直流系统电流电压快速保护系统

李虎

摘要：社会进步迅速，我国的现代化建设的发展也有了改善。直流系统发生过流或过压故障时，相关电气设备所受损伤与故障存续时间有直接关系。当发生严重过流或过压故障时，有必要通过快速保护系统切除故障来减轻故障的影响。本文设计了一套响应迅速、结构简单的直流电流电压快速保护系统，可在直流系统出现过流故障（如短路）或过电压故障（如整流模块异常）时快速响应，输出稳定信号送至开断元件控制回路，以作用于故障隔离，缩短直流系统设备经受故障的时间。

关键词：直流系统;电流电压;快速保护系统

引言

变电站直流系统是电力系统的重要组成部分，通常用作控制、保护、信号指示、自动装置、事故照明等负荷的电源。直流系统是绝缘系统，正常情况下，正、负极对地绝缘电阻值相等，对地电压平衡。直流系统发生一点接地时，正、负极对地电压发生变化，接地极对地电压降低，非接地极电压升高。此时，并不影响直流系统运行，如果再发生第二点接地，就可能造成断路器保护回路的误动、拒动，或者引起直流电源短路。因此，当直流系统发生一点接地故障时，应快速查找接地点并及时消除故障隐患。

1概述

直流系统在变电站中为控制信号继电保护自动装置和事故照明等提供可靠直流电源。直流系统采用的是双极对地绝缘运行方式，当发生正极接地时，由于电磁操作机构跳闸线圈通常接于负极电源，若回路发生接地或绝缘不良，会引起保护误动;当发生负极接地时，如果回路有一点接地，就容易造成跳闸或合闸回路短路，使继电保护拒动或断路器拒动或熔断器熔断。因此，直流系统不允许一极长时间接地运行。以往拉路法查找直流接地的方法，根据接地信号是否消失来判断故障范围，并隔离故障元件。拉路法更容易对装置造成冲击，以致装置误发信号，且存在危险性。随着继电保护及自动装置微机化，使用在线式接地自动选线装置进行查找接地成为一种普遍方法。

2故障查找方法

2.1绝缘检测装置查找法

目前，微机型绝缘检测装置在直流系统中已得到普遍使用，它能实时检测直流母线和各馈电支路的绝缘状况，并显示直流系统正常工作的合母电压、控母电压、正负母线对地绝缘状况等信息。在各条馈出直流回路上均安装漏电流传感器，输出电压信号至绝缘检测装置。当系统发生直流接地故障时，绝缘检测装置对各条分支线路所采集信号进行分析判断，自动完成查找接地支路的功能，并将故障信息传输至直流电源综合测控装置及后台监控机。测控装置发出故障报警信号，并显示接地回路的编号、正负极对地电压及电阻的数值。

2.2瞬时拉路法

未安装微机型绝缘检测装置的直流系统，可采用瞬时拉路法查找接地故障点。故障点拉路查找时，一般先拉室外，再拉室内;并根据负荷的重要性，先拉对安全影响较小的信号、照明回路，再拉合闸（储能）回路，最后拉控制保护回路。拉路时，切断各直流分支回路的时间一般不超过3s。

3直流系统电流电压快速保护系统

3.1叠加低频信号法

母线采集电压信号元件取出正极对地电压和负极对地电压，A/D转换后显示正极对地电压及电阻，负极对地电压及电阻，越过定值告警。支路检查用极低频信号源（小于9Hz），馈入直流系统与地之间，用小型电流互感器（TA），同时穿套在各支路的出线上。由于通过互感器直流电流大小相等，方向相反，产生的磁场相互抵销，互感器不反映直流电流部分的信号。注入在正负母线上交流信号幅值相等，方向相同，在互感器二次侧输出电流正比于通过正、负极对地电阻和电容的电流的相量和，设发送信号频率为f，有效电压为u，接地电阻为Rg，分布电容为C，则流过Rg的电流为：IR=U/Rg，而流过分布电容上的容性电流为：Ic=U/（1/2πfc）=2πfcu，将电阻性电流和电容性电流分开，取电阻性电流分量，经A/D转换器送至微机进行数据处理，显示支路号和对应的对地电阻值。

3.2配电网的有向拓扑描述

配电网的拓扑结构主要有串联型和并联型，由于并联型可靠性较高，因此应用广泛。并联型网络又分为树状和环状，无论是何种网络结构，均由开关和架空线路以及各种其他器件构成。因此简化网络组成，进而得到配电网的有向拓扑。因此由定义可将配电网线路交点看作顶点，将相邻两顶点之间的馈线看成边，则配电网可看作是一个图，这时配电网中顶点和馈线的联结关系就可用图的定义来描述，进而可采用定义2中的邻接矩阵对配电网进行拓扑描述。考虑流过配电馈线上的电流方向，当发生故障时，电流方向会发生突变，则可将配电网的馈线看作有向边。假设配电网中的节点个数为n，对应地用n阶邻接矩阵D描述配电网络（下称网络拓扑矩阵）。若节点i和j之间存在一条由i指向j的边，则矩阵D中元素dij=1;若节点i和j之间存在一条由j指向i的边，则矩阵D中元素dij=-1;其余情况元素皆为0，且末端节点也全部置0。即各个电流互感器的正方向规定为临近顶点指向线路。

3.3动作过程

假定对于直流电流测量装置输出信号，判别是否有过流故障的阈值为USET，发光二极管开启电压为UTH，则运算放大器增益A只要满足A×USET=UTH，本文設计的系统就能实现直流系统快速过流保护。正常运行时，直流电流测量装置的输出信号始终小于USET，则A×u（t）

3.4对直流接地选线装置运行维护及选型的建议

（1）根据变电站直流系统规模特点，选择选线方法合适的接地选线装置.（2）安装调试时，必须在支路的首端、中端及末端进行不同电阻的接地试验。（3）对低频信号注入法接地选线装置，还要直流支路在不同对地电容值下，检测装置对电阻性电流及电容性电流的分辨能力;或选用有双频信号发生器接地选线装置。（4）支路编号必须准确，显示一致，否则无法进行准确查找。（5）定期进行人工巡检试验，每年要进行一次全面接地检测预试。（6）由于技术上的局限性，不要过度依赖接地选线装置，还须结合传统的查找接地方法加以判断，以提高查找准确性和效率。

结语

变电站直流系统是否安全可靠运行直接关系到供电系统的安全稳定，检修工作人员要了解直流电源的工作原理，熟悉直流供电回路及断路器等设备的二次控制保护原理及接线情况。在故障查找、判断时，应多留意各类监视设备指示、天气变化、有无操作等信息，并总结各类故障查找方法，积累故障处理经验。

参考文献

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[2]张颖超，龙江涛，郭振，等.基于新型混合储能结构的独立光伏发电系统[J].太阳能学报，2014，35（12）：461—2467.