柔性直流配电系统过电流及过电压防护研究综述

韩永霞，冯帅松，高毓群，郑文博，张竞涵，赵宇明，韦甜柳，李立浧

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641；2. 深圳供电局有限责任公司，广东 深圳 518020；3. 南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510663)

柔性直流配电网因具备分布式能源并网及消纳、电能质量高、便于多种直流负荷和储能装置灵活接入等优势而成为国内外研究热点[1-4]。到目前为止，国内外已有深圳±10 kV 两端、珠海±10 kV 三端、贵州±10 kV 五端、杭州±10 kV三端、苏州±10 kV两端以及德国亚琛10 kV两端等多地的直流配电系统示范工程的研究及投运报道[5-11]。但由于柔性直流配电系统的运行经验较少，应用场景、控制保护、故障隔离措施、过电流及过电压的防护等关键技术仍需要进一步研究。

故障的诊断及快速隔离是保证直流配电系统具备高可靠性的关键。直流配电系统多基于柔性直流技术，其换流器并联电容元件较多，在系统各种短路及接地故障下，流过各设备及故障点的电流在毫秒以内能迅速增加至几十千安培，过电流抑制、故障诊断及隔离难度较大；此外，在各种故障中，尤其是当系统串联有大量限流设备时，连接有多种换流器的直流配电系统中会产生较大的过电压。因此，对柔性直流配电系统的故障隔离措施、限流方案、过电流抑制、过电压与绝缘配合的研究等是保证其安全可靠运行的关键技术[12-16]。

本文结合柔性直流配电系统典型拓扑结构及主接线，系统分析柔性直流配电系统故障中的限流方案、过电压与绝缘配合、设备暂态电流、过电压过电流的综合协调防护等的研究现状，探讨目前柔性直流配电系统面临的主要问题，并提出相应的研究思路与展望。

1 柔性直流配电系统典型网络结构

柔性直流配电系统网路架构主要包括拓扑结构、主接线方式和接地方式。

1.1 柔性直流配电系统拓扑结构

柔性直流配电系统的拓扑结构主要分树枝状、放射状、环网、两端及多端等[17]。综合考虑供电可靠性、经济性以及控制保护实现的难易程度，两端及多端的柔性直流配电网的拓扑结构应用最为广泛[18]。

在现有柔性直流配电系统及示范工程研究中，深圳、苏州的直流配电系统均采用了两端式拓扑结构，珠海、杭州、贵州的直流配电示范工程采用了多端式拓扑结构[5-10]。典型的两端式及三端式直流配电系统拓扑结构分别如图1和图2所示。

图1 深圳两端式柔性直流配电系统拓扑结构Fig.1 Topology of Shenzhen two-terminal flexible DC distribution system

图2 珠海多端柔性直流配电系统拓扑结构Fig.2 Topology of Zhuhai multi-terminal flexible DC distribution system

1.2 系统接线方式与接地方式

柔性直流配电系统故障时产生的过电压及过电流也受系统接线方式及接地方式影响。柔性直流配电系统的接线形式分为单极接线和双极接线，综合考虑可靠性和经济性，多采用对称单极接线方式[19]。此时，柔性直流配电系统可以通过直流侧接地，也可以通过交流侧接地。考虑到直流侧接地的经济性较差，一般需要结合交流系统的接地方式及变压器接线形式，采用合理的交流侧接地方式[20]。

文献[21]对柔性直流配电网接入交流电网的方式研究表明，在换流器与交流系统间配置联接变压器，能够起到隔离交流故障对直流系统以及直流故障对交流系统影响的作用。文献[22]系统研究了配置联接变压器时，柔性直流系统不同接地方式的差异，如图3所示。图3(a)所示为联接变压器中性点经电阻接地方式，图3(b)所示为通过星型电抗经电阻接地方式。研究表明：当联接变压器换流阀侧的绕组有中性点时，采用中性点经电阻接地方式；当联接变压器换流阀侧的绕组没有中性点时，应采用星型电抗经电阻接地。目前，柔性直流配电系统多采用图3(a)所示的联接变压器中性点经接地电阻接地的方式[8,23]。

图3 典型柔性直流配电系统接地方式Fig.3 Grounding modes of typical flexible DC distribution system

2 限流方案设计

柔性直流配电系统多采用直流断路器(DC circuit breaker, DCB)快速隔离故障，但由于DCB的开断能力有限，需要配合相关的限流措施才能安全可靠地实现故障的开断及隔离[24]。此外，限流器也可以抑制短路故障下流过各关键设备的冲击电流，保证设备的安全运行。

目前柔性直流配电系统的限流装置主要包含限流电抗器和电阻型超导限流器[25]，研究表明两者均有较好的限流效果。在具体的多端柔性直流配电系统中，如何配置限流器及设计限流器参数，对系统整体的技术经济性有较大影响，例如对设备暂态电流和绝缘水平的设计均会产生影响。

相关研究表明，直流双极短路故障是直流母线及DCB过电流的决定性故障工况[25]。图4所示为多端柔性直流配电系统中各换流器出口可能发生的3种典型双极短路故障。图4中：F1故障时，流经DCB的电流是换流器1的放电电流；F2和F3故障时，流经DCB的电流均为其他所有换流器出口的放电电流之和，但相比F2，F3故障时的放电回路中多了本换流器的限流器，故F2故障下流经DCB的电流更大。当DCB开断能力有限时，如5 ms内开断10 kA的故障电流，则需要设计限流器的参数能在5 ms内将DCB电流幅值限制在10 kA以内。综上，需要考虑最严格的故障工况，从而确保F1和F2故障时限流器参数与DCB开断能力的协调配置。文献[26]在限流方案及其参数设计方面做了系统详细的理论分析与仿真研究，理论推导了典型故障下换流器出口过电流计算式以及应当配置的限流器参数计算式，并开展了仿真验证，为多端柔性直流配电系统中限流方案及其参数设计提供了思路和方法。

图4 换流器直流侧双极短路故障Fig.4 Bipolar faults at DC side of converter

3 过电压与绝缘配合

柔性直流配电系统设备绝缘水平的选取需要基于其内部过电压及雷电过电压的详细计算。

3.1 内部过电压

内部过电压主要是指系统在典型操作及故障情况下的过电压，一般采用电磁暂态仿真软件仿真分析典型故障下关键位置的电压分布及其影响因素，并提出决定性故障工况[27-29]。

柔性直流配电系统的典型故障的可划分为交流侧、换流器区域及直流线路区域故障[30-33]，如图5所示。

相关学者针对控制保护、子模块拓扑、限流措施、典型负荷投切及波动等对柔性直流配电系统过电压的影响开展大量研究。如针对换流器子模块是否闭锁仿真研究其对故障特性及过电压分布的影响，研究结果表明，极间短路故障时，子模块闭锁情况下的极间电压和故障电流值要比不闭锁时更大[34]。针对换流器全桥和半桥子模块拓扑结构对过电压的影响，仿真分析并提出了半桥型结构下系统过电压整体较低[35]。文献[36]则仿真分析并对比了超导限流器及限流电抗器的接入对系统关键点过电压的影响，得出在加入限流电抗器方式下过电压较高的结论。针对柔性直流配电系统接入的多种间接性及波动性负荷的影响，仿真分析表明负荷的投切和波动性对系统过电压几乎没有影响[37]。

图5 柔性直流系统各典型故障示意图Fig.5 Typical faults of flexible DC distribution system

随着不同拓扑结构、大量且多样的直流负荷的接入，过电压影响因素会继续增加。

3.2 雷电过电压

柔性直流配电系统的换流器一般位于户内且线路多采用电缆，所以一般不考虑雷电及其防护。但也存在柔性直流配电系统的某个联络点暴露在室外遭受雷击引起系统故障的情况；考虑到将来也可能采用架空线路，有必要开展柔性直流配电系统的架空线路的雷电防护、换流器雷电侵入波过电压及其防护等研究。

±10 kV直流架空线路可能遭受感应雷电过电压、反击、直击或绕击雷电过电压，因此需要建立线路及站内设备的雷电过电压仿真模型，分析一定概率雷电流幅值下换流器设备的最大雷电过电压以及架空线路跳闸率等，提出设备雷电冲击绝缘水平和线路的防雷措施。

文献[38]对柔性直流配电系统的雷电过电压建模方法进行了系统的研究，通过仿真对比分析，得出了线路稳态运行电压及换流器端数对雷电侵入波过电压的影响较小的结论。因此，多端柔性直流配电系统的雷电侵入波过电压的仿真，可参考常规换流站雷电侵入波过电压的仿真建模方法，如与常规换流站建模方法类似取各设备高频等效模型等，如图6所示。

架空直流线路与配电线路防雷分析方法接近，包括杆塔模型、雷电流波形、绝缘子闪络判据等建模方法[39-40]。雷电流幅值可根据配电系统所在地的雷电流幅值累计概率分布及地闪密度平均值选取[41-44]。

3.3 换流器绝缘配合方案

柔性直流配电系统的避雷器配置方案可参照传统高压直流输电系统和柔性直流输电系统，并结合避雷器配置原则进行。图7给出了典型柔性直流换流器的避雷器配置，A型避雷器为交流系统侧避雷器；A2型避雷器用于保护桥臂电抗器及联接变压器的二次侧，同时也对联接变压器阀侧的接地支路起保护作用；DB型避雷器用来保护直流母线及其相关设备，并与A2型避雷器配合实现对换流器的保护；DL型避雷器装在直流线路侧，用来保护直流母线及其相关设备；直流侧接入负荷的换流设备故障产生的过电压均由DL型避雷器抑制。根据具体工程，可适当删减或增加某种类型的避雷器。如文献[23]参照避雷器配置要求，在柔性直流配电系统中提出了3种不同的避雷器配置方案。其方案1与图7所示相同，方案2在图7的基础上在各电抗设备两端增加了避雷器，方案3则在图7的基础上将直流侧正负极的避雷器改为在正负极间接入单个避雷器。文献[29]在柔性直流配电网中提出了2种避雷器配置方案，其中一种方案与图7所示相同，另一种方案的差别在限流电抗器两端、阀组两端和联接变压器中性点有无配置避雷器。仿真结果表明，配置更多的避雷器起到了降低直流电抗器与线路设备绝缘水平的作用，但提高了桥臂电抗器的绝缘水平。

图6 单端换流器的雷电侵入波过电压仿真模型Fig.6 Simulation model of lightning invasion wave overvotlage of single-terminal converter

图7 直流换流站典型的避雷器布置Fig.7 Configuration of arresters in DC converter station

避雷器参数的选择原则与常规直流系统一样，不同的是，为了提高柔性直流配电网的运行可靠性，需要系统在单极接地故障下短时持续运行一段时间。因此极母线及极顶避雷器的持续运行电压要考虑正常运行和单极接地故障2种情况，取2种情况下的最大值[33]。

在避雷器配置完成后，对系统各类故障情况下的过电压进行仿真计算并统计决定性故障工况。如文献[36]通过对珠海±10 kV三端柔性直流配电系统的过电压仿真分析，给出了其过电压决定性故障工况统计，见表1。

表1 过电压决定性故障工况Tab.1 Decisive faulted conditions for overvoltage

柔性直流配电系统的绝缘配合系数可参考高压直流系统[33]，结合最大过电压统计结果及避雷器保护水平的选取，可提出各设备所需的操作冲击耐受电压。如果系统不考虑雷电防护，则可结合操作耐受电压设计和提出设备的雷电冲击耐受电压；如果需要考虑换流器防雷电侵入波，则需要结合架空线路防雷方案设计站内设备的雷电冲击耐受电压。

3.4 架空线路防雷方案

柔性直流配电系统架空线路的防雷研究要基于内部过电压及其避雷器配置方案，如在其基础上增加换流器出口避雷器并联柱数、加装线路避雷器、安装架空避雷线及降低杆塔的接地电阻等方式及其组合[44]。

雷电防护要综合考虑技术经济性及可靠性。文献[38]针对柔性直流配电系统开展了不同防雷方案的综合对比分析，结合增加避雷器并联柱数、架设避雷线和杆塔人工接地等综合防雷方案，对比分析了站内设备雷电冲击绝缘水平、线路雷击跳闸率与投入费用等差异，结合供电可靠性及系统经济性要求，提出了各种防雷方案的适用场景。

相比于电缆，采用架空线路对柔性直流配电系统的可靠性仍然是很大的挑战，在经济允许的条件下不建议采用架空线路。

4 过电流分析及设备暂态电流设计

当柔性直流系统发生各种短路及接地故障时，相关设备中会流过比较大的过电流。即使系统具备限流器抑制故障电流，DCB开断并隔离故障点以及过电流闭锁保护等防护措施，流过设备的冲击电流幅值会减小但仍然存在。因此，在系统主接线、限流方案及避雷器绝缘配合方案确定的基础上，需要在典型故障下仿真分析各关键设备的最大过电流，并以此为基础提出设备暂态电流设计值。

暂态电流是校验设备电动力稳定度和设备选型制造的重要依据，因此详细而准确地开展过电流理论、仿真及其影响因素分析至关重要[25,45-48]。

此外，相关学者为开展各种短路及接地故障下的故障特征及保护策略的研究，针对各类故障下的过电流开展了理论及仿真研究[49-53]。虽然与开展关键设备暂态电流设计的目的不同，但典型故障下的过电流的理论及仿真分析方法基本相同。

过电流的仿真建模方法与过电压相同，典型故障工况也类似，相关研究通过理论分析和仿真计算提出了决定性故障工况，见表2[45,54]。

表2 过电流决定性故障工况Tab.2 Decisive faulted conditions for overcurrent

5 协调防护的研究思路

上述分析表明，系统的限流方案、过电压与绝缘配合、设备暂态电流等研究均基于典型故障下的电磁暂态过程分析，虽然研究目的各不同，但分析方法相近，彼此之间会存在相互影响。

如在开展故障诊断及隔离措施研究中，需要结合开断装置的能力设计限流方案，而限流装置的接入也会影响故障信号特征甚至保护策略的确定[55]。

其次，系统采用限流电抗器限流时，短路故障下限流电抗器两端将产生较大的过电压，对系统的过电压水平产生影响[36]。因此，需在确定限流方案的前提下开展系统的过电压及绝缘配合研究，如果不同限流方案系统绝缘配合方案差异较大，则需要综合比较技术经济性。

在设备暂态电流研究中，避雷器动作时相当于系统接地点增加，流过相关设备的过电流将会发生变化[56-57]。故在确定避雷器配置方案的前提下，开展柔性直流配电系统的暂态电流分析会将更加精确；此外，故障中的保护策略也在一定程度上影响系统过电压及过电流的大小及分布。

综上所述，针对同样基于故障中电磁暂态过程分析的故障诊断及隔离、限流方案、过电压与绝缘配合、设备暂态电流等研究，有必要从系统的角度开展多方面的综合协调防护研究，探索最优的综合防护方案。

6 结论与展望

本文结合典型多端柔性直流配电系统的拓扑结构和主接线，综述了其故障隔离及限流方案、过电压与绝缘配合、过电流分析方法及设备暂态电流设计等的研究现状，提出了其分析基础均为典型故障下的系统电磁暂态过程，理论及仿真分析方法类似，可以从系统的角度开展多方的综合协调防护研究。

目前对于多端柔性直流系统的过电流、过电压及其防护的研究，从理论到仿真分析、设计方案到示范工程等研究都在逐步完善，但仍然存在一些问题。如理论及仿真分析结果及规律尚需要与实验及运行数据对比，以更好地指导实际运行；随着多端柔性直流的发展，系统接入负荷及拓扑结构复杂程度随着增加，电磁暂态过程更加复杂，故障隔离及限流防护方案难度也会增加。因此要进一步研究大容量、多端柔性直流配电系统的电磁暂态理论分析方法，开展综合协调防护研究，加快大电流DCB等故障隔离装置的研发，才能有助于实现更大容量、更多端数的柔性直流配电网系统发展，避免过电流太大带来的一系列限制。