试析直流配电系统故障分析与保护技术研究

张红琳 杨艳玲 杜瑞兰

摘 要：本文首先介绍了当前直流配电系统的故障，并对故障成因和系统保护方法分别做出了论述。研究出安全可靠，并兼顾传输速度的电路保护技术对推动直流配电系统的发展意义重大，并将成为全行业未来的重点研究方向。

关键词：直流配电系统；故障分析；保护分区

0 引言

人类社会的生存发展与能源的供给密切相关，在电能被开发利用以前，化石能源垄断了全人类能源的产出和消耗。近年来，能源紧缺的阴影笼罩在全世界人民心头，为了解决好这一问题，世界各国争相提出新能源体系的构架方案，以求低耗可持续的发展路线。世界能源产出与消耗的格局已经随着能源危机而产生了显著的变化，与资源丰富的中东国家相比，我国化石能源相对匮乏，资源持续供应力明显不足，人均资源共享份额低于世界平均水平。为了谋求这一严峻现状框架内的长期发展路线，我国将大力开发电能，将配电网的构架作为能源输出的主要方法。

直流配电系统内含有大量的分布式电源，可与储能系统接入，并且系统内既有直流负荷，又有交流负荷。直流电系统可以采用正负两极制和三线供电制两种方式来搭建，比交流电系统的电压更稳定，并且系统中的变流器装置能够灵活地控制有功功率和无功功率，效果相当于无功补偿器，继而不必再担心与交流系统串联时会产生电压差。

1 直流配电系统常见故障

1.1 变压器故障

在直流配电系统中，变压器扮演着非常重要的角色，变压器一旦损坏，就会使得系统内设备的实际电压偏离额定电压，造成设备损坏。具体表现为变压器有阀短路、桥臂短路直流侧电容被击穿以及冷却阀门损坏等。

1.2 负荷故障

直流配电系统内不仅有直流负荷，还有通过变压器接入的交流负荷。此外，微型燃气轮机、系统内涵分布式电源也都属于负载保护的范围。一般来说，直流负荷的故障频率要高于交流负荷，容易产生短路、负载过度等现象，造成电缆发热，甚至引发火灾。系统内的分布式电源易发故障与自身所属种类有关，常规的故障点一般分布在电网接口、电池两极等地方。再者，电能储备系统接入直流网时，如果未能经过转流设备分流处理，也是引发负荷故障的主要原因之一。

1.3 直流电网故障

出于实际需求的考虑，直流配电系统一般采用双向换流装置，因此使得直流侧容易发生短路故障，或者换流器失灵。另外，由于直流电路结构比交流电路简单，一旦发生故障，将导致大面积的电流强度改变，会破坏电路中并联的其他装置。因此在排查故障时，不仅要迅速地找到故障位置，还要将电网局部结扎，防止故障进一步蔓延。

1.4 单极接地故障

与交流电网不同，直流电网络中很容易发生单极接地故障。在以电缆传输线路为主的直流电能传输中，电磁操动机构的跳闸线圈一般都是接在负极电源端，如果这些回路接地时绝缘不良，就会引起系统保护误判，从而正负极电压发生过大落差，继而造成单极接地无法实行，导致整个电流配电系统瘫痪。

2 直流配电系统保护技术研究

直流配电系统内的电压差普遍存在，同时设备类型呈现多元化，且负载单元种类复杂。因此，针对系统内不同的保护对象，应采取不同的措施。

2.1 柔性直流输电系统的保护

“柔性”是相对于普通直流输电提出的新概念，该技术引进了尖端大功率电子器件组成的电压源换流装置（VSC），可根据电网实际需求，即时改变电能输送的总量和输送方向，对优化电能质量也有贡献。当前我国采用了模块化多电平技术（MMC），该技术的规模、容量、电压等级等参数无不是依据工程需求与电能传输距离量身定制，个性化和智能化程度非常高。

2.2 多端口直流配电系统的保护

多端口直流输电系统指的是由两个以上高压直流输出中转站和与之相连接的高压直流闭合线路组成的高压直流输电系统。截至目前，世界各国充分认识到多端口高压直流输电在可再生能源和智能电网建设中的重要作用，因此相关输电工程应用开始呈现快速增长。全球已投运的直流输电工程均为点对点两端系统，尚无多端柔性直流输电工程投入实际商业运作中。

2.3 直流配电系统继电器保护

继电器可以对整个直流电网起到选择性的定向保护作用。当电力系统中的设备发生故障或被短接时，继电保护能够准确地将故障设备或所在局部电路从总电力系统中隔离开来。大型直流电力系统的安全稳定，离不开结构合理的继电器保护装置。继电保护运行中，如发现有任何异常状态（如发热过高），需密切监视保护装置的瞬时温度，进行散热处理，并及时联系继保人员处理。

3 总结

直流配电系统的网络构架设计是关乎全局的问题，只有具备了合理的结构，才能保证该系统稳定高效地运行。在执行具体设计方案时，相关技术人员需要从整个配电系统出发，站在统领全局的高度，综合考虑系统对分布式电源的兼容能力、电能传输的稳定性以及网络构架的运营成本等多方面要素。同时，针对直流供电系统中的故障成因及维护方法，笔者也做出了相应论述，以期为行业内人士提供参考，共同进步。

参考文献

[1]胡竞竞.直流配電系统故障分析与保护技术研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[2]叶李心.适应于分布式电源接入的直流配电模拟实验系统研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[3]高一波.直流配电系统接地故障分析与接地方式研究[D].杭州：浙江大学，2015.

（作者单位：国网山东省电力公司巨野县供电公司）