直流配电网故障分析和继电保护综述杨智诚

直流配电网故障分析和继电保护综述杨智诚

杨智诚吴柏涛

（广东电网有限责任公司佛山供电局广东佛山528000）

摘要：随着社会经济建设的不断发展，人们对电力的需求越来越大，就目前的实际情况来看，交流配电网已经无法满足目前的电力供应需求了直流配电网逐渐成为城市配电网的重要组成部分。要想保证直流配电网的稳定运行就必须做好相应的保护工作，本文研究的是直流配电网故障分析和继电保护综述。

关键词：直流配电网；故障分析；故障检测与定位；故障隔离

随着供电系统的不断完善和发展，直流配电网在电力系统中发挥着越来越重要的作用。但就目前的实际情况来看，直流配电技术的应用才刚刚起步，还存在着很多的问题，要想保障直流配电网的稳定运行，需要对相应的保护技术和措施进行进一步的研究。

虽然柔性直流配电技术相较于传统的交流配电技术拥有众多优势，但其目前还处在发展阶段，依然面临着许多问题。柔性直流配电技术目前的发展瓶颈主要包括以下3点：①直流潮流控制技术；②直流变压技术；③直流故障检测、识别和隔离技术。其中直流故障快速检测、可靠隔离对保证柔性直流配电网的安全可靠运行具有重要意义，也是本文关注的重点。目前国内外学者关于直流系统故障检测识别和隔离技术的研究主要可以分为以下3个方面：

1、直流配电网故障特性分析

直流配电网故障的暂态特性对分析故障原因，进行故障定位，实施故障隔离有着十分重要的影响，因此分析直流配帝王的故障特性是开展相应故障分析和机电保护工作的第一步。

直流配电网的故障暂态特性有很多种，这主要是受到了换流器类型、系统结构以及系统控制策略等因素的影响。在多种因素的共同作用下，故障暂态过程会形成一个复杂的非线性过程，用传统的故障特性分析法很难对直流配电网的故障特性进行准确并且有效的分析，因此创新和寻找新的分析方法十分重要。就目前的实际情况来看，应用较多的有，通过简化等效故障放电回路，求解不同阶段所对应故障电流的解析表达式来对故障暂态过程进行描述。

2、直流配电网故障检测与定位原理

2.1电压/电流保护

电压/电流保护是通过增大或减小电流幅值，寻找电压、电流变化率的变化来对故障区间进行确定的，原理简单，实现方便，是目前交流配电网中比较常用的一种保护方式，但是其动作速度和选择性很难满足直流配电网的需求，只能用于故障检测之中。

基于电流瞬时值的两段式过电流保护策略将电压突变作为启动保护的判断依据，根据电压变化情况采取跳闸、后备保护等方式分别在故障电流的上升阶段和达到稳态后进行保护，但是这种方式没有考虑到整个电力系统的运行方式，保护启动数据的获取缺乏一定的依据。

过电流及电流变化率保护方案将故障分为近端故障和远端故障，设置了两段式的过电流保护及电流变化率保护，在发生近端故障时迅速发出跳闸指令切断电流，保护整和电力系统；发生远端故障时限时切断电流，将故障路段切除，这种做法虽然能够通过整定值和延时的相互配合可以实现故障线路的切除，但速度缓慢，无法快速恢复电力系统的正常运行。

2.2边界保护

边界保护主要是利用线路边界元件两侧故障暂态特征的差异判别故障区，是直流配电网特有的保护原理，这种保护技术在速度性和选择性上能够完全满足直流配电网的要留，但在运用的过程中存在两大致命缺点：第一，边界保护需要在直流配电网中安装直流电抗器，但并不是所有的直流配电网都适合安装直流电抗器；第二，目前直流电抗器的取值还没有完善的理论体系作为依据，边界保护整定值的选取存在较大的差异。

相关学者在进行研究的过程中提出了相应的边界保护策略，虽然一定程度上解决了某些问题，但依旧存在着加大的漏洞，比如：利用直流电抗器两端电压变化率的特征设计的保护原理，虽然对直流电抗器的取值进行了研究，将直流电抗器的取值与直流断路器耐受过流能力以及故障开断时间联系在一起，但在实际操作中依旧存在一定的差距，相关的取值标准也存在一定的漏洞；利用短路电流的高频暂态能量的差别区分区内外故障的保护原理，虽然能够准确判断出故障方向和位置，动作速度很快，能够经受一定的过渡电阻，但是实用性不高，在取得保护定制时没有统一的标准，不同的故障类型需要通过不同的方式来获取，保护整定值准确性无法保障。

2.3纵联保护

纵联保护主要利用路两端的差动电流、差动电流的能量或者线路两端电流的方向的特征识别故障线路。这种保护方法具有可靠性高、速度快的特点，但是在通信和数据同步方面还有所欠缺，不能满足直流配电网的需求。

利用电流差动保护原理实现直流配电网故障线路识别的方法能够通过相邻传感器收集到的电流、电压等数据的差异来确定故障区域，但是成本太高，不利于技术的商业化应用；针对“手拉手”式的两端直流配电利用线路两端电流方向信息进行故障线路的判别能够对故障类型进行准学的判断，但在定位故障区间方面却比较欠缺。

3、直流配电网故障隔离方法

3.1交流断路器加直流隔离开关隔离故障

目前工程中比较常用的直流故障隔离方法是利用交流断路器加直流隔离开关隔离故障，这种方法通过跳闸指令切断交流系统向指路系统的供电，使直流系统中的故障电流衰减到零，再对故障电流进行切除。这种方法经济简单，实施方便，但是整个过程时间比较长，需要通过全系统断电来实现，对直流配电网的正常运行会造成比较严重的影响，并不适用于大规模的直流配电网故障隔离和继电保护。

在现阶段的研究中，针对这一情况提出了“握手法”原则，先断开所有的交流侧断路器清楚直流故障电流，在跳闸关闭切除路线，然后解闭锁换流站，最后后进行交流侧断路器重合闸，恢复整个系统的供电。

3.2换流器自清除加直流隔离开关隔离故障

换流器自清除加直流隔离开关的隔离技术是目前研究力度较大的一项技术，比较有代表性的包括有全桥子模块多电平换流器、箝位双子模块换流器、串联双子模块换流器、二极管箝位子模块等。

通过对半桥子模块、全桥子模块、箝位双子模块在故障清除能力、故障清除实践、故障清除成本方面的对比试验得出在实际工程应用中采用箝位双子模块换流器更加有效的结论；通过并联的晶闸对续流二极管进行分流，提高提醒的过流能力，控制交流侧往直流侧注入的故障电流，实现故障电流的自清除。

3.3直流断路器隔离故障

直流断路器隔离故障是最符合直流配电网发展要求的故障隔离方案，能够将故障隔离在最小的范围能，大大降低对整个配电系统的影响，但直流断路器隔离故障方案还处于理论实验阶段，并没有实现商业化应用。

基于机械开关的常规机械式直流断路器、基于电力电子器件的固态断路器、基于电力电子器件和机械开关结合的混合式直流断路器是目前最常见的三类直流断路器，这三类断路器各有优缺点，机械式断路器损耗低但是速度太慢，固态断路器速度快但损耗巨大造价昂贵，混合断路器则融合了前两者的优点，目前看来是最符合直流配电网要求的断路器。

基于换流器自清除的故障隔离方案虽然在点对点式的直流配电系统中能够发挥较为明显的效用，但是会导致全站停电，对直流配电网的稳定供电造成较大的影响，并不能满足直流配电网对故障隔离的要求；基于直流断路器的故障隔离方案可以将故障隔离在最小范围内，最大限度地保证非故障线路的正常运行，是未来直流配电网故障隔离的最佳选择。

结束语

综上所述，直流配电网将会成为电网发展过程中的重要组成部分，如何确保直流配电系统在效率、效益、兼容性、可控性方面发挥其应用的效用成为了社会各界关注的焦点。故障分析和继电保护是直流配电网稳定运行的基础，只有根据实际需求，做好相应的研究工作才能够为直流配电网实现商业化应用提供动力。

参考文献：

［1］戴志辉，葛红波，严思齐，等．柔性直流配电网故障分析［J］．电工技术学报，2018，33（8）：1863-1874．

［2］余修勇，肖立业，林良真，等．基于单端量的柔性直流电网故障识别方案［J］．高电压技术，2018，44（2）：440-447．

基金项目：

佛山供电局职工技术创新项目（030600KK52190015）