中低壓直流配電系統故障分析及保護配置研究

張偉泉

（核工業工程研究設計有限公司，廣東陽江529941）

1 引言

直流系統可將分布式發電、配電供電及儲能等優點進行充分發掘，以便為電氣企業的供電與用戶的用電提供新效益與新價值。系統保護是配電安全運行的保障，其實施難點主要是電流未能經過零點，使滅弧較難，且控制相對復雜，需給予滅弧更大的空間。國家電氣工程相關工作人員在研究直流保護的過程中，應對其運行動態與常見故障間的關聯進行充分考慮，以此來獲得更佳的保護效果。文章依據直流組成及其原理，分析總結出了其系統的常見故障類型，提出的一系列故障解決策略，對直流配電系統的完善具有理論性意義，對解決其建設中的實際問題具有現實性的指導意義。

2 直流主動保護構成及其原理

直流保護系統的構成分為單母線配電、兩端配電以及放射狀與環狀配電等四種系統，無論是應用哪一種系統，均是以DC/AC和DC/DC器為載體，使儲能、多型負荷及分布式發電相連接，系統保護便集成于DC/AC和DC/DC中[1]。其主動保護構成由短路與接地保護、絕緣下降、交直流混接、環網保護、交流電網、儲能電池、光伏電池及燃料電池等組成，其借助DC/DC或DC/AC接受配電，將電供給負載。其原理是在電子轉換器構造監控與拓撲原理基礎上，將其保護行為“融入”轉換器的邏控之中，遵循雙重保護原則，充分利用隔離單元與電子器件，使諸多故障線路與正常運行的線路自然斷離，并對故障較為嚴重的回路進行切斷處理，可阻止輕微故障變嚴重擴大危害范圍，盡可能確保系統正常工作。因電子轉換器具有自己的保護性能，所以諸多學術研究人員對其進行探究的興趣頗高。此項技術具有繼電保護作用，已經被國人廣泛應用于電氣企業當中。直流繼電器結合斷路器，可對故障進行快速檢測與斷離。

3 中低壓直流配電系統常見故障解析

非高壓直流系統中，常見的故障有短路故障與接地故障。

①短路故障：正負電極均懸空的系統，如若正負極其中一極接地，則無法造成電路短路；如若唯有接地線電壓出現異常，且正負極其中一極線路接地，便會引發短路故障。直流系統的短路故障，其電流輸送速度飛快，影響范圍廣泛，且未經過零點[2]。解決直流短路故障的方法諸多，其中切除電路的方式最為直接且效果較好。

②接地故障：前期線路絕緣性能的下降與交直流交接混亂等問題并未引發接地故障，當接地電壓發生異常時，如若未能對其進行有效控制，可使其最終演變成接地故障。近幾年，我國的直流斷路技術還未發展成熟，對于其他故障的保護方法僅限于監測與報警，而對于接地故障保護，我國已有一定的技術成果，例如環網技術。

③直流故障具有自身獨特的直流電壓，其故障點位較難尋找。直流電系中，導致線路故障形成的原因之一是直流環網出現問題。環網故障會使直流電系統之間產生電環流，最終造成輸電異常的危害，嚴重的情況下，很有可能導致線路出現短路或是接地故障。

4 非高壓直流系統故障保護方法探析

4.1 直流環網維護法

直流環網法的內涵主要指在直流系統未能并列期間，環網存有的多數電氣連接。在環網運行的過程中，受倒負荷與絕緣度降低等因素的影響，極易使其出現故障，導致產生火災、電池使用年限縮短以及空氣開關失效等問題。若出現兩個直流等級各不相同的系統電壓，則會造成更為嚴重的后果。例如，異常發電現象，會引發電路短路或接地等危害。DC/DC屬于隔離型轉換器，具有穩定電壓的作用，在直流環網中，可確保各負荷電壓始終保持平衡狀態[3]。各支流通過使用DC/DC可完成單獨供電。當負荷出現故障時，DC/DC可保證各直流系統正常運作。面對多條直流線路同時出現問題的危急時刻，借助環網監測可檢測出其問題所屬的故障種類，并將故障點前后電路封鎖，阻止轉換器輸出電流，實現故障隔離，可有效避免直流主干線與其他支干線的輸電工作受到影響。

4.2 短路故障保護法

依照主動保護原理，短路故障的保護應以電子器件內部的運行原理及算控法為基礎，通過邏輯管控與診斷，對短路電流進行切斷處理。單元隔離法將部分因故障問題流失電流進行回吸，可降低故障的破壞力，避免直流系統整體運行中斷。ASP集成器的應用，可將DC/AC或者是DC/DC器中，需要被保護的各直流線路進行串聯。考慮到轉換器中電力IGBT的全控型運作特點及原理，一旦饋線電路或直流干線出現短路問題，可通過邏輯法實現對IGBT的控制[4]。快速完成主動保護，使功率輸出停止運行，可將短路線路與主干線、分布式發電線、負載線進行脫離，加快了主動保護的速度，增強了其可靠性，使其作用得以充分發揮。短路故障保護的主要控制開關是半導器件，其電路開關通斷的控制法與其他方法不同，其故障保護總通斷時長應被局限于μs級范圍內。

4.3 接地故障維護法

接地保護法是指依靠快速檢測，由DC/DC器通過將單元進行隔離，進而完成隔離接地故障的目的。在線路饋線處，便將故障限制于此，可有效阻止主干線與電源、負載間的故障傳播，為主干線路與其饋線的正常運作提供保障。接地危害的監測工作，是實現直流保護的最大難題。當前，經常被使用的監測方法包括三種，分別是電阻平衡法、漏電檢測法及低頻交流法等。此三種方法雖然均能為故障的檢測工作帶來一定的效果，但是，僅能起到報警的作用，無法從根源處解決接地故障問題，防止其危害的發生。此外，漏電后，若絕緣不及時，會引發接地危害。AGP需要考慮和集成絕緣下降報警。應用非平衡橋法，可對故障及絕緣進行監測，可考慮使用AGP絕緣報警。通過對直流正負電阻的監測，可實現接地絕緣報警。

5 結論

總而言之，隨著我國電氣事業的不斷發展，電力配電系統獲得完善，并逐漸走向成熟，致使主動保護的靈敏度與可靠性有所提高。電氣單位做好主動保護工作，可將直流故障的影響力降至最低，破壞范圍縮至最小，減小了其對斷路器的傷害。通過優化其結構，允許各環境下故障系統照常運行，既有利于直流系統接納其他電源能力的提升，又可為電流供應商信譽的可靠度提供保障。文章針對直流保護原理及其系統具有短路故障與接故障等問題，提出了直流環網維護法、短路故障保護法以及接地故障維護法等策略，希望能夠為電企提供幫助。