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1 直流断路器保护特性及国内现状介绍
目前运行中的直流电源系统存在的主要问题之一、也是最棘手、最迫切的需要解决的问题，就是如何面对诸多厂家、诸多型号的直流接地断路器如何选择、以及直流断路器级差怎么配合及动作选择性的如何确定，在这里做简要介绍：
1.1直流断路器的作用
直流断路是指能够接通、承载及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路条件下（过载、短路）接通、承载一定时间和分段电流的开关电器，称为断路器。当短路故障出现时，要求断路器快速、准确的将故障从系统中切除，将故障缩小到最小范围，即不能拒动、也不能误动、更不能越级。我过在20世纪60年代、七十年代也称自动开关、空气开关和空气断路器。
1.2直流断路器的保护类别
目前国内常见直流断路器有两类即A类保护断路器和B类保护断路器：
A类保护断路器为两段保护特性的断路器（即：过载长延时间保护+短路瞬间保护）。“在短路情况下，断路器无明确指明用作串联在负载侧另一短路保护装置的选择性保护；即在短路情况下，选择性保护无人为的短延时，因而不要求额定短时耐受电流”。
B类保护断路器为三段保护特性的断路器（即：过载长延时保护+短路短延时保护+短路瞬间保护）。“在短路情况下，断路器明确在用作串联在负载侧另一短路保护装置的选择性保护；即在短路情况下，选择性保护有人为的短延时（可调节），这类断路器具有要求额定短时耐受电流”。
1.3直流断路器保护动作特性
面对大小不同的异常（过载）和短路故障电流，断路器应该在不同的时间内将故障回路从直流电源系统中切除，其表现形式为以下三种保护动作方式：
A过载（长延时）保护：当故障电流相对比较小时，主要是防止供电线路或电缆发热进而造成绝缘破坏甚至起火，但同时考虑电缆具备一定的短时耐受能力及过载连续供电能力，断路器应当经过一段时间的延时后（长延时）再切除故障回路，这种保护方式为过载（长延时保护按反应时限动作原理）保护。
B短路短延时保护：当故障电流相对比较大时为一般短路电流时，为了防止越级保护带来的事故面扩大，保证故障电流仅仅由距离故障点最近的断路器来切除，有时要求上级断路器在遭遇短路电流时，经过一定时间的短延时（一般为毫秒级）后再动作。在短延时期间，如果下级 已经将故障回路切除，则断路器不动作；如果下级断路器发生故障，不能执行保护动作，上级断路器作为后备保护，将主干线回路切断，以保护设备和线路。这种保护成为短延时保护。
C短路（瞬间）保护：当故障电流相对很大时为大短路电流时，会对设备以及线路的动稳定性带来较大的危害，所以要求断路器立刻（瞬间）切除故障回路，这种保护称为短路（瞬间）保护。
1.4直流电源系统保护级差的含义
直流电源系统保护器的级差是指一个系统或一个之路所采用的保护电器上下级额定电流的等级之差。首先应搞清所选用的保护电器的型式，其次是该型式系列产品型号和额定电流的规格。常用的保护电器的型式主要是断路器、熔断器等；不同2的产品、不同型号的产品其额定电流的规格及等级是不一样的。如北京人民电器厂生产的G型直流断路器、型号为GM32系列、其电流等级为1、3、6、10、16、20、25、32、40等九个等级；如果下级断路器额定电流为3A时，上级断路器额定电流应为20，其电流级差为4级；如果RM10熔断器其电流等级为6、10、15、20、25、35、45、60、80、100、125、160、200、225、260、300、350、430、500、600等20个等级，如果下级断路器额定电流为6A时，上级断路器额定电流应为20，其电流级差为3级。
1.5直流电源系统保护级数的含义
一个直流电源系统所选保护点起的级数最多不宜超过4级。保护级数是指从直流电源蓄电池总出口到负荷端、其区间最长的一条支路所串联的保护电器数量（保护电器指直流断路器或熔断器）称为保护级数。
3一个站的直流断路器原则上应选用同一厂家的系统产品
在《直流电源技术监督》管理规范第二十七条中明确规定：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。
该条文的规定是来自很多运行单位实践经验和科研机构及电力设计院的研究成果。截至目前国内不少省市为了级差配合做了大量的研究和模拟实验，取得可喜的成果和经验，为了今后电力工程设计和有关规程的修订提供依据。
4不同厂家、不同型号保护电器的级差配合研究
掌握和了解直流电源系统中常用的保护电器和厂家、不同型号的各种熔断器和断路器，在多种方式组合下的配合特性，摸索和探讨直流系统各级保护电器的全保护选择性的技术条件，最终为了实现新站的设计和旧站的改造提供科学合理的典型配置方案。表4是在保护电器多种组合形式下的级差配合试验：此试验方法是在回路逐步增加电流，达到保护电器的过载或短路电流的要求，直至上下级之间不能配合为止的，详细情况见表4.。
序号1~7是组合方式1、断路器与断路器组合，为了相互比较，均计算上下级断路器的灵敏度系数，方法是根据低压断路器瞬时脱扣的标准范围Id大于额定电流的7倍、小于额定电流的15倍，具体是几倍额定电流要根据制造厂说明书提供的书面依据。由于我们没有厂家提供的依据，在此只能按短路电流除以断路器动作灵敏度系数1.25、然后再除以定额电流、然后找出其规律及临界值。
一般两段式保护的直流断路器，具有过载长延时的热脱扣功能，同时具有时间瞬时电磁脱扣功能，应该是理想的选择。但是直流断路器的额定电流选择是根据所供电的负荷电流计算确定。选择大了，由于负荷电流小，在过载时热脱扣延长了时间。选择小了，由于负荷电流大，长时间运行再加上环境温度高，热脱扣可能误动。
5不同直流断路器的级差配合的研究
某地区针对该地区变电站直流电源系统所使用的断路器和二、三级常用的规格及配合模式，进行了短路模拟试验。
直流系统短路电流的确定
根据表5计算的结果，选定1450A、1990A、2400A
2800A为分界点进行分断试验，验证上下级之间是否能够满足级差配合。在对试验结果进行分析时，对于当前的短路电流大于3100A，认为已超过试验范围。
试验方法：首先将预期的短路电流设定为较小的数值，对直流断路器的某一组合进行分断试验，有选择性分断三次，认为在该短路电流下，该组合是可以配合的；
如果出现无选择性分断三次，认为在该短路电流下，该组合是不可配合的；
如果三次中间同时出现选择性分断和无选择性分断，认为在该短路电流下，该组合是存在不确定性；如果可以配合则不断升高预期的短路电流，直至上、下级之间出现无法配合，试验终止。
（3） 断路器组合型式：见下表6和表7.
2.3 试验主要结论
（1）短路电流为1400A（110V 200Ah）
上级断路器为20A、下级一般可配置3A断路器；但是ABB得20A断路器下级不可配置西门子的3A断路器；另外西门子20A断路器与ABB及GM32的3A断路器配合也出现了不确定的现象；
上级断路器为32A时、下级可以配置3A断路器配；上级断路器为63A时、下级可以配置36A断路器配.
（2）短路电流为1900A（110V 300Ah）
上级断路器为20A、下级一般可配置3A断路器；但是ABB得20A断路器下级不可配置西门子的3A断路器；另外西门子20A断路器与ABB及GM32的3A断路器配合也出现了不确定的现象；上级断路器为32A时、下级可以配置3A断路器配；上级断路器为63A时、下级可以配置36A断路器配.。
（3）短路电流为2400A（110V 500Ah）上级断路器为20A 、下级可以配置3A断路器，因为除了ABB的20A断路器下级依然不能配置西门子的3A断路器之外 ；还有许多配合试验 出现不确定的现象；
上级断路器为32A时、下级可以配置3A断路器配；
上级断路器为63A时、下级可以配置ABB、梅兰日兰以及GM32的6A 断路器，但已经出现不能与西门子6A断路器配合的情况。
（4）短路电流为2800A（220V 300Ah）
上级断路器为20A 、32A，下级不可以配置3A断路器 ；
上级断路器为63A时、 下级可以配置ABB、梅兰日兰以及GM32的6A 断路器，但已经出现不能与西门子6A断路器配合的情况。
（5）两段断路器与三段断路器配合{短路电流为2800A（220V 300Ah）}；
三段保护的直流断路器GMB32（10ms）的20A、下级可以配置两段保护的直流断路器GM32 的10A断路器；
三段保护的直流断路器GMB32（10ms）的32A、下级可以配置两段保护的直流断路器GM32 的20A断路器；
三段保护的直流断路器GMB100（30ms）的63A、下级可以配置三段保护的直流断路器GMB32（10ms） 的32A断路器；三段保护的直流断路器GMB225（60ms）的160A、下级可以配置三段保护的直流断路器GMB100（30ms） 的63A断路器。
3结束语 在一个三级保护直流电源系统中的第二、三级保护电器通常采用直流断路器的配合模式，普遍存在上级为20-63A直流断路器与下级为10-25A配合的情况，按照试验结论，这种情况是不满足级差配合要求的。
尽管第二级采用熔断器和第三级采用直流断路器较为容易配合，但是由于熔断器的分散性及不易监视的特点而限制其应用，故不建议采用该配合方式。
如果第三级直流断路器不超过3A，则第二级直流断路器可以使用任意厂家的63A直流断路器。如果第三级直流断路器不超过6A，那么在上一级可以考虑采用同一生产厂家的63A直流断路器。
如果严格按照使用结果并考虑安全系数和不同生产厂家的产品之间的配合，第二级采用三段保护的直流断路器或熔丝刀开关。
在智能直流断路器没有出现之前，第二级保护电器采用三段保护的直流断路器的解决方案，可以达到有选择性的级差配合要求，可达到不拒动、不误动、不越级，基本解决了目前存在级差配合问题。但是目前三段保护直流断路器生产厂家少，在选型上无法满足多样化，另外采用这种解决方案在上级的范围内发生短路时，上级直流断路器本应瞬时动作分断，却出现延时分断，尽管延时时间较短（10-30ms），但对电池的安全性及继电保护的可靠性存在着一定的影响。
论文作者:陈书欣,曹光平
论文发表刊物:《电力设备》2016年第10期
论文发表时间:2016/7/24
标签：断路器论文; 电流论文; 下级论文; 级差论文; 上级论文; 选择性论文; 组合论文; 《电力设备》2016年第10期论文;