直流配電系統(tǒng)故障研究

劉虎 李俊剛 冀娟 張艷華

摘要：直流配電系統(tǒng)具備的線路損耗小、電能質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)吸引了電力專業(yè)人員的關(guān)注。本文概述了直流配電系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的直流系統(tǒng)故障，并詳細(xì)列舉了保護(hù)區(qū)域及故障分類，然后總結(jié)了直流配電系統(tǒng)的故障特性，最后對(duì)保護(hù)與控制的配合提高直流配電系統(tǒng)穩(wěn)定做出了展望。

關(guān)鍵詞：直流配電系統(tǒng);繼電保護(hù);故障研究

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）12-0077-02

0 引言

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)中交流供電方式占據(jù)了主導(dǎo)地位，伴隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展及對(duì)電力系統(tǒng)創(chuàng)新的方向，直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯出來(lái)。相比于傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)系統(tǒng)具有線路損耗小、傳輸容量大、電能質(zhì)量高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在智能配電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景十分廣闊，但是由于缺乏成熟的直流配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其可能面臨的故障問(wèn)題也缺乏有效的解決方法。本文從中低壓直流系統(tǒng)的概述開(kāi)始，詳細(xì)的列舉了直流配電系統(tǒng)故障類型及保護(hù)區(qū)域的劃分，講述了直流配電系統(tǒng)的故障特性。

1 直流配電系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)的講直流配電網(wǎng)絡(luò)按照電壓等級(jí)的不同分為3種：低壓直流電網(wǎng)（Udc<1500V）、中壓直流電網(wǎng)（1500V<Udc<30kV）及高壓直流電壓（Udc>30kV）。歐洲電力標(biāo)委會(huì)在2007年左右頒布的低壓標(biāo)準(zhǔn)中，將電壓等級(jí)低于1500V的直流配電網(wǎng)劃分為低壓直流電網(wǎng)。通過(guò)圖1可以看到直流配電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)中經(jīng)常使用的的負(fù)載，如電力電子類負(fù)載、熱阻性負(fù)載、交直流電機(jī)等等，在直流配電網(wǎng)下較寬的電壓范圍內(nèi)仍可以正常使用。然而，想要擴(kuò)大直流配電技術(shù)的應(yīng)用范圍，低壓直流配電網(wǎng)與中壓直流電網(wǎng)的融合勢(shì)在必行。目前在風(fēng)電場(chǎng)及船舶系統(tǒng)的供電系統(tǒng)中，中壓直流配電網(wǎng)都有所應(yīng)用。在傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)中接入AC/DC 變換器即可將交流變換成直流，經(jīng)過(guò)中壓直流母線在負(fù)載端通過(guò)DC/DC高功率變換器轉(zhuǎn)換成用戶可以使用的適當(dāng)電壓。

直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有單母線直流配電系統(tǒng)，以及放射狀、兩端狀、環(huán)狀等多種結(jié)構(gòu)。但是無(wú)論采取何種結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)連接儲(chǔ)能設(shè)備、分布式發(fā)電設(shè)備的多類型不同符合的交直流變換器、直流變換器不可或缺。其中，帶有直流保護(hù)裝置的直流配電系統(tǒng)如下圖2所示。該系統(tǒng)的能源來(lái)源可以是交流電網(wǎng)、光伏電池、燃料電池、儲(chǔ)能電池等， 通過(guò)AC/DC、單向DC/DC、雙向DC/DC保護(hù)連接到直流母線，然后通過(guò)直流保護(hù)裝置向熱性負(fù)載、電力電子負(fù)載、直流電機(jī)、充電樁等供電。這樣的配置基于不同的區(qū)域提供精確的保護(hù)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)既可以迅速切除故障，又可以準(zhǔn)確定位故障的來(lái)源，使故障的影響范圍和成都縮減到最小。

2 直流配電系統(tǒng)區(qū)域保護(hù)與故障分類

傳統(tǒng)的直流輸變電系統(tǒng)的保護(hù)是以系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為劃分依據(jù)，主要?jiǎng)澐譃?個(gè)區(qū)域即交流側(cè)系統(tǒng)保護(hù)、換流器區(qū)域保護(hù)以及直流側(cè)系統(tǒng)保護(hù)。與傳統(tǒng)直流輸變電系統(tǒng)相異之處是，直流配電系統(tǒng)的線路T接負(fù)載、分布式支路相關(guān)的故障類型要復(fù)雜的多。中壓直流配電系統(tǒng)的區(qū)域保護(hù)可以分為交流系統(tǒng)側(cè)保護(hù)、交直流變換器保護(hù)、直流系統(tǒng)側(cè)保護(hù)、負(fù)荷側(cè)保護(hù)4個(gè)部分，以上4個(gè)區(qū)域的故障類型及非正常運(yùn)行方式可以概括為：

（1）交流系統(tǒng)側(cè)保護(hù)。該側(cè)保護(hù)與傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)保護(hù)類似，一般為單相接地故障保護(hù)、兩相接地故障保護(hù)、兩相短路故障保護(hù)、三相短路故障保護(hù)等，還有針對(duì)主變的高、中、低壓側(cè)保護(hù)等。另外還有由于操作不當(dāng)或負(fù)荷過(guò)重引起的過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、電壓驟減以及負(fù)載分布不均勻造成的三相不平衡等多種非正常運(yùn)行方式。中低壓直流配電系統(tǒng)的保護(hù)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到交流系統(tǒng)側(cè)對(duì)直流側(cè)的各種可能影響。

（2）交直流變換器保護(hù)。中低壓直流配電網(wǎng)中經(jīng)常使用的變換器主要有AC/DC換流器、DC/DC換流器以及DC/AC換流器。作為中低壓直流配電系統(tǒng)的核心，直流配電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)必須要關(guān)注系統(tǒng)中各個(gè)變換器涉及的范圍及作用。閥側(cè)短路故障、橋臂短路故障、變換器直流側(cè)出口短路故障、變換器交流側(cè)出口短路故障、系統(tǒng)脈沖觸發(fā)故障、系統(tǒng)冷卻故障等都是變換器的常見(jiàn)故障。變換器自身帶有一定的保護(hù)功能，此外中低壓直流配電系統(tǒng)也會(huì)提供針對(duì)變換器的保護(hù)作為后備保護(hù)，在整個(gè)直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中不僅要考慮到變換器自身的保護(hù)動(dòng)作影響，也要考慮系統(tǒng)提供的保護(hù)的影響以及二者之間的相互影響和相互配合。

（3）直流系統(tǒng)側(cè)保護(hù)。直流系統(tǒng)側(cè)保護(hù)是中低壓直流配電系統(tǒng)保護(hù)的核心內(nèi)容，主要是針對(duì)直流母線的保護(hù)以及直流饋線的保護(hù)。不同的直流配電系統(tǒng)的具體需求而言，中低壓直流配電系統(tǒng)可以采用中性點(diǎn)接地或系統(tǒng)單極接地，配電線路可以采用直流配電電纜或架空線的方式。直流系統(tǒng)側(cè)的線路故障主要有斷線故障、接地故障、極間故障，直流系統(tǒng)的非正常運(yùn)行方式還有系統(tǒng)絕緣水平下降、過(guò)電壓、低電壓等。如果采用直流電纜時(shí)，當(dāng)電纜線路發(fā)生故障一般為永久性故障（直流電纜埋藏于地下，外層絕緣包裹一旦遭到破壞很難恢復(fù)），而針對(duì)架空線方式的直流線路則經(jīng)常發(fā)生由于雷擊或閃污引發(fā)的瞬時(shí)性故障。

（4）負(fù)荷側(cè)保護(hù)。中低壓直流配電系統(tǒng)不僅可以承載直流負(fù)荷，而且可以承載通過(guò)逆變器接入的交流負(fù)荷。分布式光伏發(fā)電、微型汽輪機(jī)等分布式能源、燃料電池、儲(chǔ)能電池等也屬于負(fù)荷側(cè)保護(hù)的范疇。負(fù)荷側(cè)保護(hù)區(qū)域可能發(fā)生的故障有短路故障、過(guò)負(fù)荷故障等。類似儲(chǔ)能電池這種通過(guò)雙向電流變換器接入直流配電網(wǎng)的設(shè)備，在直流系統(tǒng)保護(hù)的設(shè)計(jì)時(shí)必須評(píng)估其電能雙向流動(dòng)對(duì)系統(tǒng)可能造成的影響。

3 直流配電系統(tǒng)的故障特性

如上所述，中低壓直流配網(wǎng)的保護(hù)核心是直流系統(tǒng)側(cè)保護(hù)，而換流器的結(jié)構(gòu)類型影響著直流線路的故障特征。中低壓直流配網(wǎng)中多采用電壓原型換流器（VSC）作為換流裝置來(lái)保證系統(tǒng)功率和電壓的可控性并提高電能質(zhì)量和供電穩(wěn)定性。該型換流器主要包括三相三電平、三相兩電平以及模塊化多電平等結(jié)構(gòu)，而中低壓直流配電系統(tǒng)一般以三相兩電平的結(jié)構(gòu)為主。與較為成熟的交流供電系統(tǒng)相比，低壓直流配電系統(tǒng)缺少完善的保護(hù)配置及運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。因此、中低壓直流配電系統(tǒng)故障的自身特點(diǎn)可以歸納為以下兩個(gè)方面：

首先是直流配電系統(tǒng)中故障定位困難，容易造成故障范圍擴(kuò)大。大部分并入中低壓直流配電系統(tǒng)的單元都是通過(guò)換流器接入線路，而當(dāng)直流配網(wǎng)系統(tǒng)中任何一點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，相鄰換流器附帶的出口電容都會(huì)產(chǎn)生放電并流向該故障點(diǎn)，此舉會(huì)迅速引發(fā)系統(tǒng)電壓驟降，對(duì)電壓敏感的設(shè)備造成重大影響。當(dāng)系統(tǒng)中接入了交流電源和交直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，這些單元會(huì)不間斷的向故障點(diǎn)傳輸短路電流。在高壓直流傳輸系統(tǒng)中，經(jīng)常采用的故障定位方法是行波法，然而對(duì)于中低壓直流配電系統(tǒng)而言，其復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及各種分布式電源的接入，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)需要精準(zhǔn)的定位?？紤]到中低壓直流配電的線路較短，故障檢測(cè)和定位更加困難。

其次是直流斷路器價(jià)格昂貴。相比廣泛使用的交流斷路器，用于直流配電系統(tǒng)的直流斷路器滅弧難度大，設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜。缺少低成本的直流斷路器和較少的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)也給直流配電系統(tǒng)的保護(hù)配置帶來(lái)了挑戰(zhàn)。如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了直流配電系統(tǒng)不同區(qū)域的保護(hù)與故障分類，直流配電系統(tǒng)的故障特性。在配置直流保護(hù)時(shí)，應(yīng)充分考慮到保護(hù)與控制二者之間的相互配合，保證系統(tǒng)安全達(dá)到最優(yōu)。保護(hù)裝置與控制系統(tǒng)二者之間可以相互傳遞保護(hù)與控制信息，例如保護(hù)裝置將保護(hù)定值發(fā)送給控制系統(tǒng)，同時(shí)控制系統(tǒng)將控制策略傳遞給保護(hù)裝置。利用控制單元的快速調(diào)節(jié)能力，形成智能化的整體保護(hù)方案，以提高直流配電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性。

A research of the fault in DC Distribution System

LIU Hu，LI Jun-gang，JI Juan，ZHANG Yan-hua

（Xu Ji Electric Co.， Ltd.， Xuchang Henan? 461000）

Abstract：The advantages of small line loss and high power quality of DC power distribution systems have attracted the attention of power professionals. This paper outlines the DC system faults frequently encountered in DC power distribution systems， and enumerates the protection areas and fault classification in detail. Then it summarizes the fault characteristics of the DC power distribution system. Finally， the protection and control are combined to improve the stability of the DC power distribution system. Made a vision

Key words：DC power distribution system; relay protection; fault research