直流系统保护

1 直流微电网接地方式根据 IEC60364-1[19]对直流系统接地型式的定义，与交流系统一样，也可分为TT(T=电源侧直接接地；T=用电设备外露导电部分直接接地)、IT(I=电源侧不接地或经高阻抗接地，T=用电设备外露导电部分直接接地)、TN(T=电源侧直接接地，N=用电设备外露导电部分经保护线与电源侧共地) 三种接地型式IT 表示直流母线处(可以为正极、负极或中性点)不接地或经高阻抗接地，电气装置的外露可电导部分直接接地. 研究表明，对于不存在对地电容的直流系统而言，IT 系统的一次接地故障监测十分困难，用户也无法用电笔测试出该系统直流电的极性. 在IT 接地型式中，相比负电极，正电极与大地连接可以减小电腐蚀的效应。

当接地故障发生时，故障电流较小，仍可以保证负载的正常运行，因此现有低压直流系统也大多采用无中线的IT 系统，但由于故障电流小，导致其故障检测困难，容易引发二次极间故障TN 表示直流母线处(可以为正极、负极或中性点)直接接地，所有电气设备外露可导电部分均接到保护线上，并与上述接地点相连。

而我国传统交流系统中广泛使用的TN 系统(T电源侧直接接地，N用电设备外露导电部分经保护线与电源侧共地)，其优点在于能将接地故障转化为短路故障从而增大故障电流、利于保护设备的动作，但由电力电子变换装置提供电源的直流系统中，一般均含有大量对过电流敏感的电力电子器件，该特性能否在直流系统中发挥同样的优势需作进一步的探讨。

TN 系统发生接地故障时，会有较大的故障电流和电压暂变现象，这会影响连接在故障电极上的其他负载运行，该接地方式故障容易检测并快速清除。

考虑到目前家用设备接地保护线与交流零线电位差限制，未来直流微电网在给住宅、学校、商业建筑和工业区域供电建议采用TN系统。

2 直流微电网故障类型根据故障的类型进行划分，可将直流微网的故障分为接地故障和极间故障，如图16 所示。

接地故障依据故障阻抗大小可分为高阻抗接地和低阻抗接地故障，极间故障阻抗通常较小。

上述两种类型故障位置即可位于母线处，也可位于馈线处。

直流微电网接地故障对系统的影响则依据系统的结构与接地形式的不同而不同。

对于不接地或经高阻抗接地(如IT 系统)的直流微电网系统，接地故障的快速检测与定位仍是难点之一。

直流微电极间故障多为短路故障，故障检测与定位相对容易。

以双极性含中线的三线制直流微电网结构为例，正、负极间故障最为严重，将影响到所有连接至该母线处的分布式电源、储能单元、交直流接口DC-AC 变流器与负荷的正常供电；若发生在正极与中线或负极与中线的极间故障，若能进行快速隔离，则可以保证未故障极间的供电连续性；在馈线末端发生极间故障时，其对直流母线电压的影响主要取决于故障回路阻抗和故障切除时间。

3 熔断器和高压直流断路器国内外的学者和研究机构对于高压直流分断技术进行了广泛而深入的研究，先后研制出了基于不同原理的高压直流断路器。

2012 年ABB 公司研制出了世界第一台直流电网用的混合式高压直流断路器样机，并成功进行了80 kV/5 ms/9 kA(额定电压/分断时间/最大分断电流)的模块单元试验；此后Alstom 公司也研制出了120 kV/5.5 ms/5.2 kA的原理样机。

国内关于高压直流断路器的研究工作起步较晚但成果卓著。

2014 年底，由南方电网科学研究院牵头研制出了55 kV/5 ms/16 kA 的高压直流断路器单元样机；紧接着由国网智能电网研究院自主研制出200 kV/3 ms/15 kA 试验样机，它们都标志着我国已经步入大功率高压直流断路器样机研制阶段。

熔断器是过电流继电保护装置与开断装置合为一体的开关设备，根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而断开电路。

熔断器的选择主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。

熔断器具有结构简单、使用方便、价格低廉等优点，在低压系统中广泛被应用。

直流断路器根据电流开断方式不同，主要有机械式直流断路器、固态直流断路器和基于二者结合的混合式直流断路器。

1．机械式直流断路器通态损耗低，但快速切断故障电流能力不强(目前最快仍需要数十毫秒)。

近年来，完全由可控型半导体器件构成的直流固态断路器，以数毫秒级分断能力、无触点、分断不产生电弧等优点受到广泛关注。

1.1机械式高压直流断路器采用SF6 或者真空交流断路器作为主分断装置，具备通态损耗低、耐压强度高、可靠性高等优良的静态特性。

典型的机械式高压直流断路器按原理的不同可分为无源自激振荡型(如图1(a)所示)和有源他激振荡型(如图1(b)所示)2 种。

无源自激振荡型高压直流断路器利用电弧负阻特性与并联的L、C 电路谐振制造电流过零点熄灭电弧，结构简单、控制环节要求低、可靠性高，在端到端高压直流输电系统中的直流转换开关上有着广泛的工程应用，技术比较成熟。

有源他激振荡型高压直流断路器通过预充电的高压电容器向主分断支路注入反向电流来制造过零点，进而分断直流电流，技术门槛低，开断能力强。

机械式高压直流断路器的主要局限性是其分断速度和分断能力受制于自身物理机构的机械性能，使之难以满足VSC-HVDC 输电系统的要求。

此外，每次分断过程都要产生电弧容易带来开关触头的磨损，降低直流断路器的使用寿命，增加维护成本。

2．与机械式直流断路器相比，固态直流断路器切除故障电流速度更快，但通态损耗相对较大、成本较高。

2.1固态高压直流断路器固态高压直流断路器采用纯电力电子器件作为主分断装置，与传统的机械式断路器相比，其动态性能优势明显：开关速度极快(微秒级)；易于实现精确、智能控制；开关工作时没有电弧产生。

依据所采用的电力电子器件类型可分为2 种：半控型(如图2(a)所示)和全控型(如图2(b)所示)固态高压直流断路器。

半控型固态高压直流断路器采用半控型器件晶闸管构成主开关支路，配合辅助电路强迫电流转移，实现主开关支路上的电流过零关断，具有耐受电压高，分断能力强，可靠性高等优点；不足之处是增加的辅助电源和高压电容会使设备复杂化，增大占地面积，提高制造成本。

全控型固态高压直流断路器通过大量串、并联的全控型器件(IGBT、集成门极换流晶闸管(integrated gate commutatedthyristors，IGCT)、发射极关断晶闸管(emitter turnoff thyristor，ETO)等构成阀段来对直流电流进行直接分断，分断原理简单，动作迅速，但是器件串联技术还需要更深入的研究。

固态高压直流断路器是有吸引力的方案，只是通态损耗很高，往往占换流站传输功率的30%，限制了其工程化的应用前景。

3．混合式直流断路器用快速机械开关导通正常运行电流，固态电力电子装置开断短路电流，有效地结合机械式断路器通态损耗小、固态断路器开断速度快等优点。

混合式高压直流断路器继承了机械式直流断路器优良的静态特性和固态直流断路器快速分断的动态特性，被认为是最可能在未来直流电网中得到大范围应用的一种高压直流断路器。

典型的混合式高压直流断路器有半控型拓扑(如图3(a)所示)和全控型拓扑(如图3(b)所示)两大类。

图3 所示的半控型和全控型混合式高压直流断路器的基本原理均是先触发导通固态开关支路以提供电流通路，然后分闸机械开关产生电弧，利用弧压使电流转移到固态开关的电流通路中去；待机械开关熄灭电弧后，固态开关承载全部电流，之后的分断过程则和固态直流断路器相同。

2 种类型的混合式高压直流断路器在设计上集中体现了“零电压关断”的设计思路。

将固态开关和机械开关并联，在换流过程中，机械开关仅承受固态开关支路的通态压降(百伏级)，而大功率电力电子器件只在故障时导通大大降低了整体的损耗。

不足之处是二者均未能实现“零电流关断”，关断过程中会产生电弧，在数百kV 的高压应用场合仅靠弧压转移电流其可靠性有待提高。

3.1混合式高压直流断路器方案3.1．1 拓扑结构及特点本文提出了一种基于IGBT 串联技术的混合式高压直流断路器方案，实现了高电压条件下直流电流的双向、快速、无弧分断，具体拓扑结构如图4所示。

主要由辅助转换开关、主分断开关、直流负荷开关、快速隔离开关、避雷器和限流电抗器等组成。

其中，2 个辅助转换开关对称布置，以实现双向稳态通流，并在故障态下将故障电流转移至主分断开关支路；快速隔离开关主要有2 个功能：一是保护辅助转换开关，二是建立一次电压隔离，确保电流均转移到主分断开关支路；主分断开关用来进行故障电流的分断；直流负荷开关则用来进行计划任务下稳态负荷电流的分断。

具体地，BRK1、BRK2 为快速隔离开关，BRK11、BRK21 为普通隔离开关，BRK3 为交流断路器；1—4 为少量IGBT 串联构成的阀段，5 为大量IGBT构成的串联阀；R1、R2 为启动电阻，用以在直流断路器投运过程中确保与之并联的固态开关可靠导通而不致损坏；限流电抗器L1、L2 用来抑制短路电流上升率；储存在限流电抗和线路中的能量则可以通过续流二极管D1、D2 形成回路耗散。

相较于其他基于IGBT 的混合式高压直流断路器方案，本文提出的方案有着独有的优势：1）双向开断故障电流时共用一个主分断开关，节省了IGBT 数量，在相同开断电流能力的条件下使用的IGBT 数量仅为其他方案的一半，而增加的直流负荷开关技术成熟，价格较为低廉，在未来电压等级较高的直流工程中应用具备一定的成本优势；2）利用两侧续流二极管替代主分断开关单元中IGBT 的反并联二极管，使得IGBT 模块不再受限于二极管的损耗、性能和浪涌电流承受能力，便于IGBT 模块显著提升性能，同时也为未来研制适合于高压直流断路器专用的IGBT提供一个备选方向。

3.1.2 工作原理混合式高压直流断路器工作过程可分为开通过程、稳态分断过程和故障态分断过程。

现以图示电流I dc 为正方向分析各个过程的工作原理，反方向同理。

1）开通过程。

先合闸隔离开关BRK1、BRK2、BRK11 和BRK21，再合闸交流断路器BRK3，待电流稳定后触发导通IGBT1 和IGBT3，由于它们的内阻远小于启动电阻R1 和R2，电流将迅速转移至IGBT1 和IGBT3 所在支路，之后分闸BRK11 和BRK21，待电流稳定后给予IGBT2 和IGBT4 触发脉冲，使它们在断路器稳态运行时一直处于“预导通”状态，以便分断反方向的故障电流，至此高压直流断路器完全投入运行。

辅助转换开关的通态压降通常在几伏以内，将其作为稳态导通支路会使设备的损耗降到非常低的水平。

2）稳态分断过程。

当系统需要转换运行方式或对某一条线路进行检修维护时，只要分断正常负荷电流即可，允许的分断时间相较故障态分断可以长很多，利用机械式直流负荷开关来分断足以满足要求，从而减少了使用主分断开关的动作次数，延长了其使用寿命，提高了直流断路器整体的可靠性。