浅谈核岛直流配电系统主动限流控制与保护

浅谈核岛直流配电系统主动限流控制与保护

曾阳航

福建福清核电有限公司 福建 福清 350318

摘要：以某核电厂直流系统为例，先是阐述核岛直流配电系统的主要构成，然后针对直流配电网中直流故障引起的系统过流问题，提出一种基于FBSM-MMC主动限流控制的直流配电网保护及故障隔离方案，实现对故障电流的主动限制的同时，实现对故障的隔离。

关键词：核电厂；直流配电系统；主动限流控制；隔离保护

引言

核岛直流配电系统是集控制、信号、保护和自动装置，以及断路器电磁合闸、直流电动机、逆变器、事故照明等为一体的供电系统，涉及应急柴油机控制盘、核反应堆保护组、停堆断路器、核仪表等重要负荷，对核电厂的安全稳定运行有着至关重要的作用。在核安全三要素中，都要求众多特定功能设备可用，而确保这些设备仪器可用的重要前提就是要有安全稳定的电源，可以在一定意义上说，没有电源的安全，就没有核安全。由于直流系统主要是为控制回路供电，一旦出现直流电源故障，就会给相关系统带来停机、停堆的风险，所以确保直流系统安全稳定运行，对保障核电安全有着非常重要的作用。

直流系统可能会发生各种故障，在故障发生后还会引起的系统过流，严重威胁核电安全。这使得直流故障的快速识别与隔离，成为了目前直流配电网研究的一个热点问题。通常在直流配电系统故障发生之后，大多采用换流器闭锁的方式将短路电源切断，但是这样的闭锁方式会使得全网短时停电，至今还有较好的解决办法。并且，针对直流配电系统的直流故障，鲜有将主动限流控制与直流电网保护结合来增强对故障电流的控制能力。因此，本文以某核电厂的直流配电网系统为研究对象，针对通过闭锁切除故障而导致全网短时停电的问题，提出将MCC主动限流控制与直流电网保护结合的新方案。在该方案中，主要有三个阶段构成：阶段一是在故障发生后先利用主动限流控制将换流器输出电流限制在额定电流附近；阶段二是根据各线路两端直流电流是否具有同步性过零的特征来识别故障线路；阶段三是将直流断路器与快速机械开关协同配合，以实现对故障的隔离。

1. 核岛直流配电系统的构成

某核电厂直流配电系统主要是由蓄电池、充电器及相应的开关和母线构成。其中，蓄电池是直流配电系统的储备能源，同时起到平衡负荷的功能。在该核岛直流配电系统中，共有14个系统，设有三个电压等级，分别是48V、110V和220V。

下图1 为该核岛直流配电网的网络拓扑结构，在图1中，L₁-L₄表示4条直流线路，每条线路的一段均配置了直流断路器，另一端配置了快速机械开关的方式，分别对应的是CB₁-CB₄和S₁-S₄。为了方便讨论，将同一母线上连接的直流断路器与快速机械开关及相应换流站的MCC统称为相互关联。

图1 直流配电网拓扑结构

2. 基于主动线流控制的核岛直流配电系统保护与隔离方案

针对直流配电网系统运行过程中的直流线路故障，大多是采用闭锁+快速机械开关动作来切除故障。但由于闭锁会使得全网短时停电，不利于保障供电的可靠性。因此，本文提出了基于FBSM-MMC主动限流控制的保护与故障隔离方案，该方案主要有以下三个阶段构成：

2.1 阶段一：利用主动限流控制将换流器输出电流限制在额定电流附近

在发生直流线路故障后，先利用主动限流控制将换流器输出电流限制在额定电流附近。下图2为换流站内部FBSM-MMC结构图。在图中，I_dc和U_dc分别表示为FBSM-MMC出口处的直流电流与直流电压；i_u,j和i_l,j分别表示上下桥臂三相桥臂电流；u_u,j和u_l，j分别表示换流器上下桥电压；L_arm表示换流器桥臂等效电感；u_s,j与i_ac,j分别表示交流侧电源的电压与电流。

换流站1采用定直流电压控制，当其采取定有功功率控制时，外环有功量控制环节，以有功功率控制替代直流电压控制。同时，为了抑制MMC内部的桥臂环流电流，减少换流器内部的功率损坏，需要增加环流抑制器。在正常工况下，换流站输出电流I_dc相当于其内部三相桥臂环流电流之和。对于故障后换流站所输出的直流电流大小，理想条件应是将其限制为零，这样既能避免出现系统过流的现象，也能实现对故障的可靠切除。但是在故障发生后，若直接将系统故障电流控制为零，此时保护装置也就难以快速检测电流故障的特征，不利于有效识别故障线路。因此，在经过综合考虑后，为确保故障后系统耐受过电流水平，同时保证系统仍然有明显的故障特征因素，最终决定将故障后换流站输直流电流I_dc控制在1.2倍额度电流，这样既能够对故障电流进行限制，也利于可靠识别故障线路。

图2 FBSM-MMC结构示意图

2.2 阶段二：基于直流电流同步性过零的特征来识别故障线路

在阶段一的基础上，根据各线路两端直流电流是否具有同步性过零的特征来识别故障线路。在故障发生之后，故障电流通过换流站流向故障点，下图3为不同故障下线路L

₁的故障电流方向，图中蓝色虚线代表的是正常运行时线路的负荷电流流通方向。从图3（a）中可得知，直流断路器CB₁处的故障电流与系统正常运行时负荷电流方向相反，这说明在故障发生之后，直流电流必然会过零。但是，快速机械开关S₂处的故障电流方向，与正常运行时负荷电流方向一致，这说明在故障发生后未出现电流过零点。同时，再观察图3（b）和（c）得知，在图3（b）中，故障电流方向与负荷电流方向一致，说明CB₁与S₂这两处电流未出现过零特征；而在图（c）中，故障电流方向与负荷电流反向相反，说明CB₁与S₂这两处电流将出电流过零特征。综上，在直流线路内部出现双极短路故障时，线路电流的一段会出现过零点特征，而另一端不会出现过零点特征。同时，如果是直流线路区外出现双极短路故障，此时线路两端电流会同时出现过零特征或者是始终不过零。可根据这一故障特征，来辨别故障线路和非故障线路。

图3 不同故障点线路L₁故障电流流向

2.3 阶段三：直流断路器与快速机械开关协同配合实现故障隔离

经过阶段二后，可准确识别出故障线路，在此基础上，还需要快速完成故障线路的隔离。如果在线路两端均配置直流断路器，较容易实现故障的隔离，但是需要配置较多的直流断路器，不满足经济性这一条件。因此，应重点考虑如何在优化直流断路器配置的基础上实现故障隔离。目前可用于隔离故障的电气设备主要有直流断路器和快速机械开关，理论上，要想减少直流断路器的配置数量，理应用快速机械开关替代直流断路器，但是考虑快速机械开关本身并不具有熄弧能力，所以就需要配合其他设备才能够实现故障的快速隔离。鉴于此，提出了将直流断路器与快速机械开关协同配合来实现故障快速隔离的方案。

采用直流断路器与快速机械开关协同配合的故障隔离方案，主要具有这三个特点：一是电网中任何一条线路，仅需在其一段配置直流断路器，对比在线路两端配置的方案，直流断路器配置数量减半，可大幅节约建设成本；二是通过MMC主动限流控制的方，可降低系统故障发生后的过流水平，随之也会减小直流断路器的开断电流，也能降低直流断路器的制造成本；三是在切除故障线路时，只需要将快速机械开关侧关联的换流站输出电流变为零，其他换流站不切断供电，可经故障影响范围缩小，也能快速恢复系统正常运行。

结语：

本文基于核岛直流配电系统安全稳定运行的基础上，针对直流配电系统故障后采用闭锁方式而引起的全网短时停电问题，提出了一种基于FBSM-MMC主动限流控制的直流配电网保护及故障隔离方案，该方案主要是将主动限流控制、故障线路识别和故障隔离这三个阶段配合，既实现了故障后线路过流水平的有效限制，还能实现对故障线路的快速识别和隔离保护。

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