分析直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置研究與開發(fā)

云南電網(wǎng)有限責任公司文山供電局 曾 尹

直流系統(tǒng)產(chǎn)生接地故障的原因錯綜復雜，影響直流系統(tǒng)接地故障綜合處理效果，直流系統(tǒng)現(xiàn)實作用和電力行業(yè)現(xiàn)實發(fā)展水平也會受到很大影響。在電力行業(yè)不斷發(fā)展條件下，通常采取接地保護裝置對直流系統(tǒng)接地故障進行有效控制，嚴防直流系統(tǒng)接地故障持續(xù)惡化，這對于保障直流系統(tǒng)運行效果和安全水平有重要作用。同時還應保證直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置研究與開發(fā)力度，繼而優(yōu)化直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置開發(fā)設(shè)計模式。

直流系統(tǒng)主要應用于各類變電站、火電廠和水電廠等使用直流設(shè)備的場合。作為電力二次系統(tǒng)的重要組成部分，直流系統(tǒng)是繼電保護、自動裝置、遙控電源、操作回路、信號回路、微機以及五防系統(tǒng)的直流供電電源，包括交流充電裝置、饋電屏、蓄電池組、電池巡檢裝置、監(jiān)控單元和絕緣監(jiān)測等。直流系統(tǒng)的故障主要是饋線屏后帶來的各支路負荷間的相互影響造成的，即饋線屏后端出現(xiàn)故障是導致保護拒動和誤動的根源，接地故障是最常見故障類型[1]。

1 直流系統(tǒng)接地故障危害

信號系統(tǒng)誤動。直流系統(tǒng)常見接地故障包括正極接地故障、負極接地故障和兩點接地故障，應結(jié)合直流系統(tǒng)運行狀態(tài)判斷其接地故障類型和基礎(chǔ)誘因，之后規(guī)劃合理改善措施，嚴防直流系統(tǒng)接地故障持續(xù)惡化。在直流系統(tǒng)運行過程中發(fā)現(xiàn)正負母線短路或地絕緣電阻下降等問題，就會造成直流系統(tǒng)中信號裝置和機電保護裝置出現(xiàn)誤動問題，直流系統(tǒng)接地線路混亂，直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障的幾率大大提升。加上直流系統(tǒng)接地模式（圖1）較為復雜，如直流系統(tǒng)接地故障頻頻發(fā)生，直流系統(tǒng)安全運行效果和現(xiàn)實作用也會受到影響，造成直流系統(tǒng)運行信號異常，相關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)各項故障問題的可能性大大提升。

圖1 直流系統(tǒng)接地示意圖

斷路器拒動。如直流系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)兩點接地跳閘或回路短路問題，不僅影響直流系統(tǒng)運行過程中電能傳輸效果和安全水平，還會導致直流系統(tǒng)保護裝置出現(xiàn)拒動和越級跳閘問題，無形中加大直流系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)重大事故的可能，斷路器在直流系統(tǒng)實際運行中的作用效果也會受到很大影響。加上導致直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障的原因較多，如不能及時解決直流系統(tǒng)接地故障，就會造成直流系統(tǒng)斷路器拒動問題持續(xù)惡化，直流系統(tǒng)在有關(guān)行業(yè)電能傳輸中的作用效果也會受到很大影響，各類重大電力安全事故也會頻頻發(fā)生。

熔斷器熔斷。熔斷器作為直流系統(tǒng)中重要零部件，其對于維持直流系統(tǒng)電壓和電流穩(wěn)定性有著重要作用。但在直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，不僅影響直流系統(tǒng)現(xiàn)實運行效果，還會出現(xiàn)熔斷器熔斷問題，熔斷器在直流系統(tǒng)實際運行中的作用效果持續(xù)下降，直流系統(tǒng)運行安全性和穩(wěn)定性也會受到極大影響。如直流系統(tǒng)接地故障問題過于嚴重，還會出現(xiàn)繼電器觸點損壞問題，繼電器在直流系統(tǒng)實際運行中的作用效果也會受到影響，直流系統(tǒng)運行效果和安全水平下降[2]。

2 直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置的研究

2.1 系統(tǒng)檢測原理

國家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》（國能安全［2014］161號）明確要求“新投入或改造后的直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置，不應采用交流注入法測量直流電源系統(tǒng)絕緣狀態(tài)。在用的采用交流注入法原理的直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置，應逐步更換為直流原理的直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置?！币虼瞬捎貌黄胶怆姌蚍蓪崿F(xiàn)正負母線的對地絕緣電阻和接地情況監(jiān)測。同時還應保證主動式接地保護裝置與直流系統(tǒng)間契合度，可以強化主動式接地保護裝置在直流系統(tǒng)運行中的作用效果，彰顯主動式接地保護裝置現(xiàn)實作用，為控制直流系統(tǒng)接地故障提供標準化裝置支持。

2.2 實現(xiàn)主動式接地保護

對直流系統(tǒng)進行監(jiān)測，實時了解其運行狀態(tài)，是預防和處理直流系統(tǒng)故障的前提條件。同時對故障進行隔離，使得故障不會在負載側(cè)和電源側(cè)進行傳播，或負載側(cè)單條線路的故障不會傳播到其他負載線路，這是減小故障影響的有力措施。根據(jù)這種思路，減少直流系統(tǒng)監(jiān)測、保護裝置的數(shù)量，將系統(tǒng)監(jiān)測、故障隔離、保護等功能進行集成，形成直流系統(tǒng)監(jiān)測隔離保護裝置。電力電子器件的發(fā)展使得電力電子技術(shù)得到更加廣泛的應用，在高壓直流輸電工程上通常利用電力電子設(shè)備將保護和控制集成于一體，得到非常好的應用效果。

直流系統(tǒng)可借鑒此經(jīng)驗，研究開發(fā)基于電力電子技術(shù)的監(jiān)測隔離保護裝置，將其串聯(lián)在直流母線和各支路之間，即一條支路對應一個該裝置，減小故障影響，提高直流系統(tǒng)的供電可靠性（圖2）。在母線與負荷之間增加隔離型DC/DC變換器，將直流母線和負荷進行隔離，主動式接地短路保護則集成在DC/DC變換器中。主動式接地保護集成在隔離型DC/DC變換器之中，串聯(lián)于直流母線與各負荷之間，這樣對母線進行了分段，減小了分布電容，防止“直流一點接地”導致電容放電引起保護誤動。

圖2 直流系統(tǒng)主動式接地保護原理圖

2.3 直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測

針對主動式接地保護裝置展開研究，通過相應裝置可實現(xiàn)直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測目標，保證直流系統(tǒng)接地故障實時監(jiān)測效果，了解直流系統(tǒng)各個時間段接地故障變化情況和基礎(chǔ)誘因，幫助有關(guān)部門及時確定直流系統(tǒng)接地故障部位，之后按照直流系統(tǒng)接地故障表現(xiàn)和相關(guān)部位規(guī)模形態(tài)規(guī)劃合理改善措施，嚴防直流系統(tǒng)接地故障問題持續(xù)惡化，彰顯主動式接地保護裝置現(xiàn)實作用，確保直流系統(tǒng)接地故障可在短時間內(nèi)得到優(yōu)化改善。

應用主動式接地保護裝置對直流系統(tǒng)進行接地故障監(jiān)測時，還應強化主動式接地保護裝置中不平衡電橋規(guī)劃效果，同時在不平衡電橋支持下開展直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測工作，必須保證電路運行效果和閉合情況達到合理狀態(tài)，突出不平衡電橋現(xiàn)實作用，以此強化主動式接地保護裝置在直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測中作用效果，一旦發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障，應借助主動式接地保護裝置及時調(diào)整直流系統(tǒng)接地故障問題，保障直流系統(tǒng)接地保護效果，突出主動式接地保護裝置的現(xiàn)實作用。直流系統(tǒng)在不同狀態(tài)下出現(xiàn)接地故障問題的原因存在一定差異，應在考慮各項基礎(chǔ)差異條件下強化主動式接地保護裝置現(xiàn)實作用，方便相關(guān)人員靈活應用其對直流系統(tǒng)接地故障進行標準化監(jiān)測，確保故障可得到有效處理。

3 直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置的開發(fā)

3.1 主動式接地保護裝置主電路開發(fā)

對于應用在直流系統(tǒng)中的主動式接地保護裝置來說，對其進行綜合設(shè)計和開發(fā)時必須保證其中隔離型變換器運行效果，可以阻斷直流系統(tǒng)接地故障傳播，從而強化直流系統(tǒng)接地保護力度，使直流系統(tǒng)接地保護達到主動合理狀態(tài)。而主電路作為主動式接地保護裝置中的重點開發(fā)部位，在進行開發(fā)時須保證其各項零部件位置及運行模式的合理性和有效性，發(fā)揮其故障隔離和接地報警輸出的作用，避免直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置在實際運行過程中受到其主電路的影響。

目前，多數(shù)直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置在進行主電路規(guī)劃設(shè)計和綜合開發(fā)過程中會在其中使用全橋DC/DC變換器，并在該類變換器支持下實現(xiàn)直流系統(tǒng)運行電氣隔離的目標，將直流系統(tǒng)實際運行過程中出現(xiàn)接地故障的可能性降到最低。為保證DC/DC變換器在直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置主電路運行過程中發(fā)揮最大作用，必須保證開發(fā)人員對全橋DC/DC變換器運行原理有所了解，必要時還應結(jié)合標準參數(shù)對主動式接地保護裝置主電路中全橋DC/DC變換器運行狀態(tài)進行優(yōu)化調(diào)整，保證直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置主電路開發(fā)設(shè)計達到合理狀態(tài)，使得主動式接地保護裝置主電路運行效果及該裝置在直流系統(tǒng)接地故障處理和接地保護中的現(xiàn)實作用全面表現(xiàn)出來。

圖3 全橋DC/DC變換器原理圖

3.2 主動式接地保護裝置保護電路開發(fā)

對于直流系統(tǒng)接地故障處理和接地保護來說，保證這兩項工作落實程度對于提升直流系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。必須遵循合理要求強化直流系統(tǒng)接地保護力度，并遵循合理要求開展主動式接地保護裝置開發(fā)設(shè)計工作，使其運行效果和現(xiàn)實作用可滿足直流系統(tǒng)接地故障和綜合保護要求，并將主動式接地保護裝置保護電路的現(xiàn)實作用全面表現(xiàn)出來。直流系統(tǒng)在不同狀態(tài)下運行時產(chǎn)生的基礎(chǔ)信號存在一定差異，這就應遵循具體參數(shù)信息對直流系統(tǒng)現(xiàn)實運行信號進行有效調(diào)理，保證各項參數(shù)信息在直流系統(tǒng)綜合調(diào)理中的作用效果，方便有關(guān)部門對直流系統(tǒng)展開有效的接地保護，并將主動式接地保護裝置保護電路開發(fā)設(shè)計的優(yōu)勢和現(xiàn)實作用表現(xiàn)出來。

直流系統(tǒng)在長時間運行過程中可能會出現(xiàn)采樣電壓數(shù)值相差過大問題，應在電壓跟隨器支持下對直流系統(tǒng)各電路運行情況進行優(yōu)化處理，保證直流系統(tǒng)中保護電路的現(xiàn)實作用。還應考慮在主動式接地保護裝置運行模式以及電壓變化情況等條件下進行保護電流設(shè)計，同時強化直流系統(tǒng)阻抗與主動式接地保護裝置保護電路電壓間匹配效果，逐步提升主動式接地保護裝置保護電路設(shè)計水平和綜合運行模式。在主動式接地保護裝置保護電路設(shè)計時，還應促使信號濾波及放大電路（圖4）達到合理狀態(tài)，之后在信號濾波及放大電路支持下實現(xiàn)主動式接地保護裝置全面開發(fā)設(shè)計目標。

圖4 信號濾波和放大電路

3.3 主動式接地保護裝置系統(tǒng)軟件開發(fā)

軟件系統(tǒng)作為主動式接地保護裝置中重要系統(tǒng)，在進行主動式接地保護裝置軟件系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計時，不僅需保證主動式接地保護裝置軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)性和契合度，還應保證主動式接地保護裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計與直流系統(tǒng)接地故障控制要求間關(guān)聯(lián)性，以此強化直流系統(tǒng)接地保護力度，將相關(guān)軟件系統(tǒng)在直流系統(tǒng)運行和接地故障監(jiān)督控制中的作用效果全面表現(xiàn)出來[3]。主動式接地保護裝置中的軟件系統(tǒng)包括單片機和定時測量接地電阻軟件，這兩個軟件系統(tǒng)不僅可為直流系統(tǒng)運行提供良好人機交互界面，還能保證主動式接地保護裝置中主微控制系統(tǒng)和從微控制系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性，強化主動式接地保護裝置單片機的功能屬性和現(xiàn)實作用，并將主動式接地保護裝置單片機軟件開發(fā)設(shè)計在直流系統(tǒng)接地故障控制中的現(xiàn)實作用表現(xiàn)出來。

在進行主動式接地保護裝置中定時測量接地電阻軟件設(shè)計時，不僅需要保證該軟件系統(tǒng)綜合運行效果，還應對相應軟件具體設(shè)計流程進行優(yōu)化調(diào)整。保證主動式接地保護裝置中各個軟件系統(tǒng)達到相互配合狀態(tài)，使得主動式接地保護裝置開發(fā)設(shè)計效果和運行狀態(tài)，這對于維護直流系統(tǒng)接地保護力度有重要作用。如主動式接地保護裝置軟件系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計時出現(xiàn)問題，還應對其運行電壓及主動式接地保護裝置開發(fā)設(shè)計要求對各項問題進行優(yōu)化調(diào)整。強化相應軟件在直流系統(tǒng)接地保護以及故障控制中的作用，確保直流系統(tǒng)主動式接地保護裝置中各個軟件系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計效果上升到一定高度。