直流配電系統接地故障分析與接地方式研究

黃志和

（福建宏瑞建設工程有限公司，福建 福州 350000）

隨著現代城市的發展，居民用電負荷與工業用電負荷高速增長，這對城市的供配電系統有了更高的要求。在經濟發達的大中型城市中，用電負荷密度不斷增加，但其供電容量的增長速度卻落后于用電負荷，導致居民供電不足現象時有發生，區域性配網供電緊張、供電質量不高等問題突出，特別是在用電高峰期，用電密度和電壓激增[1]。另一方面，城市的高速發展導致城區的土地資源緊張，同時在城市規劃中可供建設供電廊道的土地十分有限，更是加劇了供配電不足的問題[2]。

1 直流配電系統接地故障分析

在傳統的配電系統中，交流配電一直占據主導地位，但城市發展帶來了電力用電需求的快速增長，現有通電走廊電力的負載能力有限，供小于求，出現供需不平衡[3]。同時，交流電在傳輸過程中本身會產生損耗，大量的低壓用電設備對交流電的使用不兼容，需要采用變換器將交流電轉換為直流電，這使得電能被大量浪費，并且在轉換的過程中產生了大量諧波電流，嚴重影響了電器設備的運行穩定，造成大量的交流配電網絡故障，與用戶的需求相去甚遠[4]。因此，構建直流配電系統是確保供電質量的有效途徑，是以配電系統整體為角度出發的全局性解決方案。直流配電系統接地故障主要分為3 大類，即交流電源側故障、直流網絡故障、負荷側故障。

1.1 直流配電系統交流電源側故障

在交流電源側故障中，交流電網是直流配電系統的主要電源，由于功率不足原因以及電流形式轉換的需要，采用AC/DC 換流器，在控制系統換流器調節過程中，正常情況下，其電流和電壓的數值比較穩定，通過調節基礎波電壓曲線的相位和振幅達到不同功率形式的獨立調節，主要分為有功功率和無功功率，功率變化隨用電負荷的增加而增加，但當交流系統出現異常時，如出現單相短路或者兩相短路故障，交流電壓的的幅值、電流和有功功率均會出現波動[5]。

在正常情況下，如果供電電源的電壓有效值為Um，那么從換流器輸出的三相交流電壓表示為Us=[UsaUsbUsc]，交流側電壓矢量軌跡線為標準圓形，各相分量見方程（1）：

如果電網處于正常工作狀態，經過abc/αβ 變換后的電壓幅值見方程（2）：

當交流電源側系統失去平衡，如三相電壓不對稱故障等，交流側電壓矢量軌跡線為橢圓形，方程（2）中的電壓值將出現變化，混入了正負序分量，其表達式見方程（3）：

1.2 直流配電系統直流網絡故障

供電電網的直流網絡一般采用兩線制或者三線制，三線制比二線制增加了一條中性線電纜，剩余的兩相分別為正負電極。因此，其最容易發生的故障是極間短路或接地短路[6]。這些故障的研究均可以建立等效電路結構模型展開分析，當發生極間短路時，系統中的直流電路電壓與交流電路的電壓失去平衡，由于電容的作用，在瞬間狀態下電壓不會出現突變，但是當持續的電容放電后，電路出現欠阻尼震蕩現象，電壓和電流可以用方程（4）、方程（5）進行表達：

1.3 直流配電系統負荷側故障

在直流配電系統中，出現極間短路或者接地故障都會導致電容損毀，如果在故障發生后能及時消除故障，整個系統會逐步向原來的平衡狀態恢復，但這會造成電容電壓出現不可逆的損害，使得系統與初始狀態不一致，無法正常工作。當發生直流配線系統負荷載側故障時，VSC 直流側并聯的電容出現振動，電容對瞬間增大的電流和電壓進行充電存儲，隨后在極短的時間內釋放，因此在線路中的電流幅值急劇增加，VSC 對LGBT 進行鎖定，以保證VSC 自身的穩定和安全[7]。發生直流配電系統負荷側故障的電流、電壓見方程（6）、方程（7）：

2 不同接地方式下直流配電系統的故障分析

在直流配電系統的故障中，不同的接地方式對故障產生的影響、故障恢復過程均有所不同，本研究基于直流電網的故障特點，分析3 種主要的接地方式，分別是電容中點直接接地、部分站端電容中點高阻接地、全部站端電容中點高阻接地。

當直流配電系統電容中點直接接地時，換流站正極的電壓將在瞬間內變為0，而負極內的電壓變化過程則較為緩慢，逐步降低至-Udc。在整個系統中，離故障位置越近的換流站，其正極電壓的下降速率則越快，各個換流點正負極的電容電壓與對地電壓相同[8]。發生故障后，換流站的電流和電壓呈現不同的畸變，回路電流中含有零序分量，較大的零序電流流經電阻導致電壓中會出現零序偏置。

當直流配電系統分站端電容中點高阻接地時，換流站的正負極電流、電壓與電容中點直接接地較為一致，即正極的電壓將在瞬間內變為0，而負極內的電壓變化過程則較為緩慢，逐步降低至-Udc。在整個系統中，離故障位置越近的換流站，其正極電壓的下降速率則越快，各個換流點正負極的電容電壓與對地電壓相同。與其他接地方式產生的故障有所不同，分站端電容中點高阻接地時故障的恢復過程，首先要經歷正極電容放電，隨后負極充電的過程，整個恢復過程較慢。

當直流配電系統全部站端電容中點高阻接地時，換流站端由于電容的電阻較大，導致正極電容的放電過程不能有效進行，使得所有換流站的對地電壓都下降到零值以下。由于故障導致直流線網的正負極電壓失去平衡，但其不平衡大小與電容中點直接接地的電容電壓不相同，因此從另一個層面看來，這將有利于故障解除后電壓恢復，電位也自動恢復為地電位。

3 直流配電系統接地故障仿真分析

為了更好地模擬不同接地方式下，直流配電系統的接地故障特征，采用PSCAD 配電系統仿真軟件建立計算模型，模型的概圖見圖1。其中，系統的電壓為110 kV，聯結變變比按照系統電壓取值，大小為110/10，直流側額定電壓依據經驗確定為20 kV，直流側額定電流則取值為0.5 kA，圖中有5 個換流器，所有換流器的直流電容為2 000 μF，其中①換流器和⑤換流器的換流電感為5.6 nH。

圖1 直流配電系統接地故障仿真分析模型

①換流器發生單相永久接地故障時，①換流器右側M1、⑤換流器左側M5 的電流和電壓變化情況。從圖1 中可以看出，接地故障發生前，①換流器右側M1、⑤換流器左側M5 的基頻電流和基頻電壓均為0，而發生接地故障發生后，①換流器右側M1 的電壓值為2 297.5 V，電流值為1 583.4 A，⑤換流器右側M5的電壓值為976.6 V，電流值為998.7 A，由此根據基頻功率方向可以確定①換流器發生了接地故障，而⑤換流器則運行正常。

發生并聯諧振接地故障時，①換流器右側M1、⑤換流器左側M5 的電流和電壓變化情況。接地故障發生前，①換流器右側M1、⑤換流器左側M5 的基頻電流和基頻電壓均為0，而發生接地故障發生后，①換流器右側M1 的電壓值為5 833.0 V，電流值為141.5 A，⑤換流器右側M5 的電壓值為5 321.8 V，電流值為6 671.3 A，由此根據基頻電流和電壓的輔助判斷準則和功率方向可以確定①換流器發生了接地故障，而⑤換流器則運行正常。

4 結論

與交流配電系統相比，直流配電系統在電能質量和可靠性等方面具有明顯的優勢，因此受到研究人員的關注和重視。本研究針對直流配電系統接地故障展開分析，采用仿真模擬軟件建立了多種不同接地方式，對在不同模式下的直流配電系統故障量進行研究，得出以下結論：

（1）直流配電系統接地故障主要分為3 大類，即交流電源側故障、直流網絡故障、負荷側故障。不同的接地故障會導致直流配電系統中的電路和電壓變化。

（2）直流配電系統存在3 種主要的接地方式，分別是電容中點直接接地、部分站端電容中點高阻接地、全部站端電容中點高阻接地。

（3）采用PSCAD 配電系統仿真軟件建立計算模型，分析不同接地方式下的電流和電壓變化情況，并根據基頻電流和電壓的輔助判斷準則和功率方向判定故障出現的位置。