直流配电系统接地故障分析与接地方式研究

直流配电系统接地故障分析与接地方式研究

李玲

内蒙古电力（集团）有限责任公司巴彦淖尔供电分公司  015400

摘要：直流系统是发电厂、变电站厂（站）用电系统中一个最重要的部分，它应保证在任何事故情况下，都能可靠不间断地向用电设备供电。直流系统绝缘故障可能造成继电保护及自动装置误动作，因此对直流系统进行深入研究，分析其故障类型，提出解决办法，对整个电力系统的安全运行具有重要意义。

关键词：直流配电系统；接地故障；接地方式

引言

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。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。

1.直流系统常见故障

一般情况下，绝缘降低和交流窜入不存在故障电流，只有对地电压会发生异常变化，但如果不能及时处理，最终会演变为接地故障。直流系统在正常运行的情况下，正负极是不接地的。当直流系统分支中的某一点出现接地故障时，直流系统的运行不受影响，但是接地故障必须及时发现和消除，因为如果此时再出现另一点接地，就会造成短路故障。绝缘降低和接地故障主要是通过绝缘监测系统进行故障报警，然后人工手持检测装置进行故障定位，最后人工隔离故障。但直流系统是不接地系统，故障定位比较困难，而且对于接在母线上的任何导线都不能遗漏，查找工程量大。便携式接地查找测试仪是最常见的检测装置，但兼容性差、抗干扰能力差、误报率高。传统的交流窜入故障检测方法主要是通过对直流支路正负极间电压及正负极对地电压进行采样和计算，判断支路中是否发生交流窜入直流故障。但是目前常见的交流窜入故障检测装置只能检测到交流窜入直流故障的发生，无法进行故障定位。

2.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110kV，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20kV，直流侧额定电流则取值为0.5kA，图中有5个换流器，所有换流器的直流电容为2000μF，其中①换流器和⑤换流器的换流电感为5.6nH。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2297.5V，电流值为1583.4A，⑤换流器右侧M5的电压值为976.6V，电流值为998.7A，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5833.0V，电流值为141.5A，⑤换流器右侧M5的电压值为5321.8V，电流值为6671.3A，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。

图1直流配电系统接地故障仿真分析模型

3.直流配电系统接地故障分析与接地方式

3.1故障选线判据

选线方案需记录一定时长的故障电流波形，以便提取故障暂态特征量。而暂态时间的长短决定于过渡电阻的大小，过渡电阻值越小，暂态过程持续时间将越长，一定时长内能够提取到的暂态信息量就越少。经过RTDS仿真验证(具体仿真参数见第4节)，本文所搭建电磁仿真模型中直流线路发生金属性接地后，故障零模电流达到第一个峰值所用时间约为0.27ms，达到第二个峰值时间约为0.9ms，再综合考虑暂态特征量的提取效果以及相关性系数计算时间长短，最终决定选定保护启动后3ms内60个零模电流采样点的波形作为故障电流波形。此外，还需记录故障发生之前一段时间正常的电流波形与故障后的电流波形共同组成样本电流波形，正常波形选取约10ms内200个采样点。

3.2早期故障识别判据

当系统处于较为恶劣的运行工况下，直流电子式量测装置受到较大的干扰时，使得差流的量测值偏大，可能会导致扰动注入启动判据误判。此时向系统注入电流扰动时，差动电流小于Iunb，max，使得波动电阻Rwav等于K，即其值大于注入前；若系统发生早期故障，波动电阻Rwav将因早期故障电阻的变小而变小。对于其他的故障位置，分析及判据推导过程与上述类似，这里不再赘述。通过上述分析可知，本文所提的启动与动作判据在正常运行情况下均为0，而在早期故障下均不等于0，存在明显差异，且不依赖于阻抗阈值的整定，尤其适用于此类微弱故障特征场景。控制保护可以由“三层两网”实现，“三层”是指单元层、站控层和监控层。本文利用站控层来启动故障区段所对应的DCT的主动控制，利用单元层来改变运行电压参考值，实现扰动信号的注入，由此构成主动注入式的早期故障识别方法。

3.3故障支路保护与隔离技术

在原有直流系统中，各条支路都是由直流系统母线直接供电的。一条支路发生故障时，故障就会迅速传播到直流母线或其他支路，从而影响整个直流系统甚至电网的安全稳定运行。支路发生故障时可在最短的时间内隔离故障，使故障的影响范围缩减到最小，又可精确定位故障支路。综合式保护装置的保护原理是基于直流变换器的控制原理和拓扑结构，在拓扑结构的硬件基础上，通过变换器控制电路控制保护动作。该装置基于多重保护策略，包括：初次上电保护，在输出电压到该馈线负载之前，对接地、环网、输入输出极性正反进行检查，确认无误后，输出直流电压，若有故障则无直流输出；运行中保护，对于每一次操作、每一次接线，都进行检测，避免因人为操作引起环网、接地、短路，如若有误则立刻报警；事故中的保护，给予用户权限，制定相应的保护级别，根据实际负荷确定保护动作与否。

结束语

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：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。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。

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