經(jīng)電阻接地的直流電力系統(tǒng)接地故障保護(hù)方法

張青云，馬 凡，江漢紅

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033)

經(jīng)電阻接地的直流電力系統(tǒng)接地故障保護(hù)方法

張青云，馬 凡，江漢紅

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033)

中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式的直流電力系統(tǒng)在發(fā)生單極對(duì)地故障后，雖然系統(tǒng)仍可繼續(xù)運(yùn)行，但若不盡快實(shí)施保護(hù)動(dòng)作、隔離接地故障，容易引起二次故障、甚至出現(xiàn)正負(fù)極直接短路等嚴(yán)重故障。為了解決一種經(jīng)電阻接地的直流電力系統(tǒng)接地故障檢測(cè)及其定位保護(hù)的難題，提出了基于附加接地電阻的直流電力系統(tǒng)接地故障定位保護(hù)方法。通過(guò)PSCAD∕EMTDC時(shí)域仿真，驗(yàn)證了該方法的有效性。

直流電力系統(tǒng) 接地故障檢測(cè) 接地故障保護(hù) 附加接地電阻

0 引言

直流系統(tǒng)接地技術(shù)是電力系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容[1,2]，合理的接地方案和有效的接地故障檢測(cè)與保護(hù)策略將直接關(guān)系到直流電力系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行和操作人員的人身安全[3-5]。為了保障直流系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行, 必須對(duì)其絕緣情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)生接地故障后應(yīng)能及時(shí)檢測(cè)出故障支路并做出處理。如何準(zhǔn)確可靠地檢測(cè)接地故障支路是當(dāng)前直流系統(tǒng)運(yùn)行中一個(gè)主要問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)直流接地故障的檢測(cè)與保護(hù)主要是采用低頻信號(hào)注入法[6-8]，其基本原理是在直流母線和地之間加一低頻交流電壓源，從而產(chǎn)生一低頻交流電流并從中濾波提取出來(lái)，根據(jù)低頻交流電壓和電流的數(shù)值, 即可求出直流母線對(duì)地電阻的數(shù)值, 根據(jù)低頻交流電流的流遁路徑可以判斷出接地故障所在的支路和故障，但該方法有幾個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)原則比較復(fù)雜，實(shí)施信號(hào)的引入會(huì)增加額外的設(shè)備，信號(hào)的濾波提取也比較復(fù)雜。

針對(duì)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式的直流電力系統(tǒng)，下文提出了一種基于附加接地電阻的直流電力系統(tǒng)接地故障保護(hù)方法。該方法通過(guò)接地電阻流過(guò)的電流來(lái)檢測(cè)接地故障。同時(shí)，通過(guò)附加接地電阻串聯(lián)斷路器的斷開(kāi)與閉合，比較系統(tǒng)這兩次電流的差值達(dá)到對(duì)故障定位與保護(hù)的功能。

1 接地故障的檢測(cè)方法

圖 1 雙機(jī)直流電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 接地故障定位與保護(hù)方法

當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)存在接地故障時(shí)，閉合接地電阻斷路器BK7，即在原接地電阻R1的基礎(chǔ)上并聯(lián)電阻R2(R2的投入只用于接地故障保護(hù)，正常運(yùn)行情況不投入，因此，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行效率帶來(lái)影響)使得系統(tǒng)總的接地電阻值減小，因此，接地電阻上流過(guò)電流會(huì)增加。考慮到系統(tǒng)滿功率穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，各供電配電支路上的電流值較大，為使得投入附加接地電阻R2后，電網(wǎng)各支路電流的增量容易檢測(cè)，R2的取值原則是能使流入接地電阻的電流變化達(dá)到百安級(jí)。此時(shí)，接地電阻電流平均值的絕對(duì)值將滿足：

假設(shè)如圖1所示負(fù)載3支路正極發(fā)生接地故障后，為實(shí)現(xiàn)接地故障保護(hù)，投入附加接地電阻R2，接地電阻上電流IR增加的同時(shí)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出電流(如圖1中的Ig1和Ig2)、接地故障支路故障點(diǎn)左邊電流(如圖1中的IL3)穩(wěn)態(tài)平均值也將相應(yīng)增加，其中：接地故障支路電流的增加量滿足：

由于兩臺(tái)發(fā)電機(jī)采用電壓下垂的勵(lì)磁控制方式，它們的輸出電流增量滿足：

式(4)中PG1、PG2分別為直流發(fā)電機(jī)1和2的功率。

在故障點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)電流可知IL3=IL4-IR(IL4為圖1中接地故障支路故障點(diǎn)右邊電流)而非故障支路的電流(如圖1中的IL1和IL2)將保持不變。

圖 2 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式的直流電力系統(tǒng)接地故障保護(hù)方法流程圖

圖2給出了上述接地故障保護(hù)方法的流程圖，其中ε為小常數(shù)。

表 1 接地保護(hù)的時(shí)間原則

3 仿真驗(yàn)證

本文采用如圖3所示的系統(tǒng)運(yùn)行工況：兩臺(tái)直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行向負(fù)載1和負(fù)載2供電，負(fù)載1為推進(jìn)系統(tǒng)，負(fù)載2 為直流區(qū)域變配電系統(tǒng)和交流負(fù)載配電系統(tǒng)。下面以此工況為例，通過(guò)PSCAD∕EMTDC仿真驗(yàn)證接地故障保護(hù)方法的有效性。

圖 3 直流電力驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖 4 F1點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

在系統(tǒng)滿功率穩(wěn)定運(yùn)行后，分別對(duì)圖3中的F1-F5共5個(gè)位置施加正極接地故障。圖4-8是系統(tǒng)分別在F1-F5點(diǎn)發(fā)生正極接地故障后直流發(fā)電機(jī)1輸出電流Ig1-p、直流發(fā)電機(jī)2輸出電流Ig2-p、流經(jīng)母聯(lián)斷路器的電流Ibus-p、負(fù)載1供電電流Ipm-p、負(fù)載2供電電流Icom-p的平均值在投入附加接地電阻R2前后暫態(tài)過(guò)程中的仿真波形。表2-6給出了各支路電流在電阻R2投入前、投入后的穩(wěn)態(tài)電流平均值，以及相應(yīng)的電流增量。表7-8分別給出了F1、F2處發(fā)生故障時(shí)各斷路器的動(dòng)作情況，表9給出了F3、F4、F5處發(fā)生故障時(shí)各斷路器的動(dòng)作情況。

圖 5 F2點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

圖 6 F3點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

圖 7 F4點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

圖 8 F5點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后系統(tǒng)各支路電流仿真波形

表 2 F1點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 3 F2點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 4 F3點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 5 F4點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 6 F5點(diǎn)發(fā)生正極接地故障附加接地電阻投入前后各支路電流

表 7 F1點(diǎn)發(fā)生正極接地故障后各斷路器的保護(hù)動(dòng)作情況

表 8 F2點(diǎn)發(fā)生正極接地故障后各斷路器的保護(hù)動(dòng)作情況

從圖4-8和表2-6可以看出故障后斷路器的兩次動(dòng)作會(huì)造成系統(tǒng)的電流變化以及各斷路器根據(jù)表7-9進(jìn)行的保護(hù)動(dòng)作情況可以看出，上述方法可以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)接地故障的檢測(cè)和定位保護(hù)。

表 9 F3-F5點(diǎn)發(fā)生正極接地故障后各斷路器的保護(hù)動(dòng)作情況

4 結(jié)論

文章提出了一種基于附加接地電阻的直流電力系統(tǒng)的接地故障保護(hù)方法。該方法能夠有效檢測(cè)接地故障、準(zhǔn)確定位接地故障支路，并在操作人員允許的情況下可實(shí)施選擇性的接地故障保護(hù)。此外，這種接地方法具有原理簡(jiǎn)單、選擇性好、各斷路器獨(dú)立整定、無(wú)復(fù)雜信號(hào)處理環(huán)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

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A Method of Grounding Fault Protection in DC Power System with Grounding Resistance

Zhang Qingyun, Ma Fan, Jiang Hanhong
(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Although DC power system with neutral point grounding resistor can continue to run in the event of a unipolar grounding fault, it easily leads to secondary failure, or even positive and negative extremely serious direct short circuit faults without protective action or ground fault isolation. In order to solve the problem of grounding fault detection and location-protection of a DC power system with grounding resistance, the method of grounding fault location protection is proposed based on additional grounding resistance of DC power system. The validity of the method is verified by PSCAD /EMTDC time domain simulation.

DC system; grounding fault detection; grounding fault protection; additional grounding resistance

TM855

A

1003-4862(2015)08-0001-05

2015-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51377167）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973項(xiàng)目）（2012CB215103）

張青云(1989-) 男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)接地故障檢測(cè)與定位。