直流配电系统接地故障分析与接地方式研究

黄志和

（福建宏瑞建设工程有限公司，福建 福州 350000）

随着现代城市的发展，居民用电负荷与工业用电负荷高速增长，这对城市的供配电系统有了更高的要求。在经济发达的大中型城市中，用电负荷密度不断增加，但其供电容量的增长速度却落后于用电负荷，导致居民供电不足现象时有发生，区域性配网供电紧张、供电质量不高等问题突出，特别是在用电高峰期，用电密度和电压激增[1]。另一方面，城市的高速发展导致城区的土地资源紧张，同时在城市规划中可供建设供电廊道的土地十分有限，更是加剧了供配电不足的问题[2]。

1 直流配电系统接地故障分析

在传统的配电系统中，交流配电一直占据主导地位，但城市发展带来了电力用电需求的快速增长，现有通电走廊电力的负载能力有限，供小于求，出现供需不平衡[3]。同时，交流电在传输过程中本身会产生损耗，大量的低压用电设备对交流电的使用不兼容，需要采用变换器将交流电转换为直流电，这使得电能被大量浪费，并且在转换的过程中产生了大量谐波电流，严重影响了电器设备的运行稳定，造成大量的交流配电网络故障，与用户的需求相去甚远[4]。因此，构建直流配电系统是确保供电质量的有效途径，是以配电系统整体为角度出发的全局性解决方案。直流配电系统接地故障主要分为3 大类，即交流电源侧故障、直流网络故障、负荷侧故障。

1.1 直流配电系统交流电源侧故障

在交流电源侧故障中，交流电网是直流配电系统的主要电源，由于功率不足原因以及电流形式转换的需要，采用AC/DC 换流器，在控制系统换流器调节过程中，正常情况下，其电流和电压的数值比较稳定，通过调节基础波电压曲线的相位和振幅达到不同功率形式的独立调节，主要分为有功功率和无功功率，功率变化随用电负荷的增加而增加，但当交流系统出现异常时，如出现单相短路或者两相短路故障，交流电压的的幅值、电流和有功功率均会出现波动[5]。

在正常情况下，如果供电电源的电压有效值为Um，那么从换流器输出的三相交流电压表示为Us=[UsaUsbUsc]，交流侧电压矢量轨迹线为标准圆形，各相分量见方程（1）：

如果电网处于正常工作状态，经过abc/αβ 变换后的电压幅值见方程（2）：

当交流电源侧系统失去平衡，如三相电压不对称故障等，交流侧电压矢量轨迹线为椭圆形，方程（2）中的电压值将出现变化，混入了正负序分量，其表达式见方程（3）：

1.2 直流配电系统直流网络故障

供电电网的直流网络一般采用两线制或者三线制，三线制比二线制增加了一条中性线电缆，剩余的两相分别为正负电极。因此，其最容易发生的故障是极间短路或接地短路[6]。这些故障的研究均可以建立等效电路结构模型展开分析，当发生极间短路时，系统中的直流电路电压与交流电路的电压失去平衡，由于电容的作用，在瞬间状态下电压不会出现突变，但是当持续的电容放电后，电路出现欠阻尼震荡现象，电压和电流可以用方程（4）、方程（5）进行表达：

1.3 直流配电系统负荷侧故障

在直流配电系统中，出现极间短路或者接地故障都会导致电容损毁，如果在故障发生后能及时消除故障，整个系统会逐步向原来的平衡状态恢复，但这会造成电容电压出现不可逆的损害，使得系统与初始状态不一致，无法正常工作。当发生直流配线系统负荷载侧故障时，VSC 直流侧并联的电容出现振动，电容对瞬间增大的电流和电压进行充电存储，随后在极短的时间内释放，因此在线路中的电流幅值急剧增加，VSC 对LGBT 进行锁定，以保证VSC 自身的稳定和安全[7]。发生直流配电系统负荷侧故障的电流、电压见方程（6）、方程（7）：

2 不同接地方式下直流配电系统的故障分析

在直流配电系统的故障中，不同的接地方式对故障产生的影响、故障恢复过程均有所不同，本研究基于直流电网的故障特点，分析3 种主要的接地方式，分别是电容中点直接接地、部分站端电容中点高阻接地、全部站端电容中点高阻接地。

当直流配电系统电容中点直接接地时，换流站正极的电压将在瞬间内变为0，而负极内的电压变化过程则较为缓慢，逐步降低至-Udc。在整个系统中，离故障位置越近的换流站，其正极电压的下降速率则越快，各个换流点正负极的电容电压与对地电压相同[8]。发生故障后，换流站的电流和电压呈现不同的畸变，回路电流中含有零序分量，较大的零序电流流经电阻导致电压中会出现零序偏置。

当直流配电系统分站端电容中点高阻接地时，换流站的正负极电流、电压与电容中点直接接地较为一致，即正极的电压将在瞬间内变为0，而负极内的电压变化过程则较为缓慢，逐步降低至-Udc。在整个系统中，离故障位置越近的换流站，其正极电压的下降速率则越快，各个换流点正负极的电容电压与对地电压相同。与其他接地方式产生的故障有所不同，分站端电容中点高阻接地时故障的恢复过程，首先要经历正极电容放电，随后负极充电的过程，整个恢复过程较慢。

当直流配电系统全部站端电容中点高阻接地时，换流站端由于电容的电阻较大，导致正极电容的放电过程不能有效进行，使得所有换流站的对地电压都下降到零值以下。由于故障导致直流线网的正负极电压失去平衡，但其不平衡大小与电容中点直接接地的电容电压不相同，因此从另一个层面看来，这将有利于故障解除后电压恢复，电位也自动恢复为地电位。

3 直流配电系统接地故障仿真分析

为了更好地模拟不同接地方式下，直流配电系统的接地故障特征，采用PSCAD 配电系统仿真软件建立计算模型，模型的概图见图1。其中，系统的电压为110 kV，联结变变比按照系统电压取值，大小为110/10，直流侧额定电压依据经验确定为20 kV，直流侧额定电流则取值为0.5 kA，图中有5 个换流器，所有换流器的直流电容为2 000 μF，其中①换流器和⑤换流器的换流电感为5.6 nH。

图1 直流配电系统接地故障仿真分析模型

①换流器发生单相永久接地故障时，①换流器右侧M1、⑤换流器左侧M5 的电流和电压变化情况。从图1 中可以看出，接地故障发生前，①换流器右侧M1、⑤换流器左侧M5 的基频电流和基频电压均为0，而发生接地故障发生后，①换流器右侧M1 的电压值为2 297.5 V，电流值为1 583.4 A，⑤换流器右侧M5的电压值为976.6 V，电流值为998.7 A，由此根据基频功率方向可以确定①换流器发生了接地故障，而⑤换流器则运行正常。

发生并联谐振接地故障时，①换流器右侧M1、⑤换流器左侧M5 的电流和电压变化情况。接地故障发生前，①换流器右侧M1、⑤换流器左侧M5 的基频电流和基频电压均为0，而发生接地故障发生后，①换流器右侧M1 的电压值为5 833.0 V，电流值为141.5 A，⑤换流器右侧M5 的电压值为5 321.8 V，电流值为6 671.3 A，由此根据基频电流和电压的辅助判断准则和功率方向可以确定①换流器发生了接地故障，而⑤换流器则运行正常。

4 结论

与交流配电系统相比，直流配电系统在电能质量和可靠性等方面具有明显的优势，因此受到研究人员的关注和重视。本研究针对直流配电系统接地故障展开分析，采用仿真模拟软件建立了多种不同接地方式，对在不同模式下的直流配电系统故障量进行研究，得出以下结论：

（1）直流配电系统接地故障主要分为3 大类，即交流电源侧故障、直流网络故障、负荷侧故障。不同的接地故障会导致直流配电系统中的电路和电压变化。

（2）直流配电系统存在3 种主要的接地方式，分别是电容中点直接接地、部分站端电容中点高阻接地、全部站端电容中点高阻接地。

（3）采用PSCAD 配电系统仿真软件建立计算模型，分析不同接地方式下的电流和电压变化情况，并根据基频电流和电压的辅助判断准则和功率方向判定故障出现的位置。