直流配電系統(tǒng)故障分析與保護(hù)原理研究

分布式電源的大規(guī)模推廣促進(jìn)直流技術(shù)的發(fā)展，直流配電系統(tǒng)適合分布式電源的多點(diǎn)接入，是21 世紀(jì)智能配電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，而繼電保護(hù)技術(shù)是直流配網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。 本項(xiàng)目通過建立直流網(wǎng)絡(luò)中電源和負(fù)荷電磁暫態(tài)模型，開展了直流配電系統(tǒng)故障特征和機(jī)理的研究；研究了不接地直流配電系統(tǒng)接地故障檢測(cè)、定位原理；進(jìn)而提出適用于直流系統(tǒng)的兩段式電流保護(hù)，針對(duì)電流保護(hù)在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式下難以滿足選擇性、靈敏性的要求，項(xiàng)目又提出了適用于直流配網(wǎng)的基于R-L模型的距離保護(hù)與電流差動(dòng)保護(hù)相配合的綜合保護(hù)方案。 鑒于配網(wǎng)中電子器件諸如IGBT、二極管耐受過電流能力弱的特點(diǎn)，本項(xiàng)目對(duì)電阻型超導(dǎo)限流器接入配電系統(tǒng)的故障特征開展了嚴(yán)密分析，在此基礎(chǔ)上提出了基于電流峰值與到達(dá)峰值所用時(shí)間比值的暫態(tài)過電流保護(hù)，以及暫態(tài)電流啟動(dòng)的限時(shí)低電壓保護(hù)，并在考慮大過渡電阻的情景下，進(jìn)一步提出基于通信的電流突變量保護(hù)。本項(xiàng)目對(duì)直流配網(wǎng)的保護(hù)進(jìn)行了全方位的研究并提出多種保護(hù)新原理和保護(hù)方案，為直流配網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用提供了理論支撐。 2100433B

直流配電系統(tǒng)具有高電能質(zhì)量、高傳輸容量和低停電成本的特點(diǎn)，能適應(yīng)分布式電源多點(diǎn)接入，可促進(jìn)直流家電和直流生態(tài)住宅的發(fā)展，是配電領(lǐng)域新的發(fā)展方向，符合21世紀(jì)智能配電系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。繼電保護(hù)技術(shù)是直流配電系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。本項(xiàng)目面向新型直流配電系統(tǒng)，針對(duì)控制系統(tǒng)復(fù)雜、故障數(shù)量多和分布式電源接入導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變的特性，重點(diǎn)研究直流配電系統(tǒng)故障分析和繼電保護(hù)中的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題。本項(xiàng)目在研究直流配電系統(tǒng)電源和負(fù)荷電磁暫態(tài)模型基礎(chǔ)上，研究直流配電系統(tǒng)故障機(jī)理，提出適用于直流配電系統(tǒng)的故障分析方法；研究不接地直流配電系統(tǒng)接地故障檢測(cè)、定位新原理；研究直流配電系統(tǒng)新的保護(hù)原理和保護(hù)、控制集成策略，提出適應(yīng)分布式電源接入的基于點(diǎn)、線、面相結(jié)合的直流配電系統(tǒng)保護(hù)方案。本項(xiàng)目的研究成果為直流配電系統(tǒng)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

直流配電系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)包含測(cè)量裝置、繼電器、出口斷路器、隔離設(shè)備等。保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足可靠性、速動(dòng)性、選擇性、經(jīng)濟(jì)性等要求。柔性直流輸電保護(hù)系統(tǒng)針對(duì)各主要設(shè)備和故障類型，將系統(tǒng)劃分為交流側(cè)保護(hù)、換流器保護(hù)、直流側(cè)保護(hù)(直流輸電線路保護(hù)))3個(gè)區(qū)域。但與柔性直流輸電系統(tǒng)不同的是，直流配電系統(tǒng)直流線路T接負(fù)載及分布式電源支路，故障類型要復(fù)雜得多。以中壓直流配電系統(tǒng)為例，保護(hù)區(qū)域大體可以分為交流電源側(cè)保護(hù)、變換器保護(hù)、直流網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、負(fù)載保護(hù)4部分，各區(qū)域可能發(fā)生的故障類型或不正常運(yùn)行方式主要包括 ：

1)交流電源側(cè)保護(hù)。交流電源側(cè)可能發(fā)生各種類型的線路短路或者斷線故障，同時(shí)也需要考慮交流變壓器的保護(hù)。另外還包括由于操作或甩負(fù)荷引起的過電壓、低電壓、電壓驟降及三相系統(tǒng)不平衡等不正常運(yùn)行方式。直流配電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮交流電源側(cè)故障對(duì)直流網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行及保護(hù)的影響。

2)變換器保護(hù)。直流配電系統(tǒng)中的變換器包括AC/DC換流器、DC/AC換流器及DC/DC變換器。變換器是直流配電系統(tǒng)的核心，也是保護(hù)設(shè)計(jì)關(guān)注的重要部分。變換器故障主要有閥短路、橋臂短路、變換器交流側(cè)或直流側(cè)出口短路、脈沖觸發(fā)系統(tǒng)故障、冷卻系統(tǒng)故障等。變換器的保護(hù)由裝置自身保護(hù)和系統(tǒng)提供的后備保護(hù)實(shí)現(xiàn)，在直流配電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)中需要考慮變換器自身保護(hù)動(dòng)作對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響和與系統(tǒng)保護(hù)的配合。

3)直流網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。直流網(wǎng)絡(luò)保護(hù)主要指直流母線和直流饋線的保護(hù)，是直流配電系統(tǒng)保護(hù)的核心。根據(jù)實(shí)際需要不同，直流系統(tǒng)接線可以采用單極接地或中性點(diǎn)接地，線路可以采用架空線或直流電纜。直流線路故障包括接地故障、極間故障及斷線故障，另外還存在絕緣水平下降、低電壓或過電壓等不正常運(yùn)行方式。電纜線路故障一般為永久性故障，對(duì)架空線路來說還會(huì)發(fā)生雷擊、污閃等引起的暫時(shí)性故障。

4)負(fù)荷側(cè)保護(hù)。直流配電系統(tǒng)同時(shí)存在直流負(fù)荷和通過逆變器接入的交流負(fù)荷，光伏、小型燃?xì)廨啓C(jī)等分布式電源及儲(chǔ)能也囊括在負(fù)載保護(hù)區(qū)域。負(fù)載保護(hù)區(qū)可能發(fā)生的故障有短路、過載等。儲(chǔ)能電池通過雙向換流設(shè)備接入直流網(wǎng)，在保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮其能量流動(dòng)的雙向性。

如前所述，直流網(wǎng)絡(luò)保護(hù)是直流配電系統(tǒng)保護(hù)的核心，而直流線路的故障特性又與換流器結(jié)構(gòu)類型密切相關(guān)。為保證系統(tǒng)電壓和功率的可控性，提高電能質(zhì)量，直流配電系統(tǒng)中的換流裝置為電壓源型換流器(voltage source converter VSC)，包括三相兩電平、三電平或模塊化多電平等結(jié)構(gòu)，目前文獻(xiàn)中所研究的低壓配電一般為三相兩電平結(jié)構(gòu)，故以下討論也以三相兩電平結(jié)構(gòu)為主。傳統(tǒng)交流系統(tǒng)根據(jù)幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)形成了一套比較完善的保護(hù)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但直流配電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)有很大不同，故障有其自身的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)故障電流上升迅速。當(dāng)直流線路發(fā)生接地故障時(shí)，VSC直流側(cè)并聯(lián)的濾波電容首先在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)故障點(diǎn)放電，造成線路電流迅速上升，這對(duì)保護(hù)監(jiān)測(cè)和隔離裝置的速度提出了很高的要求。并且直流線路發(fā)生短路故障后，VSC在自身保護(hù)的作用下鎖定絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，但與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管仍連接在電路中，交流電源通過二極管持續(xù)向故障點(diǎn)釋放不控整流電流，使短路電流不能自然衰減。

2)影響范圍廣。直流配電系統(tǒng)中的大部分并網(wǎng)單元都通過換流器接入，當(dāng)直流線路上任何一點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，與之相連的換流器出口電容都會(huì)向故障點(diǎn)放電，造成直流電壓的迅速下降，影響相關(guān)設(shè)備的使用。特別是交流電源、電動(dòng)機(jī)等單元還會(huì)通過續(xù)流二極管持續(xù)向故障點(diǎn)提供短路電流。另外，故障發(fā)生在交流電源側(cè)或負(fù)荷側(cè)時(shí)，會(huì)引起出口直流電壓的變化，對(duì)非故障區(qū)域造成影響。

3)故障定位困難。高壓直流輸電電纜線路頻變參數(shù)明顯，目前主要采用行波法進(jìn)行故障定位，另外學(xué)者們還提出了利用電流固有頻率、基于參數(shù)識(shí)別原理等故障定位方法。與高壓直流輸電不同的是，直流配電系統(tǒng)線路T接負(fù)荷和分布式電源，需要精確故障定位，但直流配電系統(tǒng)電纜線路長度短，精確的故障定位比較困難，特別是系統(tǒng)高阻接地時(shí)，故障檢測(cè)更加困難。

4)缺乏直流斷路設(shè)備。與交流相比，直流電流沒有自然過零點(diǎn)，滅弧困難得多，消弧需要更大的空間，控制也更加復(fù)雜。目前可商業(yè)應(yīng)用的直流斷路器容量有限且價(jià)格昂貴。沒有低成本可商業(yè)應(yīng)用的大容量直流斷路器和缺乏工程實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)是直流配電系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。

5)多種電力電子裝置影響。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流斷路器技術(shù)不斷取得新的突破，也有不少學(xué)者提出了利用換流器來限制和切斷故障電流，另外還出現(xiàn)了多種具有故障限流能力的換流器和故障電流限流裝置(FCL) 。

直流配電系統(tǒng)的保護(hù)策略、保護(hù)效果與主電路參數(shù)和控制策略密切相關(guān)，在保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮與控制系統(tǒng)的配合，以使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能達(dá)到最優(yōu)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行方式確定保護(hù)裝置整定值，發(fā)送給保護(hù)系統(tǒng);而保護(hù)系統(tǒng)將檢測(cè)到的故障或異常信息及開關(guān)設(shè)備動(dòng)作情況反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行方式，并確定新的保護(hù)整定值發(fā)送給保護(hù)系統(tǒng)。利用換流器的快速調(diào)節(jié)能力，將控制系統(tǒng)與保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合，可以形成自適應(yīng)的保護(hù)系統(tǒng)，以提高直流配電系統(tǒng)故障情況下的不間斷運(yùn)行能力 。

直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)保護(hù)配置

針對(duì)不同的故障類型與故障位置，應(yīng)配備不同的保護(hù)。國內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)直流配電系統(tǒng)保護(hù)配置尚無系統(tǒng)闡述，結(jié)合交流系統(tǒng)和直流輸電系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在直流線路安裝直流斷路器的情況下，直流配電系統(tǒng)保護(hù)配置可以考慮以下方面:

1)交流電源側(cè)保護(hù)。交流電源側(cè)保護(hù)比較復(fù)雜，包括換流器直流側(cè)及交流側(cè)的區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。

2)變換器保護(hù)。由于變換器的冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)IGBT故障時(shí)變換器仍可工作，保護(hù)裝置只發(fā)出告警信號(hào);但當(dāng)損壞的IGBT超過一定數(shù)量時(shí)，需要閉鎖變換器并跳閘。另外，由于換流站運(yùn)行環(huán)境良好，內(nèi)部母線、觸發(fā)脈沖等發(fā)生故障概率較小，但故障一旦發(fā)生，往往比較嚴(yán)重，通常視為永久性故障，要求保護(hù)系統(tǒng)立即閉鎖換流站并跳閘，以便檢查故障原因，直到清除故障后再重新啟動(dòng)運(yùn)行。

3)直流網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。直流配電系統(tǒng)一般采用電纜線路，直流網(wǎng)絡(luò)故障多為永久性故障，主要包括接地故障和極間故障。直流線路發(fā)生極間故障時(shí)，保護(hù)應(yīng)立即動(dòng)作，隔離故障。接地故障的保護(hù)與直流線路接地方式有關(guān)。一般來講，直流配電系統(tǒng)可以單極接地或中性點(diǎn)接地。目前已投運(yùn)的基于兩電平或三電平USC的柔性直流輸電系統(tǒng)大多數(shù)采用直流側(cè)電容中性點(diǎn)接地。而基于模塊化多電平的柔性直流輸電工程則在直流側(cè)或交流側(cè)構(gòu)造人為中性點(diǎn)接地。無論哪種中性點(diǎn)接地方式，發(fā)生直流線路接地故障時(shí)直流斷路器都必須立即跳閘。但不同的接地方式下，故障特征不同。

若直流配電系統(tǒng)為單極接地系統(tǒng)，則非接地極線路發(fā)生接地故障時(shí)即為極間故障。接地極發(fā)生另一點(diǎn)接地時(shí)，對(duì)直流線路沒有影響，系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行，但會(huì)對(duì)周圍設(shè)備產(chǎn)生影響，保護(hù)裝置應(yīng)發(fā)出告警信息，提醒運(yùn)行人員排除故障。

4)負(fù)荷側(cè)保護(hù)。當(dāng)無源負(fù)荷發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)立即跳閘，并發(fā)出告警信號(hào)。而當(dāng)分布式電源或儲(chǔ)能設(shè)備出口發(fā)生短路故障時(shí)，應(yīng)根據(jù)線路過流情況，發(fā)出告警信號(hào)或直接跳閘。

此外，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)配置故障錄波和事件記錄儀器，在直流配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常運(yùn)行方式時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，以便于分析故障的原因和查找故障設(shè)備。

直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)故障檢測(cè)方法

直流配電系統(tǒng)交流電源側(cè)的故障可以由傳統(tǒng)交流配網(wǎng)的保護(hù)方法進(jìn)行檢測(cè)，此處只側(cè)重于直流線路故障的檢測(cè)方法。

對(duì)于直流線路上發(fā)生的過電壓、過電流、低電壓、過載等故障，可以通過檢測(cè)直流線路電流和電壓量來判斷。當(dāng)直流線路發(fā)生短路故障時(shí)，直流線路電流迅速上升，若電流增量超過整定值，同時(shí)直流電壓低于整定值并超過一定時(shí)間時(shí)，則可以判定該線路發(fā)生故障。交流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，直流線路也會(huì)檢測(cè)到一定的過電流和低電壓。為區(qū)分交、直流側(cè)短路故障，除設(shè)定不同的保護(hù)整定值外，還需要同時(shí)檢測(cè)直流線路故障電流上升率。有文獻(xiàn)還針對(duì)單電源多負(fù)荷直流配電系統(tǒng)提出了一種基于阻抗特征的故障檢測(cè)方法。該方法在電源與負(fù)載接口處注入小信號(hào)正弦擾動(dòng)電流，在復(fù)平面內(nèi)畫出電源輸出阻抗與負(fù)載輸入阻抗比值隨頻率變化的區(qū)域，由此判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度和確定故障模塊。

直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)其他故障隔離方案

如前所述，直流配電系統(tǒng)故障電流發(fā)展迅速，要求保護(hù)器件在極短的時(shí)間內(nèi)(某些情況下可能小于2 ms)檢測(cè)出并隔離故障。鑒于尚無成熟、經(jīng)濟(jì)的直流斷路器，不少學(xué)者在如何利用現(xiàn)有保護(hù)裝置保護(hù)直流配電系統(tǒng)方面進(jìn)行了探索。

有文獻(xiàn)以簡單多端直流配電系統(tǒng)為例，提出了基于過電流的分區(qū)保護(hù)方法。模型系統(tǒng)利用具有限制和切斷電流能力的換流器、CDCCB及保險(xiǎn)絲將整個(gè)系統(tǒng)隔離為整流器交流區(qū)、直流區(qū)、交流負(fù)載區(qū)和直流負(fù)載區(qū)。分區(qū)保護(hù)的方法不需要保護(hù)裝置間的通信，故障就地檢測(cè)和隔離，實(shí)現(xiàn)裝置快速動(dòng)作，并且省去了直流斷路器，遠(yuǎn)端裝置也可以形成后備保護(hù)。由于電壓等級(jí)和故障限流能力的限制，分區(qū)保護(hù)目前主要應(yīng)用在艦船系統(tǒng)。

也有文獻(xiàn)針對(duì)多端直流系統(tǒng)提出了一種利用交流斷路器和快速隔離開關(guān)隔離故障及恢復(fù)系統(tǒng)的方法一“握手”方法。當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)，所有換流站鎖定IGBT，選出潛在故障線路后斷開交流斷路器。當(dāng)電弧熄滅后，打開潛在故障線路的快速隔離開關(guān)隔離故障。重合交流斷路器，通過“握手”的方法恢復(fù)線路。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以不使用直流斷路器，使網(wǎng)架建設(shè)成本達(dá)到最小，但斷電時(shí)間長、影響范圍廣。

具有故障限流能力的換流器和限流裝置的發(fā)展給直流配電系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)提供了新思路，研發(fā)低成本、大容量的直流斷路器或?qū)⑾蘖餮b置與小容量斷路器相配合是未來直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研究發(fā)展的兩個(gè)方向。