直流配电系统故障特征及对继电保护的影响

张晓惠 郭威 林幼萍 王明敏

国网厦门供电公司 福建厦门 361004

1 浅析直流配电系统故障的发生特征

1.1 故障电流急剧上升

在直流配电系统线路出现接地故障的情况下，并联在VSC直流侧的滤波电容，往往会在发生故障的短时间内，迅速向故障点位置进行放电，加速电流数值在故障线路的上升速度，这一点特性非常不利于检测装置与故障隔离装置迅速发挥作用。同时VSC通常会在直流配电线路发生故障后，迅速锁定绝缘闸双极型晶体管，造成系统电路里的续流二极管开始向故障点放出不工整流电流，最终导致故障线路的电流长时间保持为急速上升的状态[1]。

1.2 故障检测定位困难

直流输电系统具有复杂性，这也使得直流输电电缆的线路频变参数变得非常强烈，电力行业技术人员使用最多的保护技术就是故障定位，还有很多业界人士提出可以使用电流的固有频率检测系统的故障情况。但是，直流配电系统所配置的电缆线路比较短，要想迅速实现故障点线路的精准定位具有一定的难度，这也使得高阻接地一类系统故障的检测、定位工作，成为技术人员最头痛的问题。

2 直流配电系统对继电保护的影响

2.1 暂态过电流保护

从超导限流器在直流配电系统中接入的条件上来看，暂态过电流对继电保护系统产生的影响也是非常巨大的，因此我们可以初步将暂态过电流保护的基本原理用数学的方式进行进一步地研究，即在继电保护装置中设置超导限流器所显示的电流极限值与其变化过程中所使用的时间之比，大于直流配电系统中电路的末端所发生的短路故障中故障电流的极限值与其变化过程所需时间之间的比值。通过这一数学判定方式我们可以得出：继电保护设置中的超导限流器暂态过电流保护不仅可以有效地实现直流配电系统中的电路保护，准确率达到80%左右，同时当上述数学表达式中二者之间的比值超过继电保护所设置的门槛值时，实现暂态过电流保护的无延时作业，从而进一步提高直流配电系统中继电保护的高效性[2]。

2.2 直流配电系统故障隔离设备

目前，电力行业的技术人员在应对直流配电系统故障问题的时候，经常使用直流断路器设备对直流配电系统加以保护，能够在成本可控的基础上产生显著的防控效果。其中，全固态类型直流断路器的开合总时间基本可以控制在1ms以内，相比于VSC换流站，其预期功率损耗基本能够处于30%以内，未来的突破方向主要是加强对于固态装置的改进，从而降低导通压降和串联的个数，产生更好的直流配电系统故障隔离效果。安装在VSC交流电源侧的交流断路器，同属于常见的系统故障隔离设备，在检测到直流配电系统故障的时候，可以第一时间利用动作断开交流断路器部分，达到有效隔离系统故障电源的目的，从而将发生短路的电流迅速隔离出配电主系统，显著降低故障线路对整个直流配电系统的正常运行施加的额外负荷情况[3]。

2.3 限时低电压保护

直流配电系统中的限时低电压保护也是除了过电流保护之外继电保护系统中非常重要的部分，其主要目的是为了在暂态过电流保护的基础上通过对其设定延时，从而更好地与直流配电系统中的下游电路保护动作之间进行相互配合，从而实现限时低电压保护的基本目标。在配电系统中，限时低电压保护中所谓的“限时”指的是时间的延迟，该延迟时间一般为0.1秒左右或者超过0.1秒，具体的时长需要根据超导限流器与下游电路保护作业以及断路器的启动时间等因素之间的相互配合来综合考虑的，当超导限流器接入直流配电系统中时，系统发生短路之后的0.1秒之内，故障电流会处于一种相对来说较为稳定的状态，这时的故障电流与直流配电系统正常运行时的电流非常相似，因此传统的过电流保护设置不能被应用在超导限流器接入所谓直流配电系统中，而是需要引入限时低压保护，从而进一步实现直流配电系统中继电保护的优化。

2.4 对交流侧保护的影响

对于10KV配电网，其保护配置常采用三段式电流保护，分别为电流速断保护、限时电流速断保护及定时限过电流保护。电流速断保护按躲开下条线路出口处短路的条件整定，限时电流速断则根据电流速断的整定值进行整定，且增加一动作延时来保证选择性，定时限过电流保护则一般按照躲开线路末端最大负荷电流来整定，由于其动作延时较长在此不再讨论。在故障发生时，电容放电电流通过故障接地线与电容自成回路，且放电时间一般很短，故对交流侧影响不大，但电容大小的选取会对直流侧产生一定影响。

综上所述，未来电力行业的技术人员，还将进一步加强对直流配电系统保护技术的深入研究。在此过程中，电力行业的技术人员，应当着重改善直流配电系统故障检测以及实时通信装置的运行稳定性，确保在故障发生的第一时间能够进行有效的检测，从而提供技术手段尽快将故障危害控制在最小范围内。