直流配电系统故障研究

刘虎 李俊刚 冀娟 张艳华

摘要：直流配电系统具备的线路损耗小、电能质量高等优势吸引了电力专业人员的关注。本文概述了直流配电系统中经常遇到的直流系统故障，并详细列举了保护区域及故障分类，然后总结了直流配电系统的故障特性，最后对保护与控制的配合提高直流配电系统稳定做出了展望。

关键词：直流配电系统;继电保护;故障研究

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0077-02

0 引言

传统的配电网系统中交流供电方式占据了主导地位，伴随着智能电网的发展及对电力系统创新的方向，直流配电网的优势逐渐凸显出来。相比于传统的交流配电网，直流配电网系统具有线路损耗小、传输容量大、电能质量高、系统简单可靠等多个优点，在智能配电系统中的应用前景十分广阔，但是由于缺乏成熟的直流配电系统实际运行经验，其可能面临的故障问题也缺乏有效的解决方法。本文从中低压直流系统的概述开始，详细的列举了直流配电系统故障类型及保护区域的划分，讲述了直流配电系统的故障特性。

1 直流配电系统概述

传统的讲直流配电网络按照电压等级的不同分为3种：低压直流电网（Udc<1500V）、中压直流电网（1500V<Udc<30kV）及高压直流电压（Udc>30kV）。欧洲电力标委会在2007年左右颁布的低压标准中，将电压等级低于1500V的直流配电网划分为低压直流电网。通过图1可以看到直流配电系统的典型结构。在传统的交流系统中经常使用的的负载，如电力电子类负载、热阻性负载、交直流电机等等，在直流配电网下较宽的电压范围内仍可以正常使用。然而，想要扩大直流配电技术的应用范围，低压直流配电网与中压直流电网的融合势在必行。目前在风电场及船舶系统的供电系统中，中压直流配电网都有所应用。在传统的交流系统中接入AC/DC 变换器即可将交流变换成直流，经过中压直流母线在负载端通过DC/DC高功率变换器转换成用户可以使用的适当电压。

直流配电网的拓扑结构主要有单母线直流配电系统，以及放射状、两端状、环状等多种结构。但是无论采取何种结构，可以用来连接储能设备、分布式发电设备的多类型不同符合的交直流变换器、直流变换器不可或缺。其中，带有直流保护装置的直流配电系统如下图2所示。该系统的能源来源可以是交流电网、光伏电池、燃料电池、储能电池等， 通过AC/DC、单向DC/DC、双向DC/DC保护连接到直流母线，然后通过直流保护装置向热性负载、电力电子负载、直流电机、充电桩等供电。这样的配置基于不同的区域提供精确的保护，当故障发生时既可以迅速切除故障，又可以准确定位故障的来源，使故障的影响范围和成都缩减到最小。

2 直流配电系统区域保护与故障分类

传统的直流输变电系统的保护是以系统的结构为划分依据，主要划分为3个区域即交流侧系统保护、换流器区域保护以及直流侧系统保护。与传统直流输变电系统相异之处是，直流配电系统的线路T接负载、分布式支路相关的故障类型要复杂的多。中压直流配电系统的区域保护可以分为交流系统侧保护、交直流变换器保护、直流系统侧保护、负荷侧保护4个部分，以上4个区域的故障类型及非正常运行方式可以概括为：

（1）交流系統侧保护。该侧保护与传统的交流系统保护类似，一般为单相接地故障保护、两相接地故障保护、两相短路故障保护、三相短路故障保护等，还有针对主变的高、中、低压侧保护等。另外还有由于操作不当或负荷过重引起的过压保护、欠压保护、电压骤减以及负载分布不均匀造成的三相不平衡等多种非正常运行方式。中低压直流配电系统的保护在设计时需要考虑到交流系统侧对直流侧的各种可能影响。

（2）交直流变换器保护。中低压直流配电网中经常使用的变换器主要有AC/DC换流器、DC/DC换流器以及DC/AC换流器。作为中低压直流配电系统的核心，直流配电系统的保护设计必须要关注系统中各个变换器涉及的范围及作用。阀侧短路故障、桥臂短路故障、变换器直流侧出口短路故障、变换器交流侧出口短路故障、系统脉冲触发故障、系统冷却故障等都是变换器的常见故障。变换器自身带有一定的保护功能，此外中低压直流配电系统也会提供针对变换器的保护作为后备保护，在整个直流系统的设计中不仅要考虑到变换器自身的保护动作影响，也要考虑系统提供的保护的影响以及二者之间的相互影响和相互配合。

（3）直流系统侧保护。直流系统侧保护是中低压直流配电系统保护的核心内容，主要是针对直流母线的保护以及直流馈线的保护。不同的直流配电系统的具体需求而言，中低压直流配电系统可以采用中性点接地或系统单极接地，配电线路可以采用直流配电电缆或架空线的方式。直流系统侧的线路故障主要有断线故障、接地故障、极间故障，直流系统的非正常运行方式还有系统绝缘水平下降、过电压、低电压等。如果采用直流电缆时，当电缆线路发生故障一般为永久性故障（直流电缆埋藏于地下，外层绝缘包裹一旦遭到破坏很难恢复），而针对架空线方式的直流线路则经常发生由于雷击或闪污引发的瞬时性故障。

（4）负荷侧保护。中低压直流配电系统不仅可以承载直流负荷，而且可以承载通过逆变器接入的交流负荷。分布式光伏发电、微型汽轮机等分布式能源、燃料电池、储能电池等也属于负荷侧保护的范畴。负荷侧保护区域可能发生的故障有短路故障、过负荷故障等。类似储能电池这种通过双向电流变换器接入直流配电网的设备，在直流系统保护的设计时必须评估其电能双向流动对系统可能造成的影响。

3 直流配电系统的故障特性

如上所述，中低压直流配网的保护核心是直流系统侧保护，而换流器的结构类型影响着直流线路的故障特征。中低压直流配网中多采用电压原型换流器（VSC）作为换流装置来保证系统功率和电压的可控性并提高电能质量和供电稳定性。该型换流器主要包括三相三电平、三相两电平以及模块化多电平等结构，而中低压直流配电系统一般以三相两电平的结构为主。与较为成熟的交流供电系统相比，低压直流配电系统缺少完善的保护配置及运行标准和规范。因此、中低压直流配电系统故障的自身特点可以归纳为以下两个方面：

首先是直流配电系统中故障定位困难，容易造成故障范围扩大。大部分并入中低压直流配电系统的单元都是通过换流器接入线路，而当直流配网系统中任何一点发生接地故障时，相邻换流器附带的出口电容都会产生放电并流向该故障点，此举会迅速引发系统电压骤降，对电压敏感的设备造成重大影响。当系统中接入了交流电源和交直流电动机时，这些单元会不间断的向故障点传输短路电流。在高压直流传输系统中，经常采用的故障定位方法是行波法，然而对于中低压直流配电系统而言，其复杂的拓扑结构及各种分布式电源的接入，当故障發生时需要精准的定位。考虑到中低压直流配电的线路较短，故障检测和定位更加困难。

其次是直流断路器价格昂贵。相比广泛使用的交流断路器，用于直流配电系统的直流断路器灭弧难度大，设计也更加复杂。缺少低成本的直流断路器和较少的工程实际经验也给直流配电系统的保护配置带来了挑战。如表1所示。

4 结语

本文阐述了直流配电系统不同区域的保护与故障分类，直流配电系统的故障特性。在配置直流保护时，应充分考虑到保护与控制二者之间的相互配合，保证系统安全达到最优。保护装置与控制系统二者之间可以相互传递保护与控制信息，例如保护装置将保护定值发送给控制系统，同时控制系统将控制策略传递给保护装置。利用控制单元的快速调节能力，形成智能化的整体保护方案，以提高直流配电系统的供电稳定性。

A research of the fault in DC Distribution System

LIU Hu，LI Jun-gang，JI Juan，ZHANG Yan-hua

（Xu Ji Electric Co.， Ltd.， Xuchang Henan  461000）

Abstract：The advantages of small line loss and high power quality of DC power distribution systems have attracted the attention of power professionals. This paper outlines the DC system faults frequently encountered in DC power distribution systems， and enumerates the protection areas and fault classification in detail. Then it summarizes the fault characteristics of the DC power distribution system. Finally， the protection and control are combined to improve the stability of the DC power distribution system. Made a vision

Key words：DC power distribution system; relay protection; fault research