针对变电站电源系统的电力电子集中式开关保护方案

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(1.国网宁夏电力有限公司检修公司,宁夏 银川 750001; 2.上海泽鑫电力科技股份有限公司,上海 201206)

0 引言

交流不间断电源(UPS)和直流电源系统是变电站站用电源系统中非常重要的组成部分。其中，交流不间断电源(UPS)主要用于站内监控系统、故障信息子站、调度自动化系统、辅助控制系统和在线监测等设备中要求提供连续性交流电源的设备供电，它为电力监控系统的计算机等重要设备提供电源；直流电源主要为操作电源、继电保护、信号装置、UPS及断路器操作提供电源，它可在外部交流电中断的情况下，由蓄电池继续提供电源。因此，针对UPS和直流电源的保护是站内保护设计中的重点，在目前智能变电站不断增多的背景下，保证变电站事故后的不断电运行至关重要。目前针对变电站内电源系统的保护方案研究不足，在级差配合中的问题仍有待解决。

目前，针对变电站直流电源系统以及UPS的设计较多，文献[1]对变电站直流电源回路故障进行了分析，说明了直流电源回路故障的影响；文献[2]针对变电站直流电源系统进行了设计；文献[3]研究了应对直流电源丢失问题的中压变电站二次系统性能提升方案及远方冗余保护新判据；文献[4]分析了变电站继电保护交直流电源串扰成因；文献[5]分析了智能一体化电源系统的特点及应用；文献[6]分析了电力用直流和交流一体化不间断电源。但是针对变电站直流系统和UPS的保护研究还不足。

本文针对变电站电源系统电力电子集中式开关保护提供了相应解决方案。首先分析了直流电源和不间断电源系统构成和运行方式。然后分析了现有变电站电源系统中存在的问题，根据不间断电源系统的保护原理，重点论述了输出短路保护以及桥臂直通保护的过程。说明了半导体功率器件与下级空气开关配合问题、上下级空气开关级差配合问题导致的故障范围扩大现象。接着针对基于全域感知状态的集中式开关电源系统保护方案进行了说明，分别针对不间断电源系统以及直流电源保护进行了方案改进。最后针对本文设计的保护方案进行了仿真分析，验证所设计的保护方案的可靠性。

1 直流电源系统和UPS概述

1.1 直流电源系统

直流电源系统一般由蓄电池、充电装置和馈线设备组成。直流母线电压通常为110 V或220 V。蓄电池一般采用阀控式密封铅酸蓄电池，单体电压为2 V。220 kV及以上电压等级配置2组蓄电池，110 kV及以下变电站宜安装1组蓄电池。

典型的直流系统接线如图1所示。由图1可知,正常工作时，2路交流输入经交流配电单元互投后，选择其中1路交流输入提供给充电模块，充电模块输出稳定的直流电源(略高于蓄电池电压)，一方面给蓄电池组充电，另一方面提供合闸/控制输出。当交流电源或者充电模块故障时，由蓄电池进行放电，给2条母线提供电源。

图1 直流电源系统示意

1.2 交流不间断电源系统

交流不间断电源UPS(AC 220 V)系统是由整流器、逆变器等组成的一种交流不间断电源装置，其为电力监控系统的计算机等重要设备提供不间断电源。

不间断电源系统采用单母线接线，因变电站内需要不间断电源供电的设备多为单相负载，所以UPS为单相输出，输出的配电柜馈线应采用辐射状供电方式。UPS由1路交流主电源、1路交流旁路电源和1路直流电源供电，交流处电源与旁路电源共用1路电源。UPS正常运行时由站用交流电源供电，当输入电源或整流器发生故障时，变电站直流系统可实现电源供电。当UPS故障或设备检修时，由旁路供电。

UPS系统具有4种不同的运行模式：正常交流逆变模式、直流模式、静态旁路模式和维护旁路模式。如图2所示。

图2 UPS示意

UPS的工作流程如下：正常工作时，经整流的交流输入和直流输入同时异常或逆变器异常时，经过静态切换开关自动切换到旁路后与直流输入并联，此时整流后的电压略大于直流输入电压，所以此时采用交流输入作为电源，经整流后通过静态开关对外输出。当交流输入异常时，自动切换到直流输入经逆变后通过静态开关对外输出。

2 现有直流电源中的问题

2.1 UPS保护原理

UPS系统一般都配置了具有输入输出过欠压保护、输入浪涌保护、相序保护、输出过载短路保护和温度过高保护等保护功能。本文对以下保护机制进行重点论述。

2.1.1 输出短路保护

UPS 需要能重复多次承受短路冲击电流，由于IGBT不能超过额定输出电流的4倍，否则会瞬间击穿，所以此类保护采用硬件保护电路来实现。UPS在逆变器输出端通过电流传感器来检测输出电流，当发生输出短路时，感性电流迅速增大，此电流达到一定范围时(大于正常工作电流，小于重复峰值电流ICRM)，输出驱动封锁，此时感性电流开始下降，直到一定程度，撤销驱动封锁信号。若此过程中输出一直短路，待下一个驱动到来时，感性电流又开始上升，到短路保护点时，继续封锁IGBT 的驱动，如此反复0.2 s 后，软件逻辑可判断此时发生了输出短路，闭锁逆变器。

2.1.2 桥臂直通保护

UPS整流后母线被直接短路，导致此电流一般在10×10-6s之内即能上升到IGBT 额定电流的数倍，发生桥臂直通后，需要快速检测出此故障，并将IGBT 驱动封锁并死锁，直到系统指令复位才允许再次开启驱动信号。在总寿命周期内，一般IGBT 承受此类直通电流不能超过100 次。这类直通保护需要在10×10-6s内，在IGBT 的电流未达到短路电流ISC以前关闭驱动，并同时关闭逆变器。此类保护也采用硬件保护电路来实现。

2.2 功率半导体器件与下级空气开关配合问题导致的故障范围扩大

交流不间断电源(UPS)和直流电源系统中，均采用了大量的晶闸管、双极型功率晶体管、MOSFET和绝缘栅双极型晶体管IGBT等器件。这些电力电子器件对输出端的过载电流和短路电流相当敏感，瞬间的大电流即可导致元器件因功率损耗而烧毁。因此，在电力电子功率源系统中均设计有相应的过流保护和短路保护电路，通过检测输出电流与饱和压降并配合驱动电路来实现元器件保护。直馈式UPS故障范围分析如图3所示，直流电源故障范围分析如图4所示。

以IGBT为例，根据电力系统UPS技术规范，UPS须满足在0.2 s内重复多次承受短路冲击的技术要求，而UPS内的IGBT元件不能承受超过4倍的额定电流，否则会瞬时击穿。因此在本文设计中增加了专门的硬件保护电路，在逆变器输出端通过电流传感器来检测输出电流，并实现电流保护。

图3 直馈式UPS故障范围分析

图4 直流电源故障范围分析

当发生输出短路故障时，负荷电流IL迅速上升，当检测到此电流达到一定范围时，如大于正常工作电流，小于重复峰值电流ICRM(一般为额定输出电流的2倍)，输出驱动封锁，此时IL开始下降，当电流下降到一定程度，撤销驱动闭锁信号。假如此过程中输出一直短路，待下一个驱动到来时，IL又开始上升，到短路保护点时，再一次闭锁驱动，如此反复0.2 s 后，软件逻辑判断此时发生了永久性输出短路，将逆变器关闭。

根据以上分析，UPS电力电子器件的保护元件在发生输出电流大于2倍小于4倍额定电流的短路故障时，UPS在0.2 s内闭锁输出电流；当故障电流大于4倍额定电流时，UPS在10×10-6s内即闭锁输出电流。而根据馈线断路器(空气开关)的电磁脱扣特性技术要求，2倍额定电流下，脱扣时间在15～300 s；4倍额定电流下，脱扣时间为1.5～25 s，远远大于UPS的电流输出关闭时间。因此，在某一回馈线发生故障时，在该回馈线的空开尚未脱扣的时间内，UPS已故障闭锁输出电流，导致整条母线失压，引起故障范围扩大。

与UPS系统类似，蓄电池改造后的直流电源系统，同样存在馈线故障导致输出电流短路保护，从而母线失压引起故障范围扩大的问题。

2.3 上下级空气开关级差配合问题导致的故障范围扩大

根据变电站内直流负荷的配置需要，直流电源系统大多为分级运行，最大可分4级运行。为保证各级空气开关的级差保护合理性，需要在选型时合理配置各级空开的型号与规格，使得最末一级的动作电流最小、动作时间最短，最高级的动作电流最大、动作时间最长，其他级空开按一定的阶梯进行选型和配置。

但是实际运行中，空气开关脱扣采用磁效应与热效应相结合的方式，安秒特性曲线不一致的现象时有发生；有的厂家的产品只能实现直流正极或负极单侧保护，部分空气开关在短路电流达到某一阈值时，二者动作电流近似而发生越级跳闸；即使同一批次生产的直流断路器，安秒特性也不一致，并且电流、时间级差很小；空开的固有分闸时间也存在差别，无法保证上级空开固有分闸时间不小于下级固有分闸时间。因此，当直流系统发生短路故障时，由于上下级空开能够同时越过反时限动作区，达到各自的速断动作值，跳闸时间存在不确定性，不能保证有选择地切除故障，往往导致越级跳闸，造成直流停电面积扩大，致使更多的继电保护、自动装置和控制回路失去工作电源，从而影响到电力系统的安全生产。分级故障范围如图5所示。

图5 分级UPS故障范围分析

3 基于集中式开关的电源系统全域保护方案

3.1 全域状态感知

由于使用交直流电源系统供电的站内设备类型非常多、数量庞大，各设备均配置了不同类型的元器件，如断路器、隔离开关、空气开关、熔断器、刀闸和漏电保护器等保护器件，这些元器件的电气特性不尽相同，并且在不同的条件下具有不同的运行方式，因此需要结合实际情况配置多级多台保护装置。装置需提供灵活的配置方案和运行策略，运用多种控制方法与继电保护原理，最终实现系统级的合理配置和全域状态的故障感知与判别，满足不同工程现场的具体要求。

在全域状态感知下，通过先进的传感和高速测量技术，可实现站内电源系统的功率源和各馈线输出状态的全景化信息采集，结合功率半导体器件的开关特性和保护特性，运用站域保护原理，实现对站内电源系统的智能化检测、保护和控制，在某馈线发生故障时，能够精确定位故障，上下级高速联动，快速切除故障，避免越级跳闸和功率源闭锁引起大面积停电事故的发生，并能录入事故过程，指导运维人员快速排除故障，恢复供电，实现站内交直流电源系统的安全稳定运行，其结构如图6所示。

图6 态势感知框架

3.2 UPS保护改进方案

为解决前文所述单回馈线故障造成功率半导体器件闭锁，导致故障范围扩大，从而影响其他馈线正常运行的问题，本文采取如图7所示的改进方案。

a.增加CT，采集进线和各馈线支路的电流信息。

b.将空气开关变更为电动操作空开或者自保持磁开关。

c.用一级装置采集Ⅰ级母线处的进线电流、各支路电流和各操作开关状态。当该级母线保护范围内发生故障时，可靠切除对应的开关。

d.用二级装置采集Ⅱ级母线处相关的进线电流、各支路电流和各操作开关状态。当该级母线范围内发生故障时，可靠切除对应的开关。

e.在Ⅱ级范围内发生故障时，通过Ⅰ级装置和Ⅱ级装置之间的保护跳闸闭锁信号，闭锁上级装置，避免跳开上级开关，引起越级跳闸。

f.根据工程现场的需要，装置之间的级联可以为多级配置，实现全域内的保护级差配合。

通过一级装置和二级装置的全域状态感知，能够针对不同的母线进行分组控制，快速切除故障。

图7 UPS保护改进方案

3.3 直流电源保护改进方案

实际运行中，蓄电池组是较多发生故障的部分。主要表现为：蓄电池长期不用或长期处于浮充状态，电池极板的活性物质易硫化，电池放电能力降低，直至放不出电；蓄电池多采用串接方式，而电池之间存在离散性，单体电池之间的实际电压不尽相同，电池标称的浮充电压是一种均值，不能满足每一节电池的要求，造成一部分电池满充，一部分电池无法充满，放电能力变差；单节电池故障可能造成整个回路故障。

直流蓄电池的保护方案主要是将单组蓄电池组合并接，通过DC/DC装置与母线链接，如图8所示。

图8 直流电源保护改进方案

由图8可知：左侧线框中的电池是改造后的蓄电池组；可利用串接方式，通过全域状态感知控制装置判断馈线是否出线故障，并及时排除故障。

4 仿真分析

4.1 系统说明

本文分别针对UPS和直流电源系统进行仿真，说明所提保护方案的有效性。UPS采用如图7所示的保护方案，直流电源采用如图8所示的方案。通过对比方案改进前后的短路电流动作时间和动作电流说明本文所提方法的有效性。考虑UPS有3根馈线的情况，Ⅱ级母线带2回出线。直流电源系统为集中辐射方式，带有馈线3回。

保护未改进前的配置结果分别如表1和表2所示，其中IPS为启动电流(标幺值)，tMS为动作时间。

表1 UPS保护配置结果

表2 直流电源保护配置结果

4.2 改进后保护配合结果

利用本文所提的方法，计算得到改进UPS保护配合结果如表3所示。

表3 UPS改进保护配置结果

直流电源改进保护配置结果如表4所示。

表4 直流电源改进保护配置结果

通过表3和表4可以看出，UPS电源干线增加了1组CT，各支路的启动动作电流相较之前表1和表2均有所提升，这是因为干线增加电流互感器之后，对短路故障的检测更加灵敏，从而提高了线路的可靠性，动作时间也随之减少，总体上提高了保护的可靠性。

5 结束语

本文针对变电站电源系统电力电子集中式开关保护提供了相应解决方案。首先分析了直流电源和不间断电源系统构成和运行方式。然后分析了现有直流电源中存在的问题，根据不间断电源系统的保护原理，重点论述了输出短路保护以及桥臂直通保护的过程。说明了半导体功率器件与下级空气开关配合问题、上下级空气开关级差配合问题导致的故障范围扩大现象。接着针对基于痊愈感知状态的集中式开关电源系统保护方案进行了说明，分别针对不间断电源系统以及直流电源保护进行了方案改进。最后针对本文设计的保护方案进行了仿真分析，说明了本文保护方案在整定结果中的有效性。