经电阻接地的直流电力系统接地故障保护方法

张青云，马 凡，江汉红

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)

经电阻接地的直流电力系统接地故障保护方法

张青云，马 凡，江汉红

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)

中性点经电阻接地方式的直流电力系统在发生单极对地故障后，虽然系统仍可继续运行，但若不尽快实施保护动作、隔离接地故障，容易引起二次故障、甚至出现正负极直接短路等严重故障。为了解决一种经电阻接地的直流电力系统接地故障检测及其定位保护的难题，提出了基于附加接地电阻的直流电力系统接地故障定位保护方法。通过PSCAD∕EMTDC时域仿真，验证了该方法的有效性。

直流电力系统 接地故障检测 接地故障保护 附加接地电阻

0 引言

直流系统接地技术是电力系统的一项关键研究内容[1,2]，合理的接地方案和有效的接地故障检测与保护策略将直接关系到直流电力系统设备的正常运行和操作人员的人身安全[3-5]。为了保障直流系统的安全可靠运行, 必须对其绝缘情况进行连续监测。当发生接地故障后应能及时检测出故障支路并做出处理。如何准确可靠地检测接地故障支路是当前直流系统运行中一个主要问题。目前，国内外对直流接地故障的检测与保护主要是采用低频信号注入法[6-8]，其基本原理是在直流母线和地之间加一低频交流电压源，从而产生一低频交流电流并从中滤波提取出来，根据低频交流电压和电流的数值, 即可求出直流母线对地电阻的数值, 根据低频交流电流的流遁路径可以判断出接地故障所在的支路和故障，但该方法有几个问题，设计原则比较复杂，实施信号的引入会增加额外的设备，信号的滤波提取也比较复杂。

针对中性点经电阻接地方式的直流电力系统，下文提出了一种基于附加接地电阻的直流电力系统接地故障保护方法。该方法通过接地电阻流过的电流来检测接地故障。同时，通过附加接地电阻串联断路器的断开与闭合，比较系统这两次电流的差值达到对故障定位与保护的功能。

1 接地故障的检测方法

图 1 双机直流电力系统结构图

2 接地故障定位与保护方法

当检测到系统存在接地故障时，闭合接地电阻断路器BK7，即在原接地电阻R1的基础上并联电阻R2(R2的投入只用于接地故障保护，正常运行情况不投入，因此，不会对系统的长期运行效率带来影响)使得系统总的接地电阻值减小，因此，接地电阻上流过电流会增加。考虑到系统满功率稳定运行状态下，各供电配电支路上的电流值较大，为使得投入附加接地电阻R2后，电网各支路电流的增量容易检测，R2的取值原则是能使流入接地电阻的电流变化达到百安级。此时，接地电阻电流平均值的绝对值将满足：

假设如图1所示负载3支路正极发生接地故障后，为实现接地故障保护，投入附加接地电阻R2，接地电阻上电流IR增加的同时，两台发电机输出电流(如图1中的Ig1和Ig2)、接地故障支路故障点左边电流(如图1中的IL3)稳态平均值也将相应增加，其中：接地故障支路电流的增加量满足：

由于两台发电机采用电压下垂的励磁控制方式，它们的输出电流增量满足：

式(4)中PG1、PG2分别为直流发电机1和2的功率。

在故障点由节点电流可知IL3=IL4-IR(IL4为图1中接地故障支路故障点右边电流)而非故障支路的电流(如图1中的IL1和IL2)将保持不变。

图 2 中性点经电阻接地方式的直流电力系统接地故障保护方法流程图

图2给出了上述接地故障保护方法的流程图，其中ε为小常数。

表 1 接地保护的时间原则

3 仿真验证

本文采用如图3所示的系统运行工况：两台直流发电机并联运行向负载1和负载2供电，负载1为推进系统，负载2 为直流区域变配电系统和交流负载配电系统。下面以此工况为例，通过PSCAD∕EMTDC仿真验证接地故障保护方法的有效性。

图 3 直流电力验证系统结构图

图 4 F1点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后系统各支路电流仿真波形

在系统满功率稳定运行后，分别对图3中的F1-F5共5个位置施加正极接地故障。图4-8是系统分别在F1-F5点发生正极接地故障后直流发电机1输出电流Ig1-p、直流发电机2输出电流Ig2-p、流经母联断路器的电流Ibus-p、负载1供电电流Ipm-p、负载2供电电流Icom-p的平均值在投入附加接地电阻R2前后暂态过程中的仿真波形。表2-6给出了各支路电流在电阻R2投入前、投入后的稳态电流平均值，以及相应的电流增量。表7-8分别给出了F1、F2处发生故障时各断路器的动作情况，表9给出了F3、F4、F5处发生故障时各断路器的动作情况。

图 5 F2点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后系统各支路电流仿真波形

图 6 F3点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后系统各支路电流仿真波形

图 7 F4点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后系统各支路电流仿真波形

图 8 F5点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后系统各支路电流仿真波形

表 2 F1点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后各支路电流

表 3 F2点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后各支路电流

表 4 F3点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后各支路电流

表 5 F4点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后各支路电流

表 6 F5点发生正极接地故障附加接地电阻投入前后各支路电流

表 7 F1点发生正极接地故障后各断路器的保护动作情况

表 8 F2点发生正极接地故障后各断路器的保护动作情况

从图4-8和表2-6可以看出故障后断路器的两次动作会造成系统的电流变化以及各断路器根据表7-9进行的保护动作情况可以看出，上述方法可以达到对系统接地故障的检测和定位保护。

表 9 F3-F5点发生正极接地故障后各断路器的保护动作情况

4 结论

文章提出了一种基于附加接地电阻的直流电力系统的接地故障保护方法。该方法能够有效检测接地故障、准确定位接地故障支路，并在操作人员允许的情况下可实施选择性的接地故障保护。此外，这种接地方法具有原理简单、选择性好、各断路器独立整定、无复杂信号处理环节等优点。

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A Method of Grounding Fault Protection in DC Power System with Grounding Resistance

Zhang Qingyun, Ma Fan, Jiang Hanhong
(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Although DC power system with neutral point grounding resistor can continue to run in the event of a unipolar grounding fault, it easily leads to secondary failure, or even positive and negative extremely serious direct short circuit faults without protective action or ground fault isolation. In order to solve the problem of grounding fault detection and location-protection of a DC power system with grounding resistance, the method of grounding fault location protection is proposed based on additional grounding resistance of DC power system. The validity of the method is verified by PSCAD /EMTDC time domain simulation.

DC system; grounding fault detection; grounding fault protection; additional grounding resistance

TM855

A

1003-4862(2015)08-0001-05

2015-04-28

国家自然科学基金项目（51377167）；国家重点基础研究发展计划项目（973项目）（2012CB215103）

张青云(1989-) 男，硕士研究生。研究方向：电力系统接地故障检测与定位。