（上海电力设计院有限公司 上海 200025）
摘要：分布式并联电池直流系统具有系统结构简单、供电可靠性高、蓄电池利用率高、维护工作量低等优点。本文在现有分布式并联电池直流系统的基础上，对断路器选型与级差配合问题进行了深化研究，提出了断路器选型的关键技术，并提出了适用于110kV变电站的配置方案。
关键词：分布式并联电池直流系统；断路器选型；极差配合
0 引言
直流系统是变电站的重要组成部分，作为变电站内二次设备的主要工作电源，为设备的持续稳定运行提供了有力保障。
随着变电站交直流一体化电源系统的配置方案在110kV及以上变电站逐步普及，直流系统供电可靠度越来越重要。传统的直流系统往往都是采用高频开关电源+蓄电池组的配置，正常情况下直流电源由高频开关电源整流提供，事故情况下直流电源由蓄电池组提供。蓄电池组采用串联模式，通过52/104只单体电池串联，达到直流系统母线电压110V/220V要求，每只单体电池单体按蓄电池组全容量配置。
然而，传统直流串联型蓄电池存在以下问题：
（1）蓄电池参数必须严格保持一致。
（2）不同品牌、不同类型蓄电池不能混合使用，部分故障则导致整组报废，蓄电池利用效率降低。
（3）蓄电池组只能整组冗余配置、难以分散布置。
（4）蓄电池组无法实现在线全容量核容、在线更换。
造成上述问题的根本原因是：蓄电池间采用串联的连接方式。
1 分布式并联电池直流系统原理
并联电池直流系统通过将单只蓄电池与匹配的AC/DC、DC/DC电路及蓄电池充放电管理电路集成设计为“并联智能电池组件”，其原理如图1所示。
图1 并联智能电池组件原理图
将并联智能电池组件输出端并联至一段或多段直流母线上，通过馈线开关将直流电分配至各直流负荷上，构成整个并联直流系统，实现各蓄电池之间相互独立。
系统采用N+m备用方式（当N≤6，m=1；当N≥7，m=2），备用m个并联智能电池组件及m只蓄电池。当某个并联智能电池组件或蓄电池退出系统时，系统可正常带载运行。并联电池直流系统电气原理如图2所示。
图2 并联电池直流系统结构图
分布式并联电池直流系统按照变电站布置情况及直流负荷分布情况，使用不同数量的并联智能电池组件组成多个直流电源子系统，分散地布置于各直流负荷的集中区域，并进行统一监控与管理。分布式并联电池直流系统具备如下优点：
（1）简化系统结构
系统主要由：单只12V蓄电池、并联智能电池组件、监控系统、空气分断开关等元件组成，减少系统构成原件，系统构成更为简单，便于系统维护管理。
（2）提高直流系统供电可靠性。
将变电站的直流电源网络变为交流电源网络，降低绝缘降低对系统可靠性的影响；蓄电池从传统的串联变为间接并联，蓄电池的整体性能不再由最差一只蓄电池决定，系统供电可靠性更高。
（3）减少直流电缆使用量
可降低系统的一次建设投资成本，并且降低绝缘水平降低对直流系统供电可靠性影响。
（4）提高蓄电池的利用率
蓄电池并联使用，无需蓄电池配组，可将蓄电池的使用发挥到最大程度，减少蓄电池的使用。对于蓄电池这种对环境污染较大的产品，具有较好的社会、经济效益。
（5）减少系统维护工作量
并联智能电池模块可热插拔、蓄电池可实现在线更换；蓄电池可在线自动全容量核容，减少蓄电池维护工作量。
分布式并联电池直流系统与传统直流系统区别见下表1。
2 分布式并联电池直流系统的断路器选型
传统直流系统中，蓄电池组直接连接至直流母线，当馈线发生短路的情况下，短路电流由蓄电池提供。对于上下级直流断路器的选择与配合，目前已积累了大量工程经验，按照直流规范DL/T 5044-2014进行计算即可。
然而，在分布式并联电池直流系统中，蓄电池连接至每个并联智能电池组件，并联智能电池组件输出端并联至直流母线上。当馈线发生短路时，其短路电流由并联智能电池组件或放电电容提供，而不是蓄电池。分布式并联电池直流系统的等效系统网络图如图3所示，需要满足d1点短路时，S1断路器能够可靠动作；d2点短路时，S2断路器能够可靠动作，且S1断路器不动作。
图3 等效系统网络图
2.1 电解电容储能放电
目前，解决分布式并联电池直流系统断路器选型与配合的一种方式是在并联智能电池组件出口处，即图3的d点，装设电容。短路时，由电容放电来提供短路电流。
假设32A直流微断开关，按放电电流达到15倍开关额定电流维持10mS来计算所需的电解电容容量值。短路脱扣期间允许电压下降20%，对于DC110V母线则为22V。U1=110V；U2=88V。
W=0.5*C*U12-0.5*C*U22=0.5*Id*（U1+U2）*⊿t
C=Id*（U1+U2）*⊿t/（U12-U22）=32*15*198*0.01/（1102-882）=950/4356=0.22F
即要储存32A直流微断开关15倍短路电流20mS放电需要配置0.22F/300V的电解电容。
目前1个助流电解电容模块为0.0216F，按上面计算结果：32A直流微断开关约需要配置10个。
电解电容放电法对解决大电流瞬时开关脱扣有效，但对于较小故障电流，需维持较长时间的电流输出情况下，特别是需要保证两级断路器极差配合的问题上，电解电容放电法解决难度较大。
2.2并联电池组件放电
解决分布式并联电池直流系统提供短路电流的另一种方式是利用并联电池组件在短路情况下的短时输出特性。
目前，对于单个并联电池组件输出额定电流Ie为4A，并联电池组件输出特性如下图4：
图4 并联电池组件输出特性
（1）100ms内，并联电池组件输出稳定的30A（7.5Ie）电流。
（2）100ms~60s内，并联电池组件输出稳定的10A（2.5Ie）电流。
（3）60s以后，内并联电池组件输出稳定的4.4A（1.1Ie）电流。
利用每个组件输出特性，通过并联电池组件数量，来能解决馈线短路直流微断开关延时跳闸脱扣问题。
对于32A直流微断开关，15倍脱扣电流为480A，需配置16只4A模块，即可解决32A开关瞬时及100mS以内延时保护问题。
依靠并联电池模块短时大倍率输出电流特性，如针对大电流瞬时开关脱扣进行配置，理论上讲，可以通过并联电池模块输出特性解决馈线断路器瞬时脱扣问题。但是，需要配置一定数量的并联电池组件，断路器的级差配合问题仍需实际工程中进行校验。
3 110kV变电站断路器选型设计案例分析
下面以110kV变电站为例进行分布式并联电池直流系统中的断路器选型与配合设计。
分布式并联电池直流系统中蓄电池、并联电池组件及馈线断路器均布置于屏，馈线断路器至直流末端断路器平均距离按照L2=20m考虑。直流末端断路器按照6A考虑，直流馈线断路器按照三极极差，25A考虑，并联电池组件共配置14组。
3.3 断路器选择配合分析
d1点的短路：S1（25A）断路器的最大瞬时短路保护（速度保护）电流为：15In=25×15=375A。375A<Id1（410A）, S1断路器动作
d2点的短路：S2（6A）断路器最大瞬时短路保护电流为：15In=15×6=90A，90A<Id2（228A）。S1断路器最小瞬时短路保护电流为：7In=7×25=175A<Id2（228A），存在d2点短路，S1与S2断路器同时动作的可能性，不具备选择性。
对于上述设计方案中存在断路器级差配合失效的情况，有两种解决方案：
一、加大两级断路器的级差，即S1断路器按照32A考虑。
二、增加L2的电缆长度。
对于方案一，由于S1选择32A断路器，d1点的短路电流Id1必须大于15In=32×15=480A，其结果是增加并联电池组件的配置数量，增加了投资，可行性较差。
对于方案二，将L2的电缆长度增加至50米，根据上述计算，I d2=165A，即满足d2点短路时，S2断路器能够可靠动作，且S1断路器不动作，相比于方案一而言，虽然也增加电缆的费用，但是可行性较高。
故最终按照方案二，即L2的电缆长度增加至50米进行设计，以保证断路器的极差配合。
4 结语
采用分布式并联电池直流系统可以解决蓄电池串联集中布置方式下，单只蓄电池质量、连接线影响整组电池可靠性，不能在线更换维护，系统可靠性低等问题。
本文在分布式并联电池直流系统研究的基础上，对断路器选型与级差配合问题进行了深化分析，并在110kV变电站实际工程中应用，得出如下结论：
一、依靠并联电池组件短时大倍率输出电流特性，能够解决馈线断路器瞬时脱扣问题。但同时局限了并联电池组件的最小配置数量，限制了分布式并联电池直流系统的应用范围。
二、目前分布式并联电池直流系统的断路器极差配合选择仍存在一定缺陷，需实际工程中进行校验。
参考文献：
[1] DL/T 5044-2014 《电力工程直流电源系统设计技术规程》
[2] 聂小勇，蒋兴，陈波波等. 并联磷酸铁锂电池在110kV变电站的应用研究.电源技术，2016，40(8).
[3] 张丽娟 张莉丽 王林． 并联电池在电力系统中的应用研究．科技应用，2015，36.
[4] 王周选. 分布式并联电池直流电源系统的应用. 甘肃电力技术,2014,（34）.
翁之浩（1984－），性别：男，学历：硕士，职称：工程师，主要研究方向：电力系统继电保护及自动化；单位：上海电力设计院有限公司
论文作者:翁之浩
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/28
标签：断路器论文; 电池论文; 蓄电池论文; 系统论文; 组件论文; 分布式论文; 电流论文; 《电力设备》2018年第2期论文;