中低壓直流配電系統(tǒng)故障分析及保護(hù)配置研究

張偉泉

【摘 要】因直流系統(tǒng)是配電技術(shù)的重要部分，所以國(guó)家及電氣企業(yè)應(yīng)對(duì)其的保護(hù)給予高度重視。對(duì)直流配電的保護(hù)，是加快其系統(tǒng)發(fā)展速度的關(guān)鍵，需要相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行仔細(xì)考究。論文先是對(duì)直流保護(hù)構(gòu)成及原理進(jìn)行了闡述，后又對(duì)其系統(tǒng)常見(jiàn)故障與在中低壓下主動(dòng)實(shí)施故障解決措施的方法展開(kāi)了深度探究。此次探究的主要目的是為了保護(hù)直流配電系統(tǒng)，促進(jìn)我國(guó)電氣事業(yè)的發(fā)展。

【Abstract】As the direct current system is an important part of the distribution technology， the state and electrical enterprises should pay great attention to its protection. The protection of DC power distribution is the key to speed up the development of its system， and the relevant person in charge should carefully examine it. This paper first describes the constitution and principles of DC protection， and then makes a deep inquiry into the common faults of its system and the measures to solve the problems in the middle and low voltage. The main purpose of this inquiry is to protect the DC power distribution system and promote the development of the electrical industry in China.

【關(guān)鍵詞】中低壓；直流配電；配電系統(tǒng)保護(hù)

【Keywords】medium and low voltage； DC distribution； distribution system protection

【中圖分類號(hào)】TM77 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）03-0164-02

1 引言

直流系統(tǒng)可將分布式發(fā)電、配電供電及儲(chǔ)能等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)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(jià)值。系統(tǒng)保護(hù)是配電安全運(yùn)行的保障，其實(shí)施難點(diǎn)主要是電流未能經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，使滅弧較難，且控制相對(duì)復(fù)雜，需給予滅弧更大的空間。國(guó)家電氣工程相關(guān)工作人員在研究直流保護(hù)的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)其運(yùn)行動(dòng)態(tài)與常見(jiàn)故障間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行充分考慮，以此來(lái)獲得更佳的保護(hù)效果。文章依據(jù)直流組成及其原理，分析總結(jié)出了其系統(tǒng)的常見(jiàn)故障類型，提出的一系列故障解決策略，對(duì)直流配電系統(tǒng)的完善具有理論性意義，對(duì)解決其建設(shè)中的實(shí)際問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)性的指導(dǎo)意義。

2 直流主動(dòng)保護(hù)構(gòu)成及其原理

直流保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)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(wú)論是應(yīng)用哪一種系統(tǒng)，均是以DC/AC和DC/DC器為載體，使儲(chǔ)能、多型負(fù)荷及分布式發(fā)電相連接，系統(tǒng)保護(hù)便集成于DC/AC和DC/DC中[1]。其主動(dòng)保護(hù)構(gòu)成由短路與接地保護(hù)、絕緣下降、交直流混接、環(huán)網(wǎng)保護(hù)、交流電網(wǎng)、儲(chǔ)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(fù)載。其原理是在電子轉(zhuǎn)換器構(gòu)造監(jiān)控與拓?fù)湓砘A(chǔ)上，將其保護(hù)行為“融入”轉(zhuǎn)換器的邏控之中，遵循雙重保護(hù)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(yùn)行的線路自然斷離，并對(duì)故障較為嚴(yán)重的回路進(jìn)行切斷處理，可阻止輕微故障變嚴(yán)重?cái)U(kuò)大危害范圍，盡可能確保系統(tǒng)正常工作。因電子轉(zhuǎn)換器具有自己的保護(hù)性能，所以諸多學(xué)術(shù)研究人員對(duì)其進(jìn)行探究的興趣頗高。此項(xiàng)技術(shù)具有繼電保護(hù)作用，已經(jīng)被國(guó)人廣泛應(yīng)用于電氣企業(yè)當(dāng)中。直流繼電器結(jié)合斷路器，可對(duì)故障進(jìn)行快速檢測(cè)與斷離。

3 中低壓直流配電系統(tǒng)常見(jiàn)故障解析

非高壓直流系統(tǒng)中，常見(jiàn)的故障有短路故障與接地故障。

①短路故障：正負(fù)電極均懸空的系統(tǒng)，如若正負(fù)極其中一極接地，則無(wú)法造成電路短路；如若唯有接地線電壓出現(xiàn)異常，且正負(fù)極其中一極線路接地，便會(huì)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(guò)零點(diǎn)[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(wèn)題并未引發(fā)接地故障，當(dāng)接地電壓發(fā)生異常時(shí)，如若未能對(duì)其進(jìn)行有效控制，可使其最終演變成接地故障。近幾年，我國(guó)的直流斷路技術(shù)還未發(fā)展成熟，對(duì)于其他故障的保護(hù)方法僅限于監(jiān)測(cè)與報(bào)警，而對(duì)于接地故障保護(hù)，我國(guó)已有一定的技術(shù)成果，例如環(huán)網(wǎng)技術(shù)。

③直流故障具有自身獨(dú)特的直流電壓，其故障點(diǎn)位較難尋找。直流電系中，導(dǎo)致線路故障形成的原因之一是直流環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題。環(huán)網(wǎng)故障會(huì)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(yán)重的情況下，很有可能導(dǎo)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(hù)方法探析

4.1 直流環(huán)網(wǎng)維護(hù)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(yùn)行的過(guò)程中，受倒負(fù)荷與絕緣度降低等因素的影響，極易使其出現(xiàn)故障，導(dǎo)致產(chǎn)生火災(zāi)、電池使用年限縮短以及空氣開(kāi)關(guān)失效等問(wèn)題。若出現(xiàn)兩個(gè)直流等級(jí)各不相同的系統(tǒng)電壓，則會(huì)造成更為嚴(yán)重的后果。例如，異常發(fā)電現(xiàn)象，會(huì)引發(fā)電路短路或接地等危害。DC/DC屬于隔離型轉(zhuǎn)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(fù)荷電壓始終保持平衡狀態(tài)[3]。各支流通過(guò)使用DC/DC可完成單獨(dú)供電。當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)故障時(shí)，DC/DC可保證各直流系統(tǒng)正常運(yùn)作。面對(duì)多條直流線路同時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題的危急時(shí)刻，借助環(huán)網(wǎng)監(jiān)測(cè)可檢測(cè)出其問(wèn)題所屬的故障種類，并將故障點(diǎn)前后電路封鎖，阻止轉(zhuǎn)換器輸出電流，實(shí)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(hù)法

依照主動(dòng)保護(hù)原理，短路故障的保護(hù)應(yīng)以電子器件內(nèi)部的運(yùn)行原理及算控法為基礎(chǔ)，通過(guò)邏輯管控與診斷，對(duì)短路電流進(jìn)行切斷處理。單元隔離法將部分因故障問(wèn)題流失電流進(jìn)行回吸，可降低故障的破壞力，避免直流系統(tǒng)整體運(yùn)行中斷。ASP集成器的應(yīng)用，可將DC/AC或者是DC/DC器中，需要被保護(hù)的各直流線路進(jìn)行串聯(lián)。考慮到轉(zhuǎn)換器中電力IGBT的全控型運(yùn)作特點(diǎn)及原理，一旦饋線電路或直流干線出現(xiàn)短路問(wèn)題，可通過(guò)邏輯法實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的控制[4]。快速完成主動(dòng)保護(hù)，使功率輸出停止運(yùn)行，可將短路線路與主干線、分布式發(fā)電線、負(fù)載線進(jìn)行脫離，加快了主動(dòng)保護(hù)的速度，增強(qiáng)了其可靠性，使其作用得以充分發(fā)揮。短路故障保護(hù)的主要控制開(kāi)關(guān)是半導(dǎo)器件，其電路開(kāi)關(guān)通斷的控制法與其他方法不同，其故障保護(hù)總通斷時(shí)長(zhǎng)應(yīng)被局限于μs級(jí)范圍內(nèi)。

4.3 接地故障維護(hù)法

接地保護(hù)法是指依靠快速檢測(cè)，由DC/DC器通過(guò)將單元進(jìn)行隔離，進(jìn)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(fù)載間的故障傳播，為主干線路與其饋線的正常運(yùn)作提供保障。接地危害的監(jiān)測(cè)工作，是實(shí)現(xiàn)直流保護(hù)的最大難題。當(dāng)前，經(jīng)常被使用的監(jiān)測(cè)方法包括三種，分別是電阻平衡法、漏電檢測(cè)法及低頻交流法等。此三種方法雖然均能為故障的檢測(cè)工作帶來(lái)一定的效果，但是，僅能起到報(bào)警的作用，無(wú)法從根源處解決接地故障問(wèn)題，防止其危害的發(fā)生。此外，漏電后，若絕緣不及時(shí)，會(huì)引發(fā)接地危害。AGP需要考慮和集成絕緣下降報(bào)警。應(yīng)用非平衡橋法，可對(duì)故障及絕緣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可考慮使用AGP絕緣報(bào)警。通過(guò)對(duì)直流正負(fù)電阻的監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)接地絕緣報(bào)警。

5 結(jié)論

總而言之，隨著我國(guó)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(dòng)保護(hù)的靈敏度與可靠性有所提高。電氣單位做好主動(dòng)保護(hù)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(duì)斷路器的傷害。通過(guò)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，允許各環(huán)境下故障系統(tǒng)照常運(yùn)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(yīng)商信譽(yù)的可靠度提供保障。文章針對(duì)直流保護(hù)原理及其系統(tǒng)具有短路故障與接故障等問(wèn)題，提出了直流環(huán)網(wǎng)維護(hù)法、短路故障保護(hù)法以及接地故障維護(hù)法等策略，希望能夠?yàn)殡娖筇峁椭?/p>

【參考文獻(xiàn)】

【1】吳鳴，劉海濤，陳文波，等.中低壓直流配電系統(tǒng)的主動(dòng)保護(hù)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（4）：891-899.

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【3】高峰.含電阻型超導(dǎo)限流器的直流配電系統(tǒng)繼電保護(hù)原理研究[D].天津：天津大學(xué)，2015.

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