流柜到终端回路。
[0157]
集中辐射形供电的直流柜到终端回路负荷电流按id计算，因此得出直流主屏到终端负荷回路电缆截面的计算模型建模为：
[0158]
条件一：
[0159][0160]
条件二：
[0161][0162]
而最终s
cac2
的值是条件一和条件二或关系值。
[0163]
通过上述内容不难看出，本发明针对数字化技术和计算机机器算法技术在工程建设应用的不断推广和发展下，原本传统的直流系统馈线极差配合简单计算和应用已经不能满足当下要求，提出直流电缆与微断极差数字建模设计输变电站的直流断路器选型，以及电缆选型，提升工程中的直流系统计算的精细化、实用化和一体化水平。
[0164]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。