直流系統故障支路綜合保護與隔離研究

國網伊犁伊河供電有限責任公司 孜比熱木·阿布都克力木 肖吾開提·吐爾遜 王 清

1 引言

直流輸電技術因其傳輸損耗小、線路占地面積小、輸電距離遠等優點已廣泛應用于電力系統，但其復雜性和高壓大電流等特性使得故障問題不容忽視。直流系統故障的保護與隔離技術研究對于保障系統安全和提高電力系統可靠性至關重要。本文旨在深入研究直流系統故障的保護與隔離技術，并通過試驗驗證其可行性和有效性，為直流輸電技術的進一步發展提供技術支撐和參考。

2 直流系統常見故障類型

2.1 短路故障

短路故障是直流系統中常見的故障類型之一，通常由導體之間直接接觸或接觸電阻較小等原因引起，會導致系統電流瞬間增大，對設備造成嚴重的損壞，甚至引發電網事故。極間短路和支路短路是兩種常見的短路故障類型。極間短路通常由隔離開關未能完全切斷或斷開電纜連接等原因引起，需要盡快隔離故障支路，避免損壞設備。支路短路通常由設備老化、絕緣擊穿、接觸不良等原因引起，需要及時隔離故障支路以保護設備和系統的安全運行[1]。

2.2 接地故障

接地故障是指直流系統中出現的導體與地之間發生短路故障，導致系統中的電流流向地面。接地故障通常由于設備損壞、絕緣不良、地線連接不良等原因引起。接地故障會對系統安全運行帶來嚴重影響，容易引發電弧、火花放電等問題，嚴重時甚至可能造成人員傷亡和設備損壞。接地故障的處理方法主要是對接地故障進行隔離和修復，避免電流繼續流向地面，同時需對系統進行漏電檢測和故障定位。為了防止接地故障的發生，需要加強對設備和絕緣的檢查和維護，并采用適當的接地保護措施，如接地保護裝置、接地電阻等。

2.3 開路故障

開路故障是指直流系統中某一導體或支路發生斷路，導致電路無法正常通電。開路故障通常由于電纜老化、接頭松動、設備故障等原因引起。開路故障會導致系統中的電流瞬間中斷，可能造成系統中設備的損壞和影響電網的穩定運行。處理開路故障的方法主要是對斷路處進行維修和更換，同時需要對系統進行檢測和診斷，以確定故障的具體位置和原因。為了防止開路故障的發生，需要定期檢查設備和電纜的狀況，及時更換老化的部件，提高設備的可靠性和穩定性[2]。

3 故障支路保護與隔離技術

3.1 保護原理及分類

直流系統的保護是指在系統故障發生時，及時采取措施，避免故障擴散和蔓延，保護設備和系統的安全運行。直流系統的保護按照保護原理和實現方式可以分為多種類型，如電氣保護、機械保護、光纖保護等。常規直流系統保護分類及其原理詳見表1[3]。

表1 常規直流系統保護分類及其原理

3.2 隔離原理及分類

隔離保護是直流系統中常用的保護措施之一，主要是通過隔離故障支路或切斷電源等方式，將故障區域與正常區域隔離開來，避免故障擴散和蔓延，確保系統的安全運行。

3.2.1 機械隔離

機械隔離是一種通過機械裝置實現隔離的保護方式，主要應用于直流開關等設備中。機械隔離通過斷開開關觸頭或切斷電源，將故障支路和正常支路隔離開來，從而避免故障擴散和蔓延。

3.2.2 電磁隔離

電磁隔離是利用電磁原理實現隔離的保護方式，主要應用于繼電器、電感器等裝置中。電磁隔離通過切斷電磁繼電器的電路，將故障支路和正常支路隔離開來，從而達到保護系統的目的。

3.2.3 光電隔離

光電隔離是利用光電元件實現隔離的保護方式，主要應用于光電隔離器、光電耦合器等裝置中。光電隔離器通過光電傳感器將輸入信號轉換為電信號，再通過光電耦合器隔離輸出信號，從而實現故障支路和正常支路的隔離保護。

3.2.4 絕緣隔離

絕緣隔離是利用絕緣材料實現隔離的保護方式，主要應用于電纜、絕緣子等設備中。絕緣隔離通過在故障支路和正常支路之間加裝絕緣體，阻止電流在故障支路和正常支路之間流動，從而實現隔離保護。

3.3 綜合保護與隔離技術

3.3.1 多重保護聯鎖

多重保護聯鎖是將多種保護方式結合起來，實現多重保護和聯鎖保護。例如，在直流系統中，可以通過電流保護和電壓保護相結合，實現對系統的多重保護；同時，還可以設置聯鎖保護，當系統發生故障時，自動切斷電源，避免故障擴大。

3.3.2 雙重隔離保護

雙重隔離保護是指在直流系統中采用兩個以上的隔離裝置，實現對故障支路的雙重隔離保護。例如，在直流輸電線路中，可以在兩端分別設置斷路器和隔離開關，實現對故障支路的雙重隔離保護，提高系統的可靠性。

3.3.3 智能保護系統

智能保護系統是指利用現代計算機技術和通信技術，實現對直流系統的智能保護和自動化控制。智能保護系統可以實時監測直流系統的運行狀況，對故障進行快速檢測和定位，并通過多重保護措施實現對系統的保護。

4 試驗驗證

4.1 試驗方案

為了驗證直流系統故障支路綜合保護與隔離技術的有效性，設計了一系列試驗，并設計了一個帶有智能保護系統的保護裝置，智能保護系統來實現試驗過程的自動化控制和數據采集。試驗原理圖如圖1所示。

圖1 試驗圖

4.2 智能保護系統設計

采集設備：該智能保護系統內有傳感器可以采集電流、電壓、功率、溫度等數據。

控制設備：該設備可以通過斷路器、隔離開關等裝置實現對直流系統的開關控制，實現對系統的保護和隔離措施。

數據處理模塊：該模塊可以對采集的數據進行處理、分析和診斷，實現對系統運行狀態的監測和故障診斷。

數據模塊的代碼如下。

// 假設采集到的數據存儲在 data 數組中，數據格式為 [電流，電壓，功率，溫度]

代碼中，假設采集到的數據存儲在data 數組中，數據格式為[電流，電壓，功率，溫度]。然后通過對數據的分析和處理，判斷是否存在故障，如果存在則返回故障類型和原始數據。這樣的一個數據處理模塊可以用于實現對直流系統的實時監測和故障診斷。并將指令下達給控制設備，實現功能。

4.3 試驗裝置

為了實現試驗方案的實施，利用實驗室搭建的直流系統，并采用保護和隔離裝置，包括斷路器、隔離開關、繼電器等裝置，對直流系統進行保護和隔離。同時，采用智能保護系統對試驗裝置進行自動化控制和數據采集。

4.4 試驗結果與分析

4.4.1 故障檢測

通過試驗發現，智能保護系統可以準確地檢測到直流系統中的各種故障，如短路故障、接地故障、過載故障和溫度異常等。并且系統可以快速響應故障，采取相應的保護和隔離措施，保證直流系統的安全穩定運行。故障檢測結果詳見表2。

表2 故障檢測結果

4.4.2 數據處理和分析

智能保護系統還可以對采集到的數據進行處理和分析，提供有用的技術支持和決策依據。例如，可以通過對數據的統計和分析，了解直流系統的運行狀況、負載情況和電氣參數等，并及時采取相應的措施，保證系統的運行效率和可靠性。

4.4.3 可靠性和穩定性

智能保護系統的試驗結果表明，該系統具有較高的可靠性和穩定性。系統可以在極短的時間內檢測和響應故障，保護系統的安全穩定運行。同時，系統的硬件和軟件設計都充分考慮到了系統的運行特點和要求，具有較好的適應性和可擴展性。基于試驗結果和分析，智能保護系統可以實現對直流系統的智能保護和自動化控制，提高直流系統的安全性和可靠性，為直流輸電技術的發展提供了有效的技術支持和保障。

5 結語

本文研究了直流系統故障支路綜合保護與隔離技術，并設計了一個基于智能保護系統的試驗驗證平臺進行試驗驗證。通過試驗結果和分析，得出了智能保護系統可以實現對直流系統的實時監測、保護和隔離控制，具有較高的可靠性和穩定性，并可以對采集到的數據進行處理和分析，提供有用的技術支持和決策依據的結語。本文建議在直流系統的設計和應用中，充分考慮直流系統的故障保護和隔離措施，并采用智能保護系統等先進技術，提高直流系統的安全性和可靠性，推動直流輸電技術的發展和應用。