[科普中国]-直流配电系统保护技术

背景

在过去的100多年间，交流系统凭借着传输方便、灭弧容易等优势在电力供应中占据着统治地位。然而，随着经济、社会的发展，电力负荷迅速增长，传统交流输配电受到供电半径的限制。特别是电力电子装置的大量应用、电气化轨道交通的快速发展，给交流配电系统注入了大量谐波，严重影响了电网的电能质量1。

近年来，学者们重新审视电网输配电技术，直流技术重新成为研究热点，高压直流输电直流配电系统、直流微网、交直流混合供电等概念应运而生。全控型电力电子器件的发展更是让直流技术迎来了发展的新纪元。在直流输电、铁路牵引、舰船系统、通信系统、数据中心、工业园区及商业中心供电等领域，直流系统已得到成功应用，展现出供电容量大、线路损耗小、电能质量高、无需无功补偿等优势2。

将直流技术应用于城市中心供电，建设城市直流配电系统，解决城市电网负荷容量大、供电走廊紧张、函需提升电能质量等问题，是直流技术下一步发展的愿景。但没有成熟、经济的直流断路器及缺乏实际工程运行经验成为了这一技术发展的瓶颈。首先对直流配电系统的概念、保护技术研究的困境进行介绍，指出直流配电系统故障保护的特殊性。然后阐述直流系统故障隔离和限流装置的发展现状，总结直流配电系统的保护策略。最后对直流配电系统保护技术的研究做出展望。

直流配电系统目前，直流技术的研究主要集中在高电压等级(几百kV)的输电领域及低电压等级(1 kV以下)的铁路牵引、舰船系统等特殊领域。绿色能源概念的提出，使分布式电源得到了快速发展，越来越多的新能源需要并入到配网中来。太阳能光伏发电、燃料电池等直接产生直流电，与传统交流电网相连需要DC/AC变换;其他绿色能源如燃气轮机、小型水电、风电等，产生频率各异的交流电，需要对其进行整流再逆变后才可以并网。由于换流器损耗较大，增加的换流环节造成控制复杂的同时也大大降低了绿色能源的利用率。将直流技术扩展到配网电压等级为解决这一问题提供了一种新路径。直流配电系统与交流配电系统相比还具有最大传输功率高、线路损耗小、电能质量高、便于储能系统接入等潜在优势3。

有文献根据直流电压等级的高低将直流网络分为3种:低压直流电网、中压直流电网及高压直流电压。欧盟委员会在2006年发布的低压法令(LVD2006/95/EC)中同样规定低压电网直流电压不超过1 500 V。研究表明，目前大多数为交流供电系统设计的负载，如热阻性负载、电力电子类负载、交直两用电机等，可以在直流条件下正常使用，并可适应较宽范围的直流电压水平将直流技术应用于城市中心供电，需要将低压直流配电进一步扩展到中压直流电网。目前，中压直流电网主要应用于海上风电场并网及军用舰船系统。在中压侧使用AC/DC变换器将交流变换成直流后，再在近用户端通过高功率DC/DC变换器将电压变换到适当电压等级供用户使用中压直流配电系统的拓扑结构和电压等级目前还没有统一标准。有文献认为直流配电网有环状、放射状及两端配电3种基本拓扑结构，但不同拓扑结构的可靠性有待进一步研究。在实际工程中，中压直流配电网的设计需要考虑用户规模、负荷特性、分布式电源特性、电能质量要求及投资等因素进行综合评估。

直流配电系统的保护分区与故障类型直流配电系统的保护系统包含测量装置、继电器、出口断路器、隔离设备等。保护系统的设计应满足可靠性、速动性、选择性、经济性等要求。柔性直流输电保护系统针对各主要设备和故障类型，将系统划分为交流侧保护、换流器保护、直流侧保护(直流输电线路保护))3个区域。但与柔性直流输电系统不同的是，直流配电系统直流线路T接负载及分布式电源支路，故障类型要复杂得多。以中压直流配电系统为例，保护区域大体可以分为交流电源侧保护、变换器保护、直流网络保护、负载保护4部分，各区域可能发生的故障类型或不正常运行方式主要包括4：

1)交流电源侧保护。交流电源侧可能发生各种类型的线路短路或者断线故障，同时也需要考虑交流变压器的保护。另外还包括由于操作或甩负荷引起的过电压、低电压、电压骤降及三相系统不平衡等不正常运行方式。直流配电系统保护设计需要考虑交流电源侧故障对直流网络运行及保护的影响。

2)变换器保护。直流配电系统中的变换器包括AC/DC换流器、DC/AC换流器及DC/DC变换器。变换器是直流配电系统的核心，也是保护设计关注的重要部分。变换器故障主要有阀短路、桥臂短路、变换器交流侧或直流侧出口短路、脉冲触发系统故障、冷却系统故障等。变换器的保护由装置自身保护和系统提供的后备保护实现，在直流配电系统保护设计中需要考虑变换器自身保护动作对系统保护的影响和与系统保护的配合。

3)直流网络保护。直流网络保护主要指直流母线和直流馈线的保护，是直流配电系统保护的核心。根据实际需要不同，直流系统接线可以采用单极接地或中性点接地，线路可以采用架空线或直流电缆。直流线路故障包括接地故障、极间故障及断线故障，另外还存在绝缘水平下降、低电压或过电压等不正常运行方式。电缆线路故障一般为永久性故障，对架空线路来说还会发生雷击、污闪等引起的暂时性故障。

4)负荷侧保护。直流配电系统同时存在直流负荷和通过逆变器接入的交流负荷，光伏、小型燃气轮机等分布式电源及储能也囊括在负载保护区域。负载保护区可能发生的故障有短路、过载等。储能电池通过双向换流设备接入直流网，在保护设计时需考虑其能量流动的双向性。

直流配电系统故障与保护特殊性如前所述，直流网络保护是直流配电系统保护的核心，而直流线路的故障特性又与换流器结构类型密切相关。为保证系统电压和功率的可控性，提高电能质量，直流配电系统中的换流装置为电压源型换流器(voltage source converter VSC)，包括三相两电平、三电平或模块化多电平等结构，目前文献中所研究的低压配电一般为三相两电平结构，故以下讨论也以三相两电平结构为主。传统交流系统根据几十年的运行经验，已经形成了一套比较完善的保护运行标准和规范，但直流配电系统与交流系统有很大不同，故障有其自身的特点，主要体现在以下几个方面:

1)故障电流上升迅速。当直流线路发生接地故障时，VSC直流侧并联的滤波电容首先在极短的时间内对故障点放电，造成线路电流迅速上升，这对保护监测和隔离装置的速度提出了很高的要求。并且直流线路发生短路故障后，VSC在自身保护的作用下锁定绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但与IGBT反并联的续流二极管仍连接在电路中，交流电源通过二极管持续向故障点释放不控整流电流，使短路电流不能自然衰减。

2)影响范围广。直流配电系统中的大部分并网单元都通过换流器接入，当直流线路上任何一点发生接地故障时，与之相连的换流器出口电容都会向故障点放电，造成直流电压的迅速下降，影响相关设备的使用。特别是交流电源、电动机等单元还会通过续流二极管持续向故障点提供短路电流。另外，故障发生在交流电源侧或负荷侧时，会引起出口直流电压的变化，对非故障区域造成影响。

3)故障定位困难。高压直流输电电缆线路频变参数明显，目前主要采用行波法进行故障定位，另外学者们还提出了利用电流固有频率、基于参数识别原理等故障定位方法。与高压直流输电不同的是，直流配电系统线路T接负荷和分布式电源，需要精确故障定位，但直流配电系统电缆线路长度短，精确的故障定位比较困难，特别是系统高阻接地时，故障检测更加困难。

4)缺乏直流断路设备。与交流相比，直流电流没有自然过零点，灭弧困难得多，消弧需要更大的空间，控制也更加复杂。目前可商业应用的直流断路器容量有限且价格昂贵。没有低成本可商业应用的大容量直流断路器和缺乏工程实际运行经验是直流配电系统保护设计面临的挑战。

5)多种电力电子装置影响。近年来，随着电力电子技术的发展，直流断路器技术不断取得新的突破，也有不少学者提出了利用换流器来限制和切断故障电流，另外还出现了多种具有故障限流能力的换流器和故障电流限流装置(FCL)5。

直流系统故障隔离装置直流配电系统直流线路发生故障时，故障电流上升迅速，可以在极短的时间内给系统设备造成热的或电的损害。

VSC的过电流承受能力也非常低，仅为额定值的2倍。这都要求直流线路保护装置能够快速有效地切除故障，直流断路器无疑是最理想的选择。直流配电系统中应用直流断路器可以大大提高系统供电可靠性，在低压和中压等级已有可应用产品。但目前可商业应用的直流断路器容量有限，并且价格昂贵，因此，学者们提出了其他几种可以应用到直流配电系统中的隔离设备，如保险丝、交流断路器、快速隔离开关等6。

1)直流断路器。

根据拓扑结构和灭弧原理的不同，直流断路器大体可以分为全固态断路器(CB)、带机械隔离开关的混合固态断路器,混合式断路器、机械式有源或无源共振断路器。整体来讲，全固态断路器开断时间和能量吸收时间短，但静态损耗很大;机械式有源或无源共振断路器静态损耗极小，但开断时间和能量吸收时间却很长。

2)保险丝。保险丝基于热融化的原理，且电压、电流的额定值是以有效值的形式给出的，故对交、直流系统都适用。但在直流系统中使用保险丝时，必须考虑系统时间常数。系统时间常数决定了暂态电流的上升时间而非稳定值。小的时间常数(6 ms)，熔断材料的温度上升缓慢，当电弧最终形成时，不能被

能量吸收材料充分冷却。另外，应用在直流系统中的保险丝还应能承受轻度过电流，以防止误动作。保险丝适用于需要快速保护响应且不需要自动重新供电的装置的保护，目前主要应用在铁路牵引、矿业、蓄电池保护系统、辅助低压电力供应系统等场合及直流配电系统负荷侧保护。

3)快速隔离开关。快速隔离开关是纯机械式的开关，不具备带电通断的能力。与交流系统中的隔离开关相同，快速隔离开关需要安装在每一条线路的两端，当线路故障清除后，打开隔离开关形成物理隔离。

4)交流断路器。交流断路器一般装在VSC交流电源侧，当直流线路发生故障时，通过动作交流断路器来达到隔离电源、切断短路电流的目的。

故障电流限流装置故障电流限流装置可以限制故障电流的上升率或稳定值，甚至可以切断故障电流，可以在一定程度上弥补直流断路器容量的不足。将限流装置与隔离设备或小容量直流断路器相结合，可以形成直流配电系统保护替代方案。

电容直流断路器直流线路故障时，滤波电容的快速放电电流不仅对整个系统造成威胁，而且还有可能损坏电容器本身。有文献提出用一种基于发射极关断晶闸管的电容直流断路器。可以在3-7s内切断电容放电电流，从而保护系统和电容。需要注意的是，电容电流的突然切断会使直流线路失去电压支撑，直流电压骤降为零，但目前国内外文献尚未对这一问题展开讨论。

具有限电流能力的换流器在短路过程中，VSC中与IGBT反并联的续流二极管因为要承受极高的过电流，也是极易损坏的器件。有文献对VSC进行简单改造，提出用具有电流关断能力的ETO或者IGBT代替反并联二极管。当直流侧发生短路时实现VSC完全关断，将故障点与电源隔离。与电容直流断路器类似，在保护系统设计时需要考虑具有限流能力的换流器与直流线路主回路的保护配合问题。

故障电流限流器除了以上2种限流措施，专门的故障电流限流器FCL也引起了学者们越来越多的关注。FCL在故障发生时可以快速反应，限制故障电流，并可以与直流断路器相结合，根据直流断路器限电流水平控制故障电流，以确保直流断路器可靠地切断故障电流。目前出现的FCL主要有以下几种7：

1)基于超导材料的FCL，FCL电路主通路采用超导材料，在电路正常工作时正向导通压降很小，静态损耗小。当故障发生时，FCL进入非超导状态，阻值迅速增大，从而达到限制故障电流的目的。基于超导材料的FCL需要特殊的冷却系统，超导材料也需要特殊的保护。这一技术目前尚处于实验阶段，还没有可应用产品。

2)基于饱和电抗器的FCL。基于饱和电抗器的FCL则利用了电抗器的饱和效应，在电路正常工作时，使电抗器处于电磁饱和状态，导通电阻如同输电线路;当故障发生时，控制回路使电抗器退出饱和状态，对外表现出大电感特性，从而限制故障电流上升率。基于饱和电抗器的FCL的主要缺点是体积很大，制造困难，并且只能限制故障电流上升率。

3)基于正温度系数电阻的FCL。与基于超导材料的FCL原理类似，基于正温度系数电阻的FCL电阻值在温度低时很小，但当温度升高时，可以在几毫秒的时间内迅速上升。但目前可用的PTC电阻的电压、电流容量都较小，尚不能应用于大功率系统。过热会造成PTC电阻的损坏从而带来电路开断问题也是其应用的一个局限。

4)基于电力电子器件的固态FCL。基于电力电子器件的固态FCL，体积小、响应快，并具有全控能力。目前大部分固态FCL采用全控型的电力电子器件，如IGBT、集成门极换相晶闸管(IGCT)或门极可关断晶闸管(GTO)，故其静态损耗和导通压降较大。采用半控型的电力电子器件可以减少静态损耗和导通压降，但同时也失去了精确控制故障电流的能力。有文献提出一种将全控型和半控型半导体器件相结合的新型固态FCL，主通路采用晶闸管，同时辅以IGBT故障通路，在保留全控型固态FCL的电流精确控制的同时减少了静态损耗。

直流配电系统保护策略直流配电系统的保护策略、保护效果与主电路参数和控制策略密切相关，在保护系统设计时，应充分考虑与控制系统的配合，以使系统动态性能达到最优。控制系统根据系统参数和运行方式确定保护装置整定值，发送给保护系统;而保护系统将检测到的故障或异常信息及开关设备动作情况反馈给控制系统，控制系统实时调整运行方式，并确定新的保护整定值发送给保护系统。利用换流器的快速调节能力，将控制系统与保护系统相结合，可以形成自适应的保护系统，以提高直流配电系统故障情况下的不间断运行能力8。

保护配置针对不同的故障类型与故障位置，应配备不同的保护。国内外文献对直流配电系统保护配置尚无系统阐述，结合交流系统和直流输电系统保护系统设计，在直流线路安装直流断路器的情况下，直流配电系统保护配置可以考虑以下方面:

1)交流电源侧保护。交流电源侧保护比较复杂，包括换流器直流侧及交流侧的区内和区外故障。

2)变换器保护。由于变换器的冗余设计，当一个或多个IGBT故障时变换器仍可工作，保护装置只发出告警信号;但当损坏的IGBT超过一定数量时，需要闭锁变换器并跳闸。另外，由于换流站运行环境良好，内部母线、触发脉冲等发生故障概率较小，但故障一旦发生，往往比较严重，通常视为永久性故障，要求保护系统立即闭锁换流站并跳闸，以便检查故障原因，直到清除故障后再重新启动运行。

3)直流网络保护。直流配电系统一般采用电缆线路，直流网络故障多为永久性故障，主要包括接地故障和极间故障。直流线路发生极间故障时，保护应立即动作，隔离故障。接地故障的保护与直流线路接地方式有关。一般来讲，直流配电系统可以单极接地或中性点接地。目前已投运的基于两电平或三电平USC的柔性直流输电系统大多数采用直流侧电容中性点接地。而基于模块化多电平的柔性直流输电工程则在直流侧或交流侧构造人为中性点接地。无论哪种中性点接地方式，发生直流线路接地故障时直流断路器都必须立即跳闸。但不同的接地方式下，故障特征不同。

若直流配电系统为单极接地系统，则非接地极线路发生接地故障时即为极间故障。接地极发生另一点接地时，对直流线路没有影响，系统仍可正常运行，但会对周围设备产生影响，保护装置应发出告警信息，提醒运行人员排除故障。

4)负荷侧保护。当无源负荷发生故障时，保护系统立即跳闸，并发出告警信号。而当分布式电源或储能设备出口发生短路故障时，应根据线路过流情况，发出告警信号或直接跳闸。

此外，保护系统应配置故障录波和事件记录仪器，在直流配电系统出现故障或异常运行方式时自动启动，以便于分析故障的原因和查找故障设备。

故障检测方法直流配电系统交流电源侧的故障可以由传统交流配网的保护方法进行检测，此处只侧重于直流线路故障的检测方法。

对于直流线路上发生的过电压、过电流、低电压、过载等故障，可以通过检测直流线路电流和电压量来判断。当直流线路发生短路故障时，直流线路电流迅速上升，若电流增量超过整定值，同时直流电压低于整定值并超过一定时间时，则可以判定该线路发生故障。交流侧发生短路故障时，直流线路也会检测到一定的过电流和低电压。为区分交、直流侧短路故障，除设定不同的保护整定值外，还需要同时检测直流线路故障电流上升率。有文献还针对单电源多负荷直流配电系统提出了一种基于阻抗特征的故障检测方法。该方法在电源与负载接口处注入小信号正弦扰动电流，在复平面内画出电源输出阻抗与负载输入阻抗比值随频率变化的区域，由此判断系统的稳定裕度和确定故障模块。

其他故障隔离方案如前所述，直流配电系统故障电流发展迅速，要求保护器件在极短的时间内(某些情况下可能小于2 ms)检测出并隔离故障。鉴于尚无成熟、经济的直流断路器，不少学者在如何利用现有保护装置保护直流配电系统方面进行了探索。

有文献以简单多端直流配电系统为例，提出了基于过电流的分区保护方法。模型系统利用具有限制和切断电流能力的换流器、CDCCB及保险丝将整个系统隔离为整流器交流区、直流区、交流负载区和直流负载区。分区保护的方法不需要保护装置间的通信，故障就地检测和隔离，实现装置快速动作，并且省去了直流断路器，远端装置也可以形成后备保护。由于电压等级和故障限流能力的限制，分区保护目前主要应用在舰船系统。

也有文献针对多端直流系统提出了一种利用交流断路器和快速隔离开关隔离故障及恢复系统的方法一“握手”方法。当直流线路发生故障时，所有换流站锁定IGBT，选出潜在故障线路后断开交流断路器。当电弧熄灭后，打开潜在故障线路的快速隔离开关隔离故障。重合交流断路器，通过“握手”的方法恢复线路。此方法的优点是可以不使用直流断路器，使网架建设成本达到最小，但断电时间长、影响范围广。

具有故障限流能力的换流器和限流装置的发展给直流配电系统的保护设计提供了新思路，研发低成本、大容量的直流断路器或将限流装置与小容量断路器相配合是未来直流配电系统保护技术研究发展的两个方向。

结语直流配电系统的保护技术还有很大的研究空间，主要包括以下几个方面:1)低成本、大容量、可商业应用的直流断路器技术。2)故障电流限流装置与小容量直流断路器配合保护技术。3)具有故障电流限制或切断能力的换流器。4)快速的故障检测及实时通信技术。5)多端或多电压等级直流配电系统保护装置配合技术。6)系统接地对保护系统的影响。