中低压直流配电系统故障分析及保护配置研究

张伟泉

（核工业工程研究设计有限公司，广东阳江529941）

1 引言

直流系统可将分布式发电、配电供电及储能等优点进行充分发掘，以便为电气企业的供电与用户的用电提供新效益与新价值。系统保护是配电安全运行的保障，其实施难点主要是电流未能经过零点，使灭弧较难，且控制相对复杂，需给予灭弧更大的空间。国家电气工程相关工作人员在研究直流保护的过程中，应对其运行动态与常见故障间的关联进行充分考虑，以此来获得更佳的保护效果。文章依据直流组成及其原理，分析总结出了其系统的常见故障类型，提出的一系列故障解决策略，对直流配电系统的完善具有理论性意义，对解决其建设中的实际问题具有现实性的指导意义。

2 直流主动保护构成及其原理

直流保护系统的构成分为单母线配电、两端配电以及放射状与环状配电等四种系统，无论是应用哪一种系统，均是以DC/AC和DC/DC器为载体，使储能、多型负荷及分布式发电相连接，系统保护便集成于DC/AC和DC/DC中[1]。其主动保护构成由短路与接地保护、绝缘下降、交直流混接、环网保护、交流电网、储能电池、光伏电池及燃料电池等组成，其借助DC/DC或DC/AC接受配电，将电供给负载。其原理是在电子转换器构造监控与拓扑原理基础上，将其保护行为“融入”转换器的逻控之中，遵循双重保护原则，充分利用隔离单元与电子器件，使诸多故障线路与正常运行的线路自然断离，并对故障较为严重的回路进行切断处理，可阻止轻微故障变严重扩大危害范围，尽可能确保系统正常工作。因电子转换器具有自己的保护性能，所以诸多学术研究人员对其进行探究的兴趣颇高。此项技术具有继电保护作用，已经被国人广泛应用于电气企业当中。直流继电器结合断路器，可对故障进行快速检测与断离。

3 中低压直流配电系统常见故障解析

非高压直流系统中，常见的故障有短路故障与接地故障。

①短路故障：正负电极均悬空的系统，如若正负极其中一极接地，则无法造成电路短路；如若唯有接地线电压出现异常，且正负极其中一极线路接地，便会引发短路故障。直流系统的短路故障，其电流输送速度飞快，影响范围广泛，且未经过零点[2]。解决直流短路故障的方法诸多，其中切除电路的方式最为直接且效果较好。

②接地故障：前期线路绝缘性能的下降与交直流交接混乱等问题并未引发接地故障，当接地电压发生异常时，如若未能对其进行有效控制，可使其最终演变成接地故障。近几年，我国的直流断路技术还未发展成熟，对于其他故障的保护方法仅限于监测与报警，而对于接地故障保护，我国已有一定的技术成果，例如环网技术。

③直流故障具有自身独特的直流电压，其故障点位较难寻找。直流电系中，导致线路故障形成的原因之一是直流环网出现问题。环网故障会使直流电系统之间产生电环流，最终造成输电异常的危害，严重的情况下，很有可能导致线路出现短路或是接地故障。

4 非高压直流系统故障保护方法探析

4.1 直流环网维护法

直流环网法的内涵主要指在直流系统未能并列期间，环网存有的多数电气连接。在环网运行的过程中，受倒负荷与绝缘度降低等因素的影响，极易使其出现故障，导致产生火灾、电池使用年限缩短以及空气开关失效等问题。若出现两个直流等级各不相同的系统电压，则会造成更为严重的后果。例如，异常发电现象，会引发电路短路或接地等危害。DC/DC属于隔离型转换器，具有稳定电压的作用，在直流环网中，可确保各负荷电压始终保持平衡状态[3]。各支流通过使用DC/DC可完成单独供电。当负荷出现故障时，DC/DC可保证各直流系统正常运作。面对多条直流线路同时出现问题的危急时刻，借助环网监测可检测出其问题所属的故障种类，并将故障点前后电路封锁，阻止转换器输出电流，实现故障隔离，可有效避免直流主干线与其他支干线的输电工作受到影响。

4.2 短路故障保护法

依照主动保护原理，短路故障的保护应以电子器件内部的运行原理及算控法为基础，通过逻辑管控与诊断，对短路电流进行切断处理。单元隔离法将部分因故障问题流失电流进行回吸，可降低故障的破坏力，避免直流系统整体运行中断。ASP集成器的应用，可将DC/AC或者是DC/DC器中，需要被保护的各直流线路进行串联。考虑到转换器中电力IGBT的全控型运作特点及原理，一旦馈线电路或直流干线出现短路问题，可通过逻辑法实现对IGBT的控制[4]。快速完成主动保护，使功率输出停止运行，可将短路线路与主干线、分布式发电线、负载线进行脱离，加快了主动保护的速度，增强了其可靠性，使其作用得以充分发挥。短路故障保护的主要控制开关是半导器件，其电路开关通断的控制法与其他方法不同，其故障保护总通断时长应被局限于μs级范围内。

4.3 接地故障维护法

接地保护法是指依靠快速检测，由DC/DC器通过将单元进行隔离，进而完成隔离接地故障的目的。在线路馈线处，便将故障限制于此，可有效阻止主干线与电源、负载间的故障传播，为主干线路与其馈线的正常运作提供保障。接地危害的监测工作，是实现直流保护的最大难题。当前，经常被使用的监测方法包括三种，分别是电阻平衡法、漏电检测法及低频交流法等。此三种方法虽然均能为故障的检测工作带来一定的效果，但是，仅能起到报警的作用，无法从根源处解决接地故障问题，防止其危害的发生。此外，漏电后，若绝缘不及时，会引发接地危害。AGP需要考虑和集成绝缘下降报警。应用非平衡桥法，可对故障及绝缘进行监测，可考虑使用AGP绝缘报警。通过对直流正负电阻的监测，可实现接地绝缘报警。

5 结论

总而言之，随着我国电气事业的不断发展，电力配电系统获得完善，并逐渐走向成熟，致使主动保护的灵敏度与可靠性有所提高。电气单位做好主动保护工作，可将直流故障的影响力降至最低，破坏范围缩至最小，减小了其对断路器的伤害。通过优化其结构，允许各环境下故障系统照常运行，既有利于直流系统接纳其他电源能力的提升，又可为电流供应商信誉的可靠度提供保障。文章针对直流保护原理及其系统具有短路故障与接故障等问题，提出了直流环网维护法、短路故障保护法以及接地故障维护法等策略，希望能够为电企提供帮助。