直流配電系統(tǒng)故障特征及對(duì)繼電保護(hù)的影響

張曉惠 郭威 林幼萍 王明敏

國網(wǎng)廈門供電公司 福建廈門 361004

1 淺析直流配電系統(tǒng)故障的發(fā)生特征

1.1 故障電流急劇上升

在直流配電系統(tǒng)線路出現(xiàn)接地故障的情況下，并聯(lián)在VSC直流側(cè)的濾波電容，往往會(huì)在發(fā)生故障的短時(shí)間內(nèi)，迅速向故障點(diǎn)位置進(jìn)行放電，加速電流數(shù)值在故障線路的上升速度，這一點(diǎn)特性非常不利于檢測(cè)裝置與故障隔離裝置迅速發(fā)揮作用。同時(shí)VSC通常會(huì)在直流配電線路發(fā)生故障后，迅速鎖定絕緣閘雙極型晶體管，造成系統(tǒng)電路里的續(xù)流二極管開始向故障點(diǎn)放出不工整流電流，最終導(dǎo)致故障線路的電流長時(shí)間保持為急速上升的狀態(tài)[1]。

1.2 故障檢測(cè)定位困難

直流輸電系統(tǒng)具有復(fù)雜性，這也使得直流輸電電纜的線路頻變參數(shù)變得非常強(qiáng)烈，電力行業(yè)技術(shù)人員使用最多的保護(hù)技術(shù)就是故障定位，還有很多業(yè)界人士提出可以使用電流的固有頻率檢測(cè)系統(tǒng)的故障情況。但是，直流配電系統(tǒng)所配置的電纜線路比較短，要想迅速實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)線路的精準(zhǔn)定位具有一定的難度，這也使得高阻接地一類系統(tǒng)故障的檢測(cè)、定位工作，成為技術(shù)人員最頭痛的問題。

2 直流配電系統(tǒng)對(duì)繼電保護(hù)的影響

2.1 暫態(tài)過電流保護(hù)

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(duì)繼電保護(hù)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(hù)的基本原理用數(shù)學(xué)的方式進(jìn)行進(jìn)一步地研究，即在繼電保護(hù)裝置中設(shè)置超導(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(shí)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(shí)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(hù)設(shè)置中的超導(dǎo)限流器暫態(tài)過電流保護(hù)不僅可以有效地實(shí)現(xiàn)直流配電系統(tǒng)中的電路保護(hù)，準(zhǔn)確率達(dá)到80%左右，同時(shí)當(dāng)上述數(shù)學(xué)表達(dá)式中二者之間的比值超過繼電保護(hù)所設(shè)置的門檻值時(shí)，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)過電流保護(hù)的無延時(shí)作業(yè)，從而進(jìn)一步提高直流配電系統(tǒng)中繼電保護(hù)的高效性[2]。

2.2 直流配電系統(tǒng)故障隔離設(shè)備

目前，電力行業(yè)的技術(shù)人員在應(yīng)對(duì)直流配電系統(tǒng)故障問題的時(shí)候，經(jīng)常使用直流斷路器設(shè)備對(duì)直流配電系統(tǒng)加以保護(hù)，能夠在成本可控的基礎(chǔ)上產(chǎn)生顯著的防控效果。其中，全固態(tài)類型直流斷路器的開合總時(shí)間基本可以控制在1ms以內(nèi)，相比于VSC換流站，其預(yù)期功率損耗基本能夠處于30%以內(nèi)，未來的突破方向主要是加強(qiáng)對(duì)于固態(tài)裝置的改進(jìn)，從而降低導(dǎo)通壓降和串聯(lián)的個(gè)數(shù)，產(chǎn)生更好的直流配電系統(tǒng)故障隔離效果。安裝在VSC交流電源側(cè)的交流斷路器，同屬于常見的系統(tǒng)故障隔離設(shè)備，在檢測(cè)到直流配電系統(tǒng)故障的時(shí)候，可以第一時(shí)間利用動(dòng)作斷開交流斷路器部分，達(dá)到有效隔離系統(tǒng)故障電源的目的，從而將發(fā)生短路的電流迅速隔離出配電主系統(tǒng)，顯著降低故障線路對(duì)整個(gè)直流配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行施加的額外負(fù)荷情況[3]。

2.3 限時(shí)低電壓保護(hù)

直流配電系統(tǒng)中的限時(shí)低電壓保護(hù)也是除了過電流保護(hù)之外繼電保護(hù)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(hù)的基礎(chǔ)上通過對(duì)其設(shè)定延時(shí)，從而更好地與直流配電系統(tǒng)中的下游電路保護(hù)動(dòng)作之間進(jìn)行相互配合，從而實(shí)現(xiàn)限時(shí)低電壓保護(hù)的基本目標(biāo)。在配電系統(tǒng)中，限時(shí)低電壓保護(hù)中所謂的“限時(shí)”指的是時(shí)間的延遲，該延遲時(shí)間一般為0.1秒左右或者超過0.1秒，具體的時(shí)長需要根據(jù)超導(dǎo)限流器與下游電路保護(hù)作業(yè)以及斷路器的啟動(dòng)時(shí)間等因素之間的相互配合來綜合考慮的，當(dāng)超導(dǎo)限流器接入直流配電系統(tǒng)中時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生短路之后的0.1秒之內(nèi)，故障電流會(huì)處于一種相對(duì)來說較為穩(wěn)定的狀態(tài)，這時(shí)的故障電流與直流配電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電流非常相似，因此傳統(tǒng)的過電流保護(hù)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(shí)低壓保護(hù)，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)直流配電系統(tǒng)中繼電保護(hù)的優(yōu)化。

2.4 對(duì)交流側(cè)保護(hù)的影響

對(duì)于10KV配電網(wǎng)，其保護(hù)配置常采用三段式電流保護(hù)，分別為電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)及定時(shí)限過電流保護(hù)。電流速斷保護(hù)按躲開下條線路出口處短路的條件整定，限時(shí)電流速斷則根據(jù)電流速斷的整定值進(jìn)行整定，且增加一動(dòng)作延時(shí)來保證選擇性，定時(shí)限過電流保護(hù)則一般按照躲開線路末端最大負(fù)荷電流來整定，由于其動(dòng)作延時(shí)較長在此不再討論。在故障發(fā)生時(shí)，電容放電電流通過故障接地線與電容自成回路，且放電時(shí)間一般很短，故對(duì)交流側(cè)影響不大，但電容大小的選取會(huì)對(duì)直流側(cè)產(chǎn)生一定影響。

綜上所述，未來電力行業(yè)的技術(shù)人員，還將進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的深入研究。在此過程中，電力行業(yè)的技術(shù)人員，應(yīng)當(dāng)著重改善直流配電系統(tǒng)故障檢測(cè)以及實(shí)時(shí)通信裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性，確保在故障發(fā)生的第一時(shí)間能夠進(jìn)行有效的檢測(cè)，從而提供技術(shù)手段盡快將故障危害控制在最小范圍內(nèi)。