分析直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置研究與開(kāi)發(fā)

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局 曾 尹

直流系統(tǒng)產(chǎn)生接地故障的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，影響直流系統(tǒng)接地故障綜合處理效果，直流系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)作用和電力行業(yè)現(xiàn)實(shí)發(fā)展水平也會(huì)受到很大影響。在電力行業(yè)不斷發(fā)展條件下，通常采取接地保護(hù)裝置對(duì)直流系統(tǒng)接地故障進(jìn)行有效控制，嚴(yán)防直流系統(tǒng)接地故障持續(xù)惡化，這對(duì)于保障直流系統(tǒng)運(yùn)行效果和安全水平有重要作用。同時(shí)還應(yīng)保證直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置研究與開(kāi)發(fā)力度，繼而優(yōu)化直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)模式。

直流系統(tǒng)主要應(yīng)用于各類變電站、火電廠和水電廠等使用直流設(shè)備的場(chǎng)合。作為電力二次系統(tǒng)的重要組成部分，直流系統(tǒng)是繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、遙控電源、操作回路、信號(hào)回路、微機(jī)以及五防系統(tǒng)的直流供電電源，包括交流充電裝置、饋電屏、蓄電池組、電池巡檢裝置、監(jiān)控單元和絕緣監(jiān)測(cè)等。直流系統(tǒng)的故障主要是饋線屏后帶來(lái)的各支路負(fù)荷間的相互影響造成的，即饋線屏后端出現(xiàn)故障是導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)的根源，接地故障是最常見(jiàn)故障類型[1]。

1 直流系統(tǒng)接地故障危害

信號(hào)系統(tǒng)誤動(dòng)。直流系統(tǒng)常見(jiàn)接地故障包括正極接地故障、負(fù)極接地故障和兩點(diǎn)接地故障，應(yīng)結(jié)合直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷其接地故障類型和基礎(chǔ)誘因，之后規(guī)劃合理改善措施，嚴(yán)防直流系統(tǒng)接地故障持續(xù)惡化。在直流系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)正負(fù)母線短路或地絕緣電阻下降等問(wèn)題，就會(huì)造成直流系統(tǒng)中信號(hào)裝置和機(jī)電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)問(wèn)題，直流系統(tǒng)接地線路混亂，直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障的幾率大大提升。加上直流系統(tǒng)接地模式（圖1）較為復(fù)雜，如直流系統(tǒng)接地故障頻頻發(fā)生，直流系統(tǒng)安全運(yùn)行效果和現(xiàn)實(shí)作用也會(huì)受到影響，造成直流系統(tǒng)運(yùn)行信號(hào)異常，相關(guān)系統(tǒng)出現(xiàn)各項(xiàng)故障問(wèn)題的可能性大大提升。

圖1 直流系統(tǒng)接地示意圖

斷路器拒動(dòng)。如直流系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)兩點(diǎn)接地跳閘或回路短路問(wèn)題，不僅影響直流系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中電能傳輸效果和安全水平，還會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)保護(hù)裝置出現(xiàn)拒動(dòng)和越級(jí)跳閘問(wèn)題，無(wú)形中加大直流系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)重大事故的可能，斷路器在直流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的作用效果也會(huì)受到很大影響。加上導(dǎo)致直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障的原因較多，如不能及時(shí)解決直流系統(tǒng)接地故障，就會(huì)造成直流系統(tǒng)斷路器拒動(dòng)問(wèn)題持續(xù)惡化，直流系統(tǒng)在有關(guān)行業(yè)電能傳輸中的作用效果也會(huì)受到很大影響，各類重大電力安全事故也會(huì)頻頻發(fā)生。

熔斷器熔斷。熔斷器作為直流系統(tǒng)中重要零部件，其對(duì)于維持直流系統(tǒng)電壓和電流穩(wěn)定性有著重要作用。但在直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，不僅影響直流系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)運(yùn)行效果，還會(huì)出現(xiàn)熔斷器熔斷問(wèn)題，熔斷器在直流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的作用效果持續(xù)下降，直流系統(tǒng)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性也會(huì)受到極大影響。如直流系統(tǒng)接地故障問(wèn)題過(guò)于嚴(yán)重，還會(huì)出現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)損壞問(wèn)題，繼電器在直流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的作用效果也會(huì)受到影響，直流系統(tǒng)運(yùn)行效果和安全水平下降[2]。

2 直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置的研究

2.1 系統(tǒng)檢測(cè)原理

國(guó)家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（國(guó)能安全［2014］161號(hào)）明確要求“新投入或改造后的直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置，不應(yīng)采用交流注入法測(cè)量直流電源系統(tǒng)絕緣狀態(tài)。在用的采用交流注入法原理的直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置，應(yīng)逐步更換為直流原理的直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置?！币虼瞬捎貌黄胶怆姌蚍蓪?shí)現(xiàn)正負(fù)母線的對(duì)地絕緣電阻和接地情況監(jiān)測(cè)。同時(shí)還應(yīng)保證主動(dòng)式接地保護(hù)裝置與直流系統(tǒng)間契合度，可以強(qiáng)化主動(dòng)式接地保護(hù)裝置在直流系統(tǒng)運(yùn)行中的作用效果，彰顯主動(dòng)式接地保護(hù)裝置現(xiàn)實(shí)作用，為控制直流系統(tǒng)接地故障提供標(biāo)準(zhǔn)化裝置支持。

2.2 實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式接地保護(hù)

對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)了解其運(yùn)行狀態(tài)，是預(yù)防和處理直流系統(tǒng)故障的前提條件。同時(shí)對(duì)故障進(jìn)行隔離，使得故障不會(huì)在負(fù)載側(cè)和電源側(cè)進(jìn)行傳播，或負(fù)載側(cè)單條線路的故障不會(huì)傳播到其他負(fù)載線路，這是減小故障影響的有力措施。根據(jù)這種思路，減少直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、保護(hù)裝置的數(shù)量，將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、故障隔離、保護(hù)等功能進(jìn)行集成，形成直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)隔離保護(hù)裝置。電力電子器件的發(fā)展使得電力電子技術(shù)得到更加廣泛的應(yīng)用，在高壓直流輸電工程上通常利用電力電子設(shè)備將保護(hù)和控制集成于一體，得到非常好的應(yīng)用效果。

直流系統(tǒng)可借鑒此經(jīng)驗(yàn)，研究開(kāi)發(fā)基于電力電子技術(shù)的監(jiān)測(cè)隔離保護(hù)裝置，將其串聯(lián)在直流母線和各支路之間，即一條支路對(duì)應(yīng)一個(gè)該裝置，減小故障影響，提高直流系統(tǒng)的供電可靠性（圖2）。在母線與負(fù)荷之間增加隔離型DC/DC變換器，將直流母線和負(fù)荷進(jìn)行隔離，主動(dòng)式接地短路保護(hù)則集成在DC/DC變換器中。主動(dòng)式接地保護(hù)集成在隔離型DC/DC變換器之中，串聯(lián)于直流母線與各負(fù)荷之間，這樣對(duì)母線進(jìn)行了分段，減小了分布電容，防止“直流一點(diǎn)接地”導(dǎo)致電容放電引起保護(hù)誤動(dòng)。

圖2 直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)原理圖

2.3 直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測(cè)

針對(duì)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置展開(kāi)研究，通過(guò)相應(yīng)裝置可實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測(cè)目標(biāo)，保證直流系統(tǒng)接地故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果，了解直流系統(tǒng)各個(gè)時(shí)間段接地故障變化情況和基礎(chǔ)誘因，幫助有關(guān)部門(mén)及時(shí)確定直流系統(tǒng)接地故障部位，之后按照直流系統(tǒng)接地故障表現(xiàn)和相關(guān)部位規(guī)模形態(tài)規(guī)劃合理改善措施，嚴(yán)防直流系統(tǒng)接地故障問(wèn)題持續(xù)惡化，彰顯主動(dòng)式接地保護(hù)裝置現(xiàn)實(shí)作用，確保直流系統(tǒng)接地故障可在短時(shí)間內(nèi)得到優(yōu)化改善。

應(yīng)用主動(dòng)式接地保護(hù)裝置對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行接地故障監(jiān)測(cè)時(shí)，還應(yīng)強(qiáng)化主動(dòng)式接地保護(hù)裝置中不平衡電橋規(guī)劃效果，同時(shí)在不平衡電橋支持下開(kāi)展直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測(cè)工作，必須保證電路運(yùn)行效果和閉合情況達(dá)到合理狀態(tài)，突出不平衡電橋現(xiàn)實(shí)作用，以此強(qiáng)化主動(dòng)式接地保護(hù)裝置在直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測(cè)中作用效果，一旦發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障，應(yīng)借助主動(dòng)式接地保護(hù)裝置及時(shí)調(diào)整直流系統(tǒng)接地故障問(wèn)題，保障直流系統(tǒng)接地保護(hù)效果，突出主動(dòng)式接地保護(hù)裝置的現(xiàn)實(shí)作用。直流系統(tǒng)在不同狀態(tài)下出現(xiàn)接地故障問(wèn)題的原因存在一定差異，應(yīng)在考慮各項(xiàng)基礎(chǔ)差異條件下強(qiáng)化主動(dòng)式接地保護(hù)裝置現(xiàn)實(shí)作用，方便相關(guān)人員靈活應(yīng)用其對(duì)直流系統(tǒng)接地故障進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)，確保故障可得到有效處理。

3 直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置的開(kāi)發(fā)

3.1 主動(dòng)式接地保護(hù)裝置主電路開(kāi)發(fā)

對(duì)于應(yīng)用在直流系統(tǒng)中的主動(dòng)式接地保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)，對(duì)其進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)必須保證其中隔離型變換器運(yùn)行效果，可以阻斷直流系統(tǒng)接地故障傳播，從而強(qiáng)化直流系統(tǒng)接地保護(hù)力度，使直流系統(tǒng)接地保護(hù)達(dá)到主動(dòng)合理狀態(tài)。而主電路作為主動(dòng)式接地保護(hù)裝置中的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)部位，在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)須保證其各項(xiàng)零部件位置及運(yùn)行模式的合理性和有效性，發(fā)揮其故障隔離和接地報(bào)警輸出的作用，避免直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受到其主電路的影響。

目前，多數(shù)直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置在進(jìn)行主電路規(guī)劃設(shè)計(jì)和綜合開(kāi)發(fā)過(guò)程中會(huì)在其中使用全橋DC/DC變換器，并在該類變換器支持下實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)運(yùn)行電氣隔離的目標(biāo)，將直流系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)接地故障的可能性降到最低。為保證DC/DC變換器在直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置主電路運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮最大作用，必須保證開(kāi)發(fā)人員對(duì)全橋DC/DC變換器運(yùn)行原理有所了解，必要時(shí)還應(yīng)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置主電路中全橋DC/DC變換器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置主電路開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)達(dá)到合理狀態(tài)，使得主動(dòng)式接地保護(hù)裝置主電路運(yùn)行效果及該裝置在直流系統(tǒng)接地故障處理和接地保護(hù)中的現(xiàn)實(shí)作用全面表現(xiàn)出來(lái)。

圖3 全橋DC/DC變換器原理圖

3.2 主動(dòng)式接地保護(hù)裝置保護(hù)電路開(kāi)發(fā)

對(duì)于直流系統(tǒng)接地故障處理和接地保護(hù)來(lái)說(shuō)，保證這兩項(xiàng)工作落實(shí)程度對(duì)于提升直流系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。必須遵循合理要求強(qiáng)化直流系統(tǒng)接地保護(hù)力度，并遵循合理要求開(kāi)展主動(dòng)式接地保護(hù)裝置開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作，使其運(yùn)行效果和現(xiàn)實(shí)作用可滿足直流系統(tǒng)接地故障和綜合保護(hù)要求，并將主動(dòng)式接地保護(hù)裝置保護(hù)電路的現(xiàn)實(shí)作用全面表現(xiàn)出來(lái)。直流系統(tǒng)在不同狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的基礎(chǔ)信號(hào)存在一定差異，這就應(yīng)遵循具體參數(shù)信息對(duì)直流系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行有效調(diào)理，保證各項(xiàng)參數(shù)信息在直流系統(tǒng)綜合調(diào)理中的作用效果，方便有關(guān)部門(mén)對(duì)直流系統(tǒng)展開(kāi)有效的接地保護(hù)，并將主動(dòng)式接地保護(hù)裝置保護(hù)電路開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和現(xiàn)實(shí)作用表現(xiàn)出來(lái)。

直流系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)采樣電壓數(shù)值相差過(guò)大問(wèn)題，應(yīng)在電壓跟隨器支持下對(duì)直流系統(tǒng)各電路運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化處理，保證直流系統(tǒng)中保護(hù)電路的現(xiàn)實(shí)作用。還應(yīng)考慮在主動(dòng)式接地保護(hù)裝置運(yùn)行模式以及電壓變化情況等條件下進(jìn)行保護(hù)電流設(shè)計(jì)，同時(shí)強(qiáng)化直流系統(tǒng)阻抗與主動(dòng)式接地保護(hù)裝置保護(hù)電路電壓間匹配效果，逐步提升主動(dòng)式接地保護(hù)裝置保護(hù)電路設(shè)計(jì)水平和綜合運(yùn)行模式。在主動(dòng)式接地保護(hù)裝置保護(hù)電路設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)促使信號(hào)濾波及放大電路（圖4）達(dá)到合理狀態(tài)，之后在信號(hào)濾波及放大電路支持下實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置全面開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 信號(hào)濾波和放大電路

3.3 主動(dòng)式接地保護(hù)裝置系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

軟件系統(tǒng)作為主動(dòng)式接地保護(hù)裝置中重要系統(tǒng)，在進(jìn)行主動(dòng)式接地保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需保證主動(dòng)式接地保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)性和契合度，還應(yīng)保證主動(dòng)式接地保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與直流系統(tǒng)接地故障控制要求間關(guān)聯(lián)性，以此強(qiáng)化直流系統(tǒng)接地保護(hù)力度，將相關(guān)軟件系統(tǒng)在直流系統(tǒng)運(yùn)行和接地故障監(jiān)督控制中的作用效果全面表現(xiàn)出來(lái)[3]。主動(dòng)式接地保護(hù)裝置中的軟件系統(tǒng)包括單片機(jī)和定時(shí)測(cè)量接地電阻軟件，這兩個(gè)軟件系統(tǒng)不僅可為直流系統(tǒng)運(yùn)行提供良好人機(jī)交互界面，還能保證主動(dòng)式接地保護(hù)裝置中主微控制系統(tǒng)和從微控制系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性，強(qiáng)化主動(dòng)式接地保護(hù)裝置單片機(jī)的功能屬性和現(xiàn)實(shí)作用，并將主動(dòng)式接地保護(hù)裝置單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)在直流系統(tǒng)接地故障控制中的現(xiàn)實(shí)作用表現(xiàn)出來(lái)。

在進(jìn)行主動(dòng)式接地保護(hù)裝置中定時(shí)測(cè)量接地電阻軟件設(shè)計(jì)時(shí)，不僅需要保證該軟件系統(tǒng)綜合運(yùn)行效果，還應(yīng)對(duì)相應(yīng)軟件具體設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。保證主動(dòng)式接地保護(hù)裝置中各個(gè)軟件系統(tǒng)達(dá)到相互配合狀態(tài)，使得主動(dòng)式接地保護(hù)裝置開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)效果和運(yùn)行狀態(tài)，這對(duì)于維護(hù)直流系統(tǒng)接地保護(hù)力度有重要作用。如主動(dòng)式接地保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，還應(yīng)對(duì)其運(yùn)行電壓及主動(dòng)式接地保護(hù)裝置開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)要求對(duì)各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。強(qiáng)化相應(yīng)軟件在直流系統(tǒng)接地保護(hù)以及故障控制中的作用，確保直流系統(tǒng)主動(dòng)式接地保護(hù)裝置中各個(gè)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)效果上升到一定高度。