低压直流配网故障在线快速检测和定位方法研究

低压直流配网故障在线快速检测和定位方法研究

李树群

黑龙江省大兴岭地区新林供电局 黑龙江 大兴安岭 165000

 

摘要：低压直流配网（LVDC）相较于传统交流配网有诸多优点，他可以较为方便地接入可再生能源发电，在同等电缆容量下输送能力更高，网损更小等。日本福冈已经将直流配网推广应用。但是直流配网发生故障时较传统交流网络可靠性较低，主要是由于换流器在故障时的特性，并且保护装置性能不足等。因此直流配网的故障诊断和识别是十分重要的一个环节。本文基于低压直流配网故障在线快速检测和定位方法研究展开论述。

 

关键词：低压直流配网故障；在线快速检测；定位方法研究

 

引言

 

通信直流配电系统作为通信系统的“心脏”，负责将整流器输出的直流电输送到各通信设备并给蓄电池充电，安全可靠不中断是对通信直流配电系统最基本也最核心的要求。通信直流配电系统多采用整流器并联冗余、双回路供电、分路高阻配电等方式来提高系统的可靠性。相比低阻配电，高阻配电在限流和限压上具有一定优势，

 

1低阻配电和高阻配电

 

通信直流配电系统中，有低阻配电和高阻配电两种方式。传统的二级直流配电系统中，采用汇流排将整流器输出电源配送到各用电设备，整流器距用电设备较近，配电线路上电阻很小，故称为低阻配电。高阻配电是相对低阻配电而言的，所谓高阻来源于负载回路电阻或配电柜内人为增加的电阻，一般当负载回路上的电阻值大于蓄电池内阻的5~10倍时即为高阻配电。设定电源系统电压54V，低阻配电方式下，若负载回路电阻等于蓄电池内阻，当某一支路负载短路时，短路电流极大，由于蓄电池内阻的存在，蓄电池输出电压将下降27V，过低的电压将严重影响其他支路设备的正常工作，同时过大的短路电流也会对蓄电池造成一定损害。而高阻配电方式下，若负载电路电阻为电池内阻的5~10倍，当某一支路短路时，由于负载回路上的电阻值较高，短路电流被限制在一定数值之内，而电池输出电压仅下降5~9V，完全能够满足其他支路设备的正常工作。高阻配电在负载短路时的限流和限压作用可有效提高系统的可靠性，但也有人提出两个问题：一个是由于负载回路电阻较高，导致蓄电池放电时不允许到达常规终止电压，否则负载电压会偏低；另一个是负载回路电阻造成的损耗。

 

2固体介质故障模型

 

经验表明，８０％的配网故障都是由绝缘击穿引起的，而配网设备又以固体绝缘居多，固体介质一旦发生击穿就不可逆转。基于固体介质击穿理论，可分析击穿电压对故障查找的影响。在电场作用下，固体介质可等效为由不随外加电压变化的线性电阻Ｒ和随外加电压变化的非线性电阻Ｒｋ串联组成。

 

Ｒｋ的非线性由固体介质的电击穿原理决定。固体介质的伏安特性曲线如图２所示。当外加电压较低时，主要是离子电导起作用，电压和电流呈线性关系（区域１）；电压逐渐增加，在某个范围内仍是离子电导起作用，但电压电流呈非线性关系（区域２）；电压继续增加，超过某一界限后，电子电导开始起作用，此时电压电流可近似采用线性模型代替，但是等值电阻已急剧降低为很小（区域３）。

 

当电压小于ｕ２时，回路电阻（１／ｇ１）为两个线性电阻的串联，Ｒｋ为线性；电压大于ｕ１而小于ｕ２时，可简化为二阶多项式构成的非线性函数，此时介质发生电离，非线性电阻Ｒｋ随电压升高而减小，回路电阻也随电压升高而减小；当电压大于ｕ２时，固体介质内部存在的少量带电粒子作剧烈运行，与固体介质晶格结点上的原子发生碰撞电离，形成电子崩，导致介质击穿，回路电阻主要由Ｒ决定（通常情况下Ｒ很小），ｇ２近似等于１／Ｒ，ｕ２为介质的击穿电压。

 

3直流配电网协调控制技术

 

直流配电网控制按系统级别可分为单元级、微网级和配网级。总得来说，目前电力电子变换器的单元级和直流微电网层面研究较多，配网层面的研究较少，需要在前两者基础上研究相关的直流配网控制理论和技术，以支撑直流配电网发展。（1）单元级控制，在直流配电网中，单元级控制主要是电力电子变换器的控制。根据微电网和配电网运行要求，各变换器对电压、电流和功率进行控制，以保证各单元及系统正常工作。目前，关于分布式电源及负载到低压配电母线间接口电路的研究较多，包括AC/DC变换器和DC/DC变换器，高低压配电母线之间接口电路的控制相对复杂。在现代柔性直流配电网领域中，基于高频隔离和链式变流技术的功率变换系统是研究热点。（2）微网级控制，直流配电网中微网级控制，主要可以分为母线电压控制和电能质量管理两类。母线电压控制。直流微电网中，分布式电源和负载均通过变流器与直流母线并联，为了抑制环流并维持直流母线电压的稳定，需要对各并联变流器进行均流控制，常见的并联均流控制有集中控制、主从控制和无主从控制。电能质量管理。直流微电网运行过程中可能出现分布式电源出力波动或负荷的瞬时接入、切除等瞬态事件，引起直流母线电压的闪变，影响正常供电，甚至引起保护控制系统误动作，导致整个直流微电网崩溃。为了保证系统中的功率支撑，常用超级电容、飞轮储能或超导储能等功率型储能器件对电能质量进行管理。为了保证系统中能量供需平衡，需要对系统中的分布式电源、储能及负荷进行优化配置和管理。

 

4交流侧接地故障对直流配电网电压平衡影响

 

总结现有的关于柔性直流配电网体系结构方面的研究，直流配电与直流输电的一个重要区别在于配网有大量负荷端接入，任何一个负荷端故障都会影响到整个系统的电压稳定。最大限度地减小故障对整个系统的影响，使系统能在故障消除后快速恢复是直流配网保护研究的一个重要内容。交流侧不对称故障中的零序电压分量会引起直流侧正负极电压的工频共模波动，在直流侧电容中点直接接地时会进一步导致正负极电容电压的不平衡，影响故障消除后系统恢复。但尚无文献针对换流器交流出口处不对称故障下零序电压分量对直流电压的影响进行定量分析。针对直流配网中换流器交流出口处的单相接地故障，对故障下直流侧正负极电容电压的响应进行了推导；通过解析求解的方法对故障下正负极电容电压的平衡和故障消除后直流正负极电压的恢复过程进行了深入研究，以故障消除后正负极电容电压保持平衡及系统直流电压的快速恢复为目标，对电容中点接地电阻的取值进行了研究。得出以下结论：1）换流器交流出口处发生单相接地故障，直流侧正负极电容电压的零状态响应分量是由故障零序电压决定的工频分量，会引起正负极电容电压的工频共模波动。2）电容中点接地电阻RN的取值远大于正负极电容的工频电抗就能消除故障下正负极电容电压的工频共模波动，进而在故障消除后使直流正负极电压能自动恢复对称平衡。3）直流侧电容中点接地电阻取值越大，故障后直流正负极电压的恢复时间越长，故从故障后直流电压恢复的角度，选择接地电阻时因尽可能取较小值。电容中点接地电阻的取值应根据实际系统对工频共模电压的抑制要求和对故障后直流电压恢复速度的要求结合(2)和(3)进行综合考虑。

 

结束语

 

针对以上研究中存在的低压直流配网故障检测定位效率较低、阈值设定对不同故障类型差异性不明显等问题，本文提出一种针对直流配网的故障检测方案。利用过电流保护机制的原理、电流的一阶导数和二阶导数、以及信号处理技术，利用多个阈值来区分低阻抗故障的欠阻尼特性、高阻抗故障的过阻尼特性等。这些阈值均可从电流中抽取。另外，利用叠加潮流的方法求解故障定位，故障极的判断也在本文研究范围内。

 

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