中低壓直流配電系統(tǒng)故障分析及保護配置研究

張偉泉

（核工業(yè)工程研究設計有限公司，廣東陽江529941）

1 引言

直流系統(tǒng)可將分布式發(fā)電、配電供電及儲能等優(yōu)點進行充分發(fā)掘，以便為電氣企業(yè)的供電與用戶的用電提供新效益與新價值。系統(tǒng)保護是配電安全運行的保障，其實施難點主要是電流未能經(jīng)過零點，使滅弧較難，且控制相對復雜，需給予滅弧更大的空間。國家電氣工程相關工作人員在研究直流保護的過程中，應對其運行動態(tài)與常見故障間的關聯(lián)進行充分考慮，以此來獲得更佳的保護效果。文章依據(jù)直流組成及其原理，分析總結出了其系統(tǒng)的常見故障類型，提出的一系列故障解決策略，對直流配電系統(tǒng)的完善具有理論性意義，對解決其建設中的實際問題具有現(xiàn)實性的指導意義。

2 直流主動保護構成及其原理

直流保護系統(tǒng)的構成分為單母線配電、兩端配電以及放射狀與環(huán)狀配電等四種系統(tǒng)，無論是應用哪一種系統(tǒng)，均是以DC/AC和DC/DC器為載體，使儲能、多型負荷及分布式發(fā)電相連接，系統(tǒng)保護便集成于DC/AC和DC/DC中[1]。其主動保護構成由短路與接地保護、絕緣下降、交直流混接、環(huán)網(wǎng)保護、交流電網(wǎng)、儲能電池、光伏電池及燃料電池等組成，其借助DC/DC或DC/AC接受配電，將電供給負載。其原理是在電子轉換器構造監(jiān)控與拓撲原理基礎上，將其保護行為“融入”轉換器的邏控之中，遵循雙重保護原則，充分利用隔離單元與電子器件，使諸多故障線路與正常運行的線路自然斷離，并對故障較為嚴重的回路進行切斷處理，可阻止輕微故障變嚴重擴大危害范圍，盡可能確保系統(tǒng)正常工作。因電子轉換器具有自己的保護性能，所以諸多學術研究人員對其進行探究的興趣頗高。此項技術具有繼電保護作用，已經(jīng)被國人廣泛應用于電氣企業(yè)當中。直流繼電器結合斷路器，可對故障進行快速檢測與斷離。

3 中低壓直流配電系統(tǒng)常見故障解析

非高壓直流系統(tǒng)中，常見的故障有短路故障與接地故障。

①短路故障：正負電極均懸空的系統(tǒng)，如若正負極其中一極接地，則無法造成電路短路；如若唯有接地線電壓出現(xiàn)異常，且正負極其中一極線路接地，便會引發(fā)短路故障。直流系統(tǒng)的短路故障，其電流輸送速度飛快，影響范圍廣泛，且未經(jīng)過零點[2]。解決直流短路故障的方法諸多，其中切除電路的方式最為直接且效果較好。

②接地故障：前期線路絕緣性能的下降與交直流交接混亂等問題并未引發(fā)接地故障，當接地電壓發(fā)生異常時，如若未能對其進行有效控制，可使其最終演變成接地故障。近幾年，我國的直流斷路技術還未發(fā)展成熟，對于其他故障的保護方法僅限于監(jiān)測與報警，而對于接地故障保護，我國已有一定的技術成果，例如環(huán)網(wǎng)技術。

③直流故障具有自身獨特的直流電壓，其故障點位較難尋找。直流電系中，導致線路故障形成的原因之一是直流環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)問題。環(huán)網(wǎng)故障會使直流電系統(tǒng)之間產(chǎn)生電環(huán)流，最終造成輸電異常的危害，嚴重的情況下，很有可能導致線路出現(xiàn)短路或是接地故障。

4 非高壓直流系統(tǒng)故障保護方法探析

4.1 直流環(huán)網(wǎng)維護法

直流環(huán)網(wǎng)法的內(nèi)涵主要指在直流系統(tǒng)未能并列期間，環(huán)網(wǎng)存有的多數(shù)電氣連接。在環(huán)網(wǎng)運行的過程中，受倒負荷與絕緣度降低等因素的影響，極易使其出現(xiàn)故障，導致產(chǎn)生火災、電池使用年限縮短以及空氣開關失效等問題。若出現(xiàn)兩個直流等級各不相同的系統(tǒng)電壓，則會造成更為嚴重的后果。例如，異常發(fā)電現(xiàn)象，會引發(fā)電路短路或接地等危害。DC/DC屬于隔離型轉換器，具有穩(wěn)定電壓的作用，在直流環(huán)網(wǎng)中，可確保各負荷電壓始終保持平衡狀態(tài)[3]。各支流通過使用DC/DC可完成單獨供電。當負荷出現(xiàn)故障時，DC/DC可保證各直流系統(tǒng)正常運作。面對多條直流線路同時出現(xiàn)問題的危急時刻，借助環(huán)網(wǎng)監(jiān)測可檢測出其問題所屬的故障種類，并將故障點前后電路封鎖，阻止轉換器輸出電流，實現(xiàn)故障隔離，可有效避免直流主干線與其他支干線的輸電工作受到影響。

4.2 短路故障保護法

依照主動保護原理，短路故障的保護應以電子器件內(nèi)部的運行原理及算控法為基礎，通過邏輯管控與診斷，對短路電流進行切斷處理。單元隔離法將部分因故障問題流失電流進行回吸，可降低故障的破壞力，避免直流系統(tǒng)整體運行中斷。ASP集成器的應用，可將DC/AC或者是DC/DC器中，需要被保護的各直流線路進行串聯(lián)?？紤]到轉換器中電力IGBT的全控型運作特點及原理，一旦饋線電路或直流干線出現(xiàn)短路問題，可通過邏輯法實現(xiàn)對IGBT的控制[4]?？焖偻瓿芍鲃颖Ｗo，使功率輸出停止運行，可將短路線路與主干線、分布式發(fā)電線、負載線進行脫離，加快了主動保護的速度，增強了其可靠性，使其作用得以充分發(fā)揮。短路故障保護的主要控制開關是半導器件，其電路開關通斷的控制法與其他方法不同，其故障保護總通斷時長應被局限于μs級范圍內(nèi)。

4.3 接地故障維護法

接地保護法是指依靠快速檢測，由DC/DC器通過將單元進行隔離，進而完成隔離接地故障的目的。在線路饋線處，便將故障限制于此，可有效阻止主干線與電源、負載間的故障傳播，為主干線路與其饋線的正常運作提供保障。接地危害的監(jiān)測工作，是實現(xiàn)直流保護的最大難題。當前，經(jīng)常被使用的監(jiān)測方法包括三種，分別是電阻平衡法、漏電檢測法及低頻交流法等。此三種方法雖然均能為故障的檢測工作帶來一定的效果，但是，僅能起到報警的作用，無法從根源處解決接地故障問題，防止其危害的發(fā)生。此外，漏電后，若絕緣不及時，會引發(fā)接地危害。AGP需要考慮和集成絕緣下降報警。應用非平衡橋法，可對故障及絕緣進行監(jiān)測，可考慮使用AGP絕緣報警。通過對直流正負電阻的監(jiān)測，可實現(xiàn)接地絕緣報警。

5 結論

總而言之，隨著我國電氣事業(yè)的不斷發(fā)展，電力配電系統(tǒng)獲得完善，并逐漸走向成熟，致使主動保護的靈敏度與可靠性有所提高。電氣單位做好主動保護工作，可將直流故障的影響力降至最低，破壞范圍縮至最小，減小了其對斷路器的傷害。通過優(yōu)化其結構，允許各環(huán)境下故障系統(tǒng)照常運行，既有利于直流系統(tǒng)接納其他電源能力的提升，又可為電流供應商信譽的可靠度提供保障。文章針對直流保護原理及其系統(tǒng)具有短路故障與接故障等問題，提出了直流環(huán)網(wǎng)維護法、短路故障保護法以及接地故障維護法等策略，希望能夠為電企提供幫助。