試析直流配電系統(tǒng)故障分析與保護(hù)技術(shù)研究

張紅琳 楊艷玲 杜瑞蘭

摘 要：本文首先介紹了當(dāng)前直流配電系統(tǒng)的故障，并對(duì)故障成因和系統(tǒng)保護(hù)方法分別做出了論述。研究出安全可靠，并兼顧傳輸速度的電路保護(hù)技術(shù)對(duì)推動(dòng)直流配電系統(tǒng)的發(fā)展意義重大，并將成為全行業(yè)未來的重點(diǎn)研究方向。

關(guān)鍵詞：直流配電系統(tǒng)；故障分析；保護(hù)分區(qū)

0 引言

人類社會(huì)的生存發(fā)展與能源的供給密切相關(guān)，在電能被開發(fā)利用以前，化石能源壟斷了全人類能源的產(chǎn)出和消耗。近年來，能源緊缺的陰影籠罩在全世界人民心頭，為了解決好這一問題，世界各國爭相提出新能源體系的構(gòu)架方案，以求低耗可持續(xù)的發(fā)展路線。世界能源產(chǎn)出與消耗的格局已經(jīng)隨著能源危機(jī)而產(chǎn)生了顯著的變化，與資源豐富的中東國家相比，我國化石能源相對(duì)匱乏，資源持續(xù)供應(yīng)力明顯不足，人均資源共享份額低于世界平均水平。為了謀求這一嚴(yán)峻現(xiàn)狀框架內(nèi)的長期發(fā)展路線，我國將大力開發(fā)電能，將配電網(wǎng)的構(gòu)架作為能源輸出的主要方法。

直流配電系統(tǒng)內(nèi)含有大量的分布式電源，可與儲(chǔ)能系統(tǒng)接入，并且系統(tǒng)內(nèi)既有直流負(fù)荷，又有交流負(fù)荷。直流電系統(tǒng)可以采用正負(fù)兩極制和三線供電制兩種方式來搭建，比交流電系統(tǒng)的電壓更穩(wěn)定，并且系統(tǒng)中的變流器裝置能夠靈活地控制有功功率和無功功率，效果相當(dāng)于無功補(bǔ)償器，繼而不必再擔(dān)心與交流系統(tǒng)串聯(lián)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓差。

1 直流配電系統(tǒng)常見故障

1.1 變壓器故障

在直流配電系統(tǒng)中，變壓器扮演著非常重要的角色，變壓器一旦損壞，就會(huì)使得系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的實(shí)際電壓偏離額定電壓，造成設(shè)備損壞。具體表現(xiàn)為變壓器有閥短路、橋臂短路直流側(cè)電容被擊穿以及冷卻閥門損壞等。

1.2 負(fù)荷故障

直流配電系統(tǒng)內(nèi)不僅有直流負(fù)荷，還有通過變壓器接入的交流負(fù)荷。此外，微型燃?xì)廨啓C(jī)、系統(tǒng)內(nèi)涵分布式電源也都屬于負(fù)載保護(hù)的范圍。一般來說，直流負(fù)荷的故障頻率要高于交流負(fù)荷，容易產(chǎn)生短路、負(fù)載過度等現(xiàn)象，造成電纜發(fā)熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。系統(tǒng)內(nèi)的分布式電源易發(fā)故障與自身所屬種類有關(guān)，常規(guī)的故障點(diǎn)一般分布在電網(wǎng)接口、電池兩極等地方。再者，電能儲(chǔ)備系統(tǒng)接入直流網(wǎng)時(shí)，如果未能經(jīng)過轉(zhuǎn)流設(shè)備分流處理，也是引發(fā)負(fù)荷故障的主要原因之一。

1.3 直流電網(wǎng)故障

出于實(shí)際需求的考慮，直流配電系統(tǒng)一般采用雙向換流裝置，因此使得直流側(cè)容易發(fā)生短路故障，或者換流器失靈。另外，由于直流電路結(jié)構(gòu)比交流電路簡單，一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致大面積的電流強(qiáng)度改變，會(huì)破壞電路中并聯(lián)的其他裝置。因此在排查故障時(shí)，不僅要迅速地找到故障位置，還要將電網(wǎng)局部結(jié)扎，防止故障進(jìn)一步蔓延。

1.4 單極接地故障

與交流電網(wǎng)不同，直流電網(wǎng)絡(luò)中很容易發(fā)生單極接地故障。在以電纜傳輸線路為主的直流電能傳輸中，電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的跳閘線圈一般都是接在負(fù)極電源端，如果這些回路接地時(shí)絕緣不良，就會(huì)引起系統(tǒng)保護(hù)誤判，從而正負(fù)極電壓發(fā)生過大落差，繼而造成單極接地?zé)o法實(shí)行，導(dǎo)致整個(gè)電流配電系統(tǒng)癱瘓。

2 直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研究

直流配電系統(tǒng)內(nèi)的電壓差普遍存在，同時(shí)設(shè)備類型呈現(xiàn)多元化，且負(fù)載單元種類復(fù)雜。因此，針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不同的保護(hù)對(duì)象，應(yīng)采取不同的措施。

2.1 柔性直流輸電系統(tǒng)的保護(hù)

“柔性”是相對(duì)于普通直流輸電提出的新概念，該技術(shù)引進(jìn)了尖端大功率電子器件組成的電壓源換流裝置（VSC），可根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際需求，即時(shí)改變電能輸送的總量和輸送方向，對(duì)優(yōu)化電能質(zhì)量也有貢獻(xiàn)。當(dāng)前我國采用了模塊化多電平技術(shù)（MMC），該技術(shù)的規(guī)模、容量、電壓等級(jí)等參數(shù)無不是依據(jù)工程需求與電能傳輸距離量身定制，個(gè)性化和智能化程度非常高。

2.2 多端口直流配電系統(tǒng)的保護(hù)

多端口直流輸電系統(tǒng)指的是由兩個(gè)以上高壓直流輸出中轉(zhuǎn)站和與之相連接的高壓直流閉合線路組成的高壓直流輸電系統(tǒng)。截至目前，世界各國充分認(rèn)識(shí)到多端口高壓直流輸電在可再生能源和智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要作用，因此相關(guān)輸電工程應(yīng)用開始呈現(xiàn)快速增長。全球已投運(yùn)的直流輸電工程均為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩端系統(tǒng)，尚無多端柔性直流輸電工程投入實(shí)際商業(yè)運(yùn)作中。

2.3 直流配電系統(tǒng)繼電器保護(hù)

繼電器可以對(duì)整個(gè)直流電網(wǎng)起到選擇性的定向保護(hù)作用。當(dāng)電力系統(tǒng)中的設(shè)備發(fā)生故障或被短接時(shí)，繼電保護(hù)能夠準(zhǔn)確地將故障設(shè)備或所在局部電路從總電力系統(tǒng)中隔離開來。大型直流電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，離不開結(jié)構(gòu)合理的繼電器保護(hù)裝置。繼電保護(hù)運(yùn)行中，如發(fā)現(xiàn)有任何異常狀態(tài)（如發(fā)熱過高），需密切監(jiān)視保護(hù)裝置的瞬時(shí)溫度，進(jìn)行散熱處理，并及時(shí)聯(lián)系繼保人員處理。

3 總結(jié)

直流配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)是關(guān)乎全局的問題，只有具備了合理的結(jié)構(gòu)，才能保證該系統(tǒng)穩(wěn)定高效地運(yùn)行。在執(zhí)行具體設(shè)計(jì)方案時(shí)，相關(guān)技術(shù)人員需要從整個(gè)配電系統(tǒng)出發(fā)，站在統(tǒng)領(lǐng)全局的高度，綜合考慮系統(tǒng)對(duì)分布式電源的兼容能力、電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的運(yùn)營成本等多方面要素。同時(shí)，針對(duì)直流供電系統(tǒng)中的故障成因及維護(hù)方法，筆者也做出了相應(yīng)論述，以期為行業(yè)內(nèi)人士提供參考，共同進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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[2]葉李心.適應(yīng)于分布式電源接入的直流配電模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.

[3]高一波.直流配電系統(tǒng)接地故障分析與接地方式研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

（作者單位：國網(wǎng)山東省電力公司巨野縣供電公司）