直流系统故障支路综合保护与隔离研究

国网伊犁伊河供电有限责任公司 孜比热木·阿布都克力木 肖吾开提·吐尔逊 王 清

1 引言

直流输电技术因其传输损耗小、线路占地面积小、输电距离远等优点已广泛应用于电力系统，但其复杂性和高压大电流等特性使得故障问题不容忽视。直流系统故障的保护与隔离技术研究对于保障系统安全和提高电力系统可靠性至关重要。本文旨在深入研究直流系统故障的保护与隔离技术，并通过试验验证其可行性和有效性，为直流输电技术的进一步发展提供技术支撑和参考。

2 直流系统常见故障类型

2.1 短路故障

短路故障是直流系统中常见的故障类型之一，通常由导体之间直接接触或接触电阻较小等原因引起，会导致系统电流瞬间增大，对设备造成严重的损坏，甚至引发电网事故。极间短路和支路短路是两种常见的短路故障类型。极间短路通常由隔离开关未能完全切断或断开电缆连接等原因引起，需要尽快隔离故障支路，避免损坏设备。支路短路通常由设备老化、绝缘击穿、接触不良等原因引起，需要及时隔离故障支路以保护设备和系统的安全运行[1]。

2.2 接地故障

接地故障是指直流系统中出现的导体与地之间发生短路故障，导致系统中的电流流向地面。接地故障通常由于设备损坏、绝缘不良、地线连接不良等原因引起。接地故障会对系统安全运行带来严重影响，容易引发电弧、火花放电等问题，严重时甚至可能造成人员伤亡和设备损坏。接地故障的处理方法主要是对接地故障进行隔离和修复，避免电流继续流向地面，同时需对系统进行漏电检测和故障定位。为了防止接地故障的发生，需要加强对设备和绝缘的检查和维护，并采用适当的接地保护措施，如接地保护装置、接地电阻等。

2.3 开路故障

开路故障是指直流系统中某一导体或支路发生断路，导致电路无法正常通电。开路故障通常由于电缆老化、接头松动、设备故障等原因引起。开路故障会导致系统中的电流瞬间中断，可能造成系统中设备的损坏和影响电网的稳定运行。处理开路故障的方法主要是对断路处进行维修和更换，同时需要对系统进行检测和诊断，以确定故障的具体位置和原因。为了防止开路故障的发生，需要定期检查设备和电缆的状况，及时更换老化的部件，提高设备的可靠性和稳定性[2]。

3 故障支路保护与隔离技术

3.1 保护原理及分类

直流系统的保护是指在系统故障发生时，及时采取措施，避免故障扩散和蔓延，保护设备和系统的安全运行。直流系统的保护按照保护原理和实现方式可以分为多种类型，如电气保护、机械保护、光纤保护等。常规直流系统保护分类及其原理详见表1[3]。

表1 常规直流系统保护分类及其原理

3.2 隔离原理及分类

隔离保护是直流系统中常用的保护措施之一，主要是通过隔离故障支路或切断电源等方式，将故障区域与正常区域隔离开来，避免故障扩散和蔓延，确保系统的安全运行。

3.2.1 机械隔离

机械隔离是一种通过机械装置实现隔离的保护方式，主要应用于直流开关等设备中。机械隔离通过断开开关触头或切断电源，将故障支路和正常支路隔离开来，从而避免故障扩散和蔓延。

3.2.2 电磁隔离

电磁隔离是利用电磁原理实现隔离的保护方式，主要应用于继电器、电感器等装置中。电磁隔离通过切断电磁继电器的电路，将故障支路和正常支路隔离开来，从而达到保护系统的目的。

3.2.3 光电隔离

光电隔离是利用光电元件实现隔离的保护方式，主要应用于光电隔离器、光电耦合器等装置中。光电隔离器通过光电传感器将输入信号转换为电信号，再通过光电耦合器隔离输出信号，从而实现故障支路和正常支路的隔离保护。

3.2.4 绝缘隔离

绝缘隔离是利用绝缘材料实现隔离的保护方式，主要应用于电缆、绝缘子等设备中。绝缘隔离通过在故障支路和正常支路之间加装绝缘体，阻止电流在故障支路和正常支路之间流动，从而实现隔离保护。

3.3 综合保护与隔离技术

3.3.1 多重保护联锁

多重保护联锁是将多种保护方式结合起来，实现多重保护和联锁保护。例如，在直流系统中，可以通过电流保护和电压保护相结合，实现对系统的多重保护；同时，还可以设置联锁保护，当系统发生故障时，自动切断电源，避免故障扩大。

3.3.2 双重隔离保护

双重隔离保护是指在直流系统中采用两个以上的隔离装置，实现对故障支路的双重隔离保护。例如，在直流输电线路中，可以在两端分别设置断路器和隔离开关，实现对故障支路的双重隔离保护，提高系统的可靠性。

3.3.3 智能保护系统

智能保护系统是指利用现代计算机技术和通信技术，实现对直流系统的智能保护和自动化控制。智能保护系统可以实时监测直流系统的运行状况，对故障进行快速检测和定位，并通过多重保护措施实现对系统的保护。

4 试验验证

4.1 试验方案

为了验证直流系统故障支路综合保护与隔离技术的有效性，设计了一系列试验，并设计了一个带有智能保护系统的保护装置，智能保护系统来实现试验过程的自动化控制和数据采集。试验原理图如图1所示。

图1 试验图

4.2 智能保护系统设计

采集设备：该智能保护系统内有传感器可以采集电流、电压、功率、温度等数据。

控制设备：该设备可以通过断路器、隔离开关等装置实现对直流系统的开关控制，实现对系统的保护和隔离措施。

数据处理模块：该模块可以对采集的数据进行处理、分析和诊断，实现对系统运行状态的监测和故障诊断。

数据模块的代码如下。

// 假设采集到的数据存储在 data 数组中，数据格式为 [电流，电压，功率，温度]

代码中，假设采集到的数据存储在data 数组中，数据格式为[电流，电压，功率，温度]。然后通过对数据的分析和处理，判断是否存在故障，如果存在则返回故障类型和原始数据。这样的一个数据处理模块可以用于实现对直流系统的实时监测和故障诊断。并将指令下达给控制设备，实现功能。

4.3 试验装置

为了实现试验方案的实施，利用实验室搭建的直流系统，并采用保护和隔离装置，包括断路器、隔离开关、继电器等装置，对直流系统进行保护和隔离。同时，采用智能保护系统对试验装置进行自动化控制和数据采集。

4.4 试验结果与分析

4.4.1 故障检测

通过试验发现，智能保护系统可以准确地检测到直流系统中的各种故障，如短路故障、接地故障、过载故障和温度异常等。并且系统可以快速响应故障，采取相应的保护和隔离措施，保证直流系统的安全稳定运行。故障检测结果详见表2。

表2 故障检测结果

4.4.2 数据处理和分析

智能保护系统还可以对采集到的数据进行处理和分析，提供有用的技术支持和决策依据。例如，可以通过对数据的统计和分析，了解直流系统的运行状况、负载情况和电气参数等，并及时采取相应的措施，保证系统的运行效率和可靠性。

4.4.3 可靠性和稳定性

智能保护系统的试验结果表明，该系统具有较高的可靠性和稳定性。系统可以在极短的时间内检测和响应故障，保护系统的安全稳定运行。同时，系统的硬件和软件设计都充分考虑到了系统的运行特点和要求，具有较好的适应性和可扩展性。基于试验结果和分析，智能保护系统可以实现对直流系统的智能保护和自动化控制，提高直流系统的安全性和可靠性，为直流输电技术的发展提供了有效的技术支持和保障。

5 结语

本文研究了直流系统故障支路综合保护与隔离技术，并设计了一个基于智能保护系统的试验验证平台进行试验验证。通过试验结果和分析，得出了智能保护系统可以实现对直流系统的实时监测、保护和隔离控制，具有较高的可靠性和稳定性，并可以对采集到的数据进行处理和分析，提供有用的技术支持和决策依据的结语。本文建议在直流系统的设计和应用中，充分考虑直流系统的故障保护和隔离措施，并采用智能保护系统等先进技术，提高直流系统的安全性和可靠性，推动直流输电技术的发展和应用。