關(guān)于直流配電系統(tǒng)繼電保護改進方案研究

錢學(xué)鵬 張云 王由甲 孜比熱木·阿布都克力木

摘 要：繼電保護系統(tǒng)的主要目的是為了保護整個直流配電系統(tǒng)運行的安全可靠性，我國很多傳統(tǒng)的配電網(wǎng)都是由交流電作為主要的配電系統(tǒng)，而直流配電系統(tǒng)則是在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)基礎(chǔ)上所進行的改進和優(yōu)化，有較多優(yōu)勢。繼電保護是直流配電系統(tǒng)中非常重要的內(nèi)容，對此筆者將從繼電保護中的超導(dǎo)電流器基本概念和改進方案等方面進行詳細地論述，希望能夠?qū)ξ覈潆娤到y(tǒng)的發(fā)展添加助力。

關(guān)鍵詞：直流配電系統(tǒng)；繼電保護；改進方案

隨著我國電力行業(yè)的不斷進步和發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦兴玫降闹绷麟娤到y(tǒng)也越來越廣泛，為了能夠更好地保障直流配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，技術(shù)人員對該配電系統(tǒng)的繼電保護進行了進一步優(yōu)化，即超導(dǎo)限流器。接下來，筆者就“直流配電系統(tǒng)中的繼電保護方案”及其相關(guān)內(nèi)容進行一系列的探究及討論，希望能夠?qū)σ恍┡潆娤到y(tǒng)設(shè)計人員在遇到繼電保護等相關(guān)問題時有所幫助。

一、超導(dǎo)限流器

所謂的超導(dǎo)限流器，主要是由并聯(lián)的電阻以及具有超導(dǎo)性的電纜共同構(gòu)成，通常來說，與超導(dǎo)限流器效果一致的電路基本模型可以簡化為一個緩沖電阻和一個可變電阻相并聯(lián)的電路，超導(dǎo)限流器中的并聯(lián)電路和電阻可以在很大程度上減小在直流配電網(wǎng)的實際運行過程中因變化電流產(chǎn)生的過電壓對直流配電系統(tǒng)所造成的危害。在繼電保護裝置中的超導(dǎo)電流器的工作中，主要是由三種狀態(tài)進行相互交替，具體如下：第一，超導(dǎo)的狀態(tài)，限流器在這種狀態(tài)下的電流流通整體密度在設(shè)計規(guī)范中的限值以內(nèi)，從而進一步地保障直流配電系統(tǒng)中的繼電保護裝置能夠順利運行；第二，磁通量的流動狀態(tài)，當限流器內(nèi)部所流通的電流密度超過上述的設(shè)計限制時，該超導(dǎo)限流器就會處于磁通量的流動狀態(tài)，該狀態(tài)的主要表現(xiàn)形式為限流器兩段會出現(xiàn)不同程度上的電場增加，同時也會造成限流器的電阻也隨之不斷地增加，最終會造成限流器的溫度顯著升高[1]；第三，電阻的常規(guī)狀態(tài)，當超導(dǎo)限流器兩端的電場超過最大限制時，該限流器的溫度也會達到其相對應(yīng)的臨界溫度，此時超導(dǎo)限流器就處于常規(guī)狀態(tài)，在這個過程中，對繼電保護裝置中的超導(dǎo)限流器的正常運行有著非常重要影響的兩個因素是超導(dǎo)材料的溫度和超導(dǎo)限流器中通過電流的密度，這是需要繼電保護設(shè)計人員所注意的細節(jié)問題。

二、改進方案

（一）原理

通過實驗?zāi)M我們可以得到直流配電系統(tǒng)發(fā)生故障時的具體位置和超導(dǎo)限流器中所通過的電壓之間的關(guān)系，從理論上來說，超導(dǎo)限流器在直流配電系統(tǒng)中正常運行以后，其發(fā)生故障時的瞬間電流極限值與直流配電系統(tǒng)中故障發(fā)生的位置之間有著與線性相似的數(shù)學(xué)關(guān)系，究其根本原因，則是由于直流配電系統(tǒng)在發(fā)生故障時常常會因為超導(dǎo)限流器的極限值會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，而超導(dǎo)限流器的增長速率卻不會因為故障的發(fā)生而受到影響，從另一方面上來說，超導(dǎo)限流器的電阻值相較于繼電保護電路中的阻抗而言是比較大的，因此在整個直流配電系統(tǒng)中充當著非常重要的角色。[2]從理論上來說，直流配電系統(tǒng)中的線路的阻抗變化可以近似地歸為線性變化，由此我們可以得出繼電保護設(shè)置中的超導(dǎo)限流器所呈現(xiàn)出的電流極限值也是呈現(xiàn)出線性的變化，并且隨著直流配電系統(tǒng)電路發(fā)生故障之間的直線距離越來越遠，超導(dǎo)限流器中的電流極限值也會出現(xiàn)較小幅度地下降趨勢。

（二）暫態(tài)過電流保護

從超導(dǎo)限流器在直流配電系統(tǒng)中接入的條件上來看，暫態(tài)過電流對繼電保護系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也是非常巨大的，因此我們可以初步將暫態(tài)過電流保護的基本原則用數(shù)學(xué)的方式進行進一步地研究，即繼電保護設(shè)置中超導(dǎo)限流器所顯示的電流極限值與其變化過程中所使用的時間之比大于直流配電系統(tǒng)中電路的末端所發(fā)生的短路故障中故障電流的極限值與其變化過程所需時間之間的比值。通過這一數(shù)學(xué)判定方式我們可以得出，繼電保護設(shè)置中的超導(dǎo)限流器暫態(tài)過電流保護不僅可以有效地實現(xiàn)直流配電系統(tǒng)中的電路保護，達到80%左右，同時還可以在上述數(shù)學(xué)表達式中二者之間的比值超過繼電保護所設(shè)置的門檻值時，實現(xiàn)暫態(tài)過電流保護的無延時作業(yè)，從而進一步提高直流配電系統(tǒng)中繼電保護的高效性。[3]

（三）限時低電壓保護

直流配電系統(tǒng)中的限時低電壓保護也是出了過電流保護之外繼電保護系統(tǒng)中非常重要的部分，其主要目的是為了在暫態(tài)過電流保護的基礎(chǔ)上通過對其設(shè)定延時，從而更好地與直流配電系統(tǒng)中的下游電路保護動作之間進行相互配合，從而實現(xiàn)限時低電壓保護的基本目標。在配電系統(tǒng)中，限時低電壓保護中所謂的“限時”指的是時間的延遲，該延遲時間一般為0.1秒左右或者超過0.1秒，具體的時長需要根據(jù)超導(dǎo)限流器與下游電路保護作業(yè)以及斷路器的啟動時間等因素之間的相互配合來綜合考慮的，當超導(dǎo)限流器接入直流配電系統(tǒng)中時，系統(tǒng)發(fā)生短路之后的0.1秒之內(nèi)，故障電流會處于一種相對來說較為穩(wěn)定的狀態(tài)，[4]這時的故障電流與直流配電系統(tǒng)正常運行時的電流非常相似，因此傳統(tǒng)的過電流保護設(shè)置不能被應(yīng)用在超導(dǎo)限流器接入所謂直流配電系統(tǒng)中，而是需要引入限時低壓保護，從而進一步實現(xiàn)直流配電系統(tǒng)中繼電保護的優(yōu)化。

三、結(jié)語

本文主要以繼電保護系統(tǒng)中的超導(dǎo)限流器為例，對繼電保護的改進方案進行了相應(yīng)的討論。雖然在直流配電系統(tǒng)實際運行的過程當中繼電保護還存在著很多的不足之處，但是相信在相關(guān)技術(shù)研究人員對其不斷的改進和完善下，在不久的將來，繼電保護一定會為我國的直流配電系統(tǒng)做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]陳超超.直流配電系統(tǒng)繼電保護原理研究[D].天津：天津大學(xué)，2014：127-125.

[2]葉風彩，姜云龍，姜德勝，劉禹辰.關(guān)于直流配電系統(tǒng)繼電保護改進方案研究[J].黑龍江電力，2017，39（03）：229-234.

[3]陳文學(xué).交直流配電網(wǎng)故障對繼電保護的影響及方案研究[D].淄博：山東理工大學(xué)，2017：148-152.

[4]陳文學(xué)，張新慧，彭克，徐丙垠，陳羽.直流配電系統(tǒng)故障特征及對繼電保護的影響[J].山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，32（03）：106-112.