浅谈直流配电系统保护的技术

浅谈直流配电系统保护的技术

赵晨辉胡智鑫樊超尹帅

（辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司辽宁省125001）

摘要：随着现代电力电子技术的快速发展，应用于直流配电的换流元件已日趋成熟。部分可再生能源的分布式发电产生的电力是直流，如光伏发电、燃料电池发电，同时传统交流配电系统存在动态响应速度慢、传输功率小、配电距离短、损耗大、电能质量差等问题。基于此，本文分析了直流配电系统的保护系统，继而讨论了直流配电系统保护面临的问题，最后展望了直流配电系统保护的发展。

关键词：直流配电；保护；技术；发展

1直流配电系统的保护系统分析

直流配电系统的保护系统包含测量装置、继电器、出口断路器、隔离设备等。保护系统的设计应满足可靠性、速动性、选择性、经济性等要求。柔性直流输电保护系统针对各主要设备和故障类型，将系统划分为交流侧保护、换流器保护、直流侧保护（直流输电线路保护）3个区域。但与柔性直流输电系统不同的是，直流配电系统直流线路T接负载及分布式电源支路，故障类型要复杂得多。以中压直流配电系统为例，保护区域大体可以分为交流电源侧保护、变换器保护、直流网络保护、负载保护4部分，如图1所示，考虑直流断路器的技术性和经济性，直流断路器仍是现阶段直流配电技术发展的瓶颈之一。基于此，可将直流配电系统保护分为不基于直流断路器的保护和基于直流断路器的保护。不基于直流断路器的保护，主要采用交流断路器和直流侧隔离开关配合，来清除直流系统故障。针对基于电压源型换流器（VSC）的多端直流配电系统，使用直流电流突变、直流功率或直流功率突变等方法检测是否发生直流故障；在判断故障发生后，利用握手方法，实现直流故障的定位和隔离，该方法构思巧妙，基于本地信息量配置保护，不依赖直流断路器和快速通信技术，很大程度上降低了系统建设成本；不过非故障母线存在短时电力中断问题，且供电可靠性不高、速动性较差。但在直流配电系统保护的发展历程中。基于直流断路器的保护，则是直接使用直流断路器来清除故障。基于快速通信和直流断路器的保护、控制、通信集成方案是直流配电系统保护的发展方向。然而，前述的直流配电系统保护侧重于直流故障的定位和隔离，较少涉及直流配电系统整体保护配置研究，以典型辐射状直流配电系统为对象，从直流网络、负载交流网络和电力电子装置3个方面对接地系统和不接地系统设计保护方案，该研究按接地方式的不同将系统分成两类，研究较全面；但拓扑结构相对简单，没有考虑直流负荷和分布式电源的接入，与实际工程的保护需求还有一定差距。目前直流配电系统处于探索、研发阶段，尚没有实际工程，同时直流配电系统保护研究没有达到工程应用的程度，还没有一个通过实践验证并被广泛接受的系统保护方案，这有待直流配电系统结构的完善、保护标准的制定以及相应配电保护理论的实践反馈。

2直流配电系统保护面临的问题

2.1直流配电系统接地方式的确立。直流配电系统接地方式对保护具有重大影响，直接关系到接地故障时故障电流大小，从而影响配电保护的方案配置。发生故障时接地系统产生很高的接地电压和接触电压，将超过允许值；另一方面，不接地系统交流侧发生故障时会导致换流器交流侧出现很高的过电压，影响人身安全，并对换流器造成破坏。常规方法是正常情况下系统不接地，电位处于悬浮状态；一旦发生故障，影响到设备绝缘时，通过自动装置将中性线导体接地，以抑制不安全电压。

2.2直流断路器的应用。作为直流配电保护系统的动作对象，直流断路器是直流配电系统安全运行的关键设备，直接影响直流配电的发展。直流电流不存在自然过零点，所以灭弧甚为困难，给直流断路器的研发带来巨大挑战。目前国内外用于低压直流配电的断路器大多基于强迫灭弧，故障电流可高达数万安培，可能导致直流断路器烧毁。近年来兴起的固态断路器，也存在分断容量偏小、过负载能力差等问题。有效结合机械开关的静态特性和固态断路器的快速动作特性的混合型断路器，具有优异的综合性能。虽然目前很多直流配电工程基于交流断路器与换流器、交流断路器与隔离开关的配合实现保护功能，但这将是直流配电保护发展过程中的过渡阶段。随着直流断路器技术的日渐成熟，直流配电系统中使用直流断路器是发展趋势，并将极大地促进直流配电系统的发展，更加凸显直流配电的优势。

2.3分布式电源的接入。近年来，以可再生能源为主的分布式发电技术凭借投资节省、发电方式灵活、与环境兼容等优势得到快速发展。目前分布式电源接入交流系统对保护的影响和相应对策得到了国内外科研人员的广泛关注，取得了一定的进展。但分布式电源接入直流配电系统对保护的影响则鲜有研究。考虑分布式电源和储能装置的接入，配电系统由单端电源系统变成多端电源系统，系统控制方式和拓扑结构多变，原有无方向的保护会发生误动等现象。因此，对直流配电系统进行保护配置时必须考虑分布式电源接入的影响；这在一定程度上使保护技术复杂化，束缚了直流配电技术的发展，亟待深入研究。

3直流配电系统保护的发展方向

直流配电系统保护发展方向展望如下：（1）使用直流断路器作为保护动作对象，灵活地构建直流配电系统拓扑结构，并快速切除直流故障。（2）基于快速通信系统，将直流配电系统作为一个整体考虑，开发出广域信息保护系统，并通过不断获得实时数据实时更新保护策略。（3）采用保护、通信、控制集成一体化的保护方案，有效整合电力电子器件保护功能、减少分散保护设备数量，从而能够降低保护系统的复杂性、降低系统成本、大大缩短保护动作时间。（4）分布式电源接入直流配电系统，是非常具有发展前途的先端技术。针对分布式电源接入直流配电系统保护控制技术的研究，是值得探索的前沿课题。

4结束语

综上所述，直流配电系统保护仍面临严峻的考验，包括直流配电系统接地方式的确立、直流断路器的应用及分布式电源的接入，而直流配电系统的保护技术还有很大的研究空间，随着技术的发展，直流配电系统保护技术也将会越来越完善的呈现。

参考文献

[1]交直流配电网可靠性对比.曾嘉思,徐习东,赵宇明.电网技术.2014(09).

[2]中低压直流配电系统的主动保护研究.吴鸣,刘海涛,陈文波,苏剑,季宇,孙丽敬,王丽.中国电机工程学报.2016(04).

[3]一种利用故障暂态过程的柔性直流配电网故障测距方法.和敬涵,张明,罗国敏,于冰,洪泽祺.电网技术.2017(03).

作者简介

赵晨辉，辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司，研究方向：配电网故障诊断。

胡智鑫，辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司，研究方向：配电网故障诊断。

樊超，辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司，研究方向：配电网故障诊断。

尹帅，辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司，研究方向：配电网故障诊断。