直流配電系統故障研究

劉虎 李俊剛 冀娟 張艷華

摘要：直流配電系統具備的線路損耗小、電能質量高等優勢吸引了電力專業人員的關注。本文概述了直流配電系統中經常遇到的直流系統故障，并詳細列舉了保護區域及故障分類，然后總結了直流配電系統的故障特性，最后對保護與控制的配合提高直流配電系統穩定做出了展望。

關鍵詞：直流配電系統;繼電保護;故障研究

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）12-0077-02

0 引言

傳統的配電網系統中交流供電方式占據了主導地位，伴隨著智能電網的發展及對電力系統創新的方向，直流配電網的優勢逐漸凸顯出來。相比于傳統的交流配電網，直流配電網系統具有線路損耗小、傳輸容量大、電能質量高、系統簡單可靠等多個優點，在智能配電系統中的應用前景十分廣闊，但是由于缺乏成熟的直流配電系統實際運行經驗，其可能面臨的故障問題也缺乏有效的解決方法。本文從中低壓直流系統的概述開始，詳細的列舉了直流配電系統故障類型及保護區域的劃分，講述了直流配電系統的故障特性。

1 直流配電系統概述

傳統的講直流配電網絡按照電壓等級的不同分為3種：低壓直流電網（Udc<1500V）、中壓直流電網（1500V<Udc<30kV）及高壓直流電壓（Udc>30kV）。歐洲電力標委會在2007年左右頒布的低壓標準中，將電壓等級低于1500V的直流配電網劃分為低壓直流電網。通過圖1可以看到直流配電系統的典型結構。在傳統的交流系統中經常使用的的負載，如電力電子類負載、熱阻性負載、交直流電機等等，在直流配電網下較寬的電壓范圍內仍可以正常使用。然而，想要擴大直流配電技術的應用范圍，低壓直流配電網與中壓直流電網的融合勢在必行。目前在風電場及船舶系統的供電系統中，中壓直流配電網都有所應用。在傳統的交流系統中接入AC/DC 變換器即可將交流變換成直流，經過中壓直流母線在負載端通過DC/DC高功率變換器轉換成用戶可以使用的適當電壓。

直流配電網的拓撲結構主要有單母線直流配電系統，以及放射狀、兩端狀、環狀等多種結構。但是無論采取何種結構，可以用來連接儲能設備、分布式發電設備的多類型不同符合的交直流變換器、直流變換器不可或缺。其中，帶有直流保護裝置的直流配電系統如下圖2所示。該系統的能源來源可以是交流電網、光伏電池、燃料電池、儲能電池等， 通過AC/DC、單向DC/DC、雙向DC/DC保護連接到直流母線，然后通過直流保護裝置向熱性負載、電力電子負載、直流電機、充電樁等供電。這樣的配置基于不同的區域提供精確的保護，當故障發生時既可以迅速切除故障，又可以準確定位故障的來源，使故障的影響范圍和成都縮減到最小。

2 直流配電系統區域保護與故障分類

傳統的直流輸變電系統的保護是以系統的結構為劃分依據，主要劃分為3個區域即交流側系統保護、換流器區域保護以及直流側系統保護。與傳統直流輸變電系統相異之處是，直流配電系統的線路T接負載、分布式支路相關的故障類型要復雜的多。中壓直流配電系統的區域保護可以分為交流系統側保護、交直流變換器保護、直流系統側保護、負荷側保護4個部分，以上4個區域的故障類型及非正常運行方式可以概括為：

（1）交流系統側保護。該側保護與傳統的交流系統保護類似，一般為單相接地故障保護、兩相接地故障保護、兩相短路故障保護、三相短路故障保護等，還有針對主變的高、中、低壓側保護等。另外還有由于操作不當或負荷過重引起的過壓保護、欠壓保護、電壓驟減以及負載分布不均勻造成的三相不平衡等多種非正常運行方式。中低壓直流配電系統的保護在設計時需要考慮到交流系統側對直流側的各種可能影響。

（2）交直流變換器保護。中低壓直流配電網中經常使用的變換器主要有AC/DC換流器、DC/DC換流器以及DC/AC換流器。作為中低壓直流配電系統的核心，直流配電系統的保護設計必須要關注系統中各個變換器涉及的范圍及作用。閥側短路故障、橋臂短路故障、變換器直流側出口短路故障、變換器交流側出口短路故障、系統脈沖觸發故障、系統冷卻故障等都是變換器的常見故障。變換器自身帶有一定的保護功能，此外中低壓直流配電系統也會提供針對變換器的保護作為后備保護，在整個直流系統的設計中不僅要考慮到變換器自身的保護動作影響，也要考慮系統提供的保護的影響以及二者之間的相互影響和相互配合。

（3）直流系統側保護。直流系統側保護是中低壓直流配電系統保護的核心內容，主要是針對直流母線的保護以及直流饋線的保護。不同的直流配電系統的具體需求而言，中低壓直流配電系統可以采用中性點接地或系統單極接地，配電線路可以采用直流配電電纜或架空線的方式。直流系統側的線路故障主要有斷線故障、接地故障、極間故障，直流系統的非正常運行方式還有系統絕緣水平下降、過電壓、低電壓等。如果采用直流電纜時，當電纜線路發生故障一般為永久性故障（直流電纜埋藏于地下，外層絕緣包裹一旦遭到破壞很難恢復），而針對架空線方式的直流線路則經常發生由于雷擊或閃污引發的瞬時性故障。

（4）負荷側保護。中低壓直流配電系統不僅可以承載直流負荷，而且可以承載通過逆變器接入的交流負荷。分布式光伏發電、微型汽輪機等分布式能源、燃料電池、儲能電池等也屬于負荷側保護的范疇。負荷側保護區域可能發生的故障有短路故障、過負荷故障等。類似儲能電池這種通過雙向電流變換器接入直流配電網的設備，在直流系統保護的設計時必須評估其電能雙向流動對系統可能造成的影響。

3 直流配電系統的故障特性

如上所述，中低壓直流配網的保護核心是直流系統側保護，而換流器的結構類型影響著直流線路的故障特征。中低壓直流配網中多采用電壓原型換流器（VSC）作為換流裝置來保證系統功率和電壓的可控性并提高電能質量和供電穩定性。該型換流器主要包括三相三電平、三相兩電平以及模塊化多電平等結構，而中低壓直流配電系統一般以三相兩電平的結構為主。與較為成熟的交流供電系統相比，低壓直流配電系統缺少完善的保護配置及運行標準和規范。因此、中低壓直流配電系統故障的自身特點可以歸納為以下兩個方面：

首先是直流配電系統中故障定位困難，容易造成故障范圍擴大。大部分并入中低壓直流配電系統的單元都是通過換流器接入線路，而當直流配網系統中任何一點發生接地故障時，相鄰換流器附帶的出口電容都會產生放電并流向該故障點，此舉會迅速引發系統電壓驟降，對電壓敏感的設備造成重大影響。當系統中接入了交流電源和交直流電動機時，這些單元會不間斷的向故障點傳輸短路電流。在高壓直流傳輸系統中，經常采用的故障定位方法是行波法，然而對于中低壓直流配電系統而言，其復雜的拓撲結構及各種分布式電源的接入，當故障發生時需要精準的定位。考慮到中低壓直流配電的線路較短，故障檢測和定位更加困難。

其次是直流斷路器價格昂貴。相比廣泛使用的交流斷路器，用于直流配電系統的直流斷路器滅弧難度大，設計也更加復雜。缺少低成本的直流斷路器和較少的工程實際經驗也給直流配電系統的保護配置帶來了挑戰。如表1所示。

4 結語

本文闡述了直流配電系統不同區域的保護與故障分類，直流配電系統的故障特性。在配置直流保護時，應充分考慮到保護與控制二者之間的相互配合，保證系統安全達到最優。保護裝置與控制系統二者之間可以相互傳遞保護與控制信息，例如保護裝置將保護定值發送給控制系統，同時控制系統將控制策略傳遞給保護裝置。利用控制單元的快速調節能力，形成智能化的整體保護方案，以提高直流配電系統的供電穩定性。

A research of the fault in DC Distribution System

LIU Hu，LI Jun-gang，JI Juan，ZHANG Yan-hua

（Xu Ji Electric Co.， Ltd.， Xuchang Henan? 461000）

Abstract：The advantages of small line loss and high power quality of DC power distribution systems have attracted the attention of power professionals. This paper outlines the DC system faults frequently encountered in DC power distribution systems， and enumerates the protection areas and fault classification in detail. Then it summarizes the fault characteristics of the DC power distribution system. Finally， the protection and control are combined to improve the stability of the DC power distribution system. Made a vision

Key words：DC power distribution system; relay protection; fault research