試析直流配電系統故障分析與保護技術研究

張紅琳 楊艷玲 杜瑞蘭

摘 要：本文首先介紹了當前直流配電系統的故障，并對故障成因和系統保護方法分別做出了論述。研究出安全可靠，并兼顧傳輸速度的電路保護技術對推動直流配電系統的發展意義重大，并將成為全行業未來的重點研究方向。

關鍵詞：直流配電系統；故障分析；保護分區

0 引言

人類社會的生存發展與能源的供給密切相關，在電能被開發利用以前，化石能源壟斷了全人類能源的產出和消耗。近年來，能源緊缺的陰影籠罩在全世界人民心頭，為了解決好這一問題，世界各國爭相提出新能源體系的構架方案，以求低耗可持續的發展路線。世界能源產出與消耗的格局已經隨著能源危機而產生了顯著的變化，與資源豐富的中東國家相比，我國化石能源相對匱乏，資源持續供應力明顯不足，人均資源共享份額低于世界平均水平。為了謀求這一嚴峻現狀框架內的長期發展路線，我國將大力開發電能，將配電網的構架作為能源輸出的主要方法。

直流配電系統內含有大量的分布式電源，可與儲能系統接入，并且系統內既有直流負荷，又有交流負荷。直流電系統可以采用正負兩極制和三線供電制兩種方式來搭建，比交流電系統的電壓更穩定，并且系統中的變流器裝置能夠靈活地控制有功功率和無功功率，效果相當于無功補償器，繼而不必再擔心與交流系統串聯時會產生電壓差。

1 直流配電系統常見故障

1.1 變壓器故障

在直流配電系統中，變壓器扮演著非常重要的角色，變壓器一旦損壞，就會使得系統內設備的實際電壓偏離額定電壓，造成設備損壞。具體表現為變壓器有閥短路、橋臂短路直流側電容被擊穿以及冷卻閥門損壞等。

1.2 負荷故障

直流配電系統內不僅有直流負荷，還有通過變壓器接入的交流負荷。此外，微型燃氣輪機、系統內涵分布式電源也都屬于負載保護的范圍。一般來說，直流負荷的故障頻率要高于交流負荷，容易產生短路、負載過度等現象，造成電纜發熱，甚至引發火災。系統內的分布式電源易發故障與自身所屬種類有關，常規的故障點一般分布在電網接口、電池兩極等地方。再者，電能儲備系統接入直流網時，如果未能經過轉流設備分流處理，也是引發負荷故障的主要原因之一。

1.3 直流電網故障

出于實際需求的考慮，直流配電系統一般采用雙向換流裝置，因此使得直流側容易發生短路故障，或者換流器失靈。另外，由于直流電路結構比交流電路簡單，一旦發生故障，將導致大面積的電流強度改變，會破壞電路中并聯的其他裝置。因此在排查故障時，不僅要迅速地找到故障位置，還要將電網局部結扎，防止故障進一步蔓延。

1.4 單極接地故障

與交流電網不同，直流電網絡中很容易發生單極接地故障。在以電纜傳輸線路為主的直流電能傳輸中，電磁操動機構的跳閘線圈一般都是接在負極電源端，如果這些回路接地時絕緣不良，就會引起系統保護誤判，從而正負極電壓發生過大落差，繼而造成單極接地無法實行，導致整個電流配電系統癱瘓。

2 直流配電系統保護技術研究

直流配電系統內的電壓差普遍存在，同時設備類型呈現多元化，且負載單元種類復雜。因此，針對系統內不同的保護對象，應采取不同的措施。

2.1 柔性直流輸電系統的保護

“柔性”是相對于普通直流輸電提出的新概念，該技術引進了尖端大功率電子器件組成的電壓源換流裝置（VSC），可根據電網實際需求，即時改變電能輸送的總量和輸送方向，對優化電能質量也有貢獻。當前我國采用了模塊化多電平技術（MMC），該技術的規模、容量、電壓等級等參數無不是依據工程需求與電能傳輸距離量身定制，個性化和智能化程度非常高。

2.2 多端口直流配電系統的保護

多端口直流輸電系統指的是由兩個以上高壓直流輸出中轉站和與之相連接的高壓直流閉合線路組成的高壓直流輸電系統。截至目前，世界各國充分認識到多端口高壓直流輸電在可再生能源和智能電網建設中的重要作用，因此相關輸電工程應用開始呈現快速增長。全球已投運的直流輸電工程均為點對點兩端系統，尚無多端柔性直流輸電工程投入實際商業運作中。

2.3 直流配電系統繼電器保護

繼電器可以對整個直流電網起到選擇性的定向保護作用。當電力系統中的設備發生故障或被短接時，繼電保護能夠準確地將故障設備或所在局部電路從總電力系統中隔離開來。大型直流電力系統的安全穩定，離不開結構合理的繼電器保護裝置。繼電保護運行中，如發現有任何異常狀態（如發熱過高），需密切監視保護裝置的瞬時溫度，進行散熱處理，并及時聯系繼保人員處理。

3 總結

直流配電系統的網絡構架設計是關乎全局的問題，只有具備了合理的結構，才能保證該系統穩定高效地運行。在執行具體設計方案時，相關技術人員需要從整個配電系統出發，站在統領全局的高度，綜合考慮系統對分布式電源的兼容能力、電能傳輸的穩定性以及網絡構架的運營成本等多方面要素。同時，針對直流供電系統中的故障成因及維護方法，筆者也做出了相應論述，以期為行業內人士提供參考，共同進步。

參考文獻

[1]胡競競.直流配電系統故障分析與保護技術研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[2]葉李心.適應于分布式電源接入的直流配電模擬實驗系統研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[3]高一波.直流配電系統接地故障分析與接地方式研究[D].杭州：浙江大學，2015.

（作者單位：國網山東省電力公司巨野縣供電公司）