周永闖，周俊玲，周曉利，張紅麗，何玉婷

（鄭州電力職業(yè)技術(shù)學院，河南 鄭州 451450）

0 引言

直流系統(tǒng)作為發(fā)電廠二次系統(tǒng)重要的供能部分，對發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用[1-2]。一方面要求直流系統(tǒng)能安全穩(wěn)定地提供電能，另一方面要求直流系統(tǒng)發(fā)生故障時能快速定位故障并報警[3-4]，同時隔離故障負載與直流系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)繼續(xù)運行。運行維護人員可通過直流系統(tǒng)的故障現(xiàn)象與定位，快速消除故障，以避免直流系統(tǒng)設(shè)備損壞，降低電網(wǎng)振蕩風險，防止大面積停電事故的發(fā)生[5-7]。

現(xiàn)有的發(fā)電廠直流系統(tǒng)保護不能對交流竄入故障進行監(jiān)測，且發(fā)生故障時不能有效對故障支路進行隔離，導致故障范圍擴大，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行埋下了隱患[8-10]。

本文針對發(fā)電廠直流系統(tǒng)接地、短路、絕緣降低與交流竄入故障，改進現(xiàn)有不平衡電橋，提出與隔直電容相結(jié)合的接地電阻與交流竄入電壓測量方法，由逆變器、高頻變壓器、整流器和通信電路組成故障隔離模塊，實現(xiàn)發(fā)電廠直流系統(tǒng)故障監(jiān)測與隔離；通過充電模塊、綜合檢測模塊及電池巡檢模塊實現(xiàn)對發(fā)電廠直流系統(tǒng)的保護。

1 帶隔直電容的不平衡電橋法檢測原理

帶隔直電容的不平衡電橋法檢測原理圖如圖1所示，+KM和-KM為發(fā)電廠直流母線。為了便于分析處理，取R1=R4，R2=R3，R7=R8。

圖1 改進不平衡電橋電路原理圖

隔直電容結(jié)合不平衡電橋檢測直流系統(tǒng)接地電阻和交流竄入電壓的步驟如表1所示，表中開關(guān)狀態(tài)為數(shù)字“1”表示對應(yīng)開關(guān)閉合，數(shù)字“0”表示對應(yīng)開關(guān)斷開。

表1 檢測步驟

1.1 接地電阻檢測

當開關(guān) K1、K2和K3斷開，K4和 K5閉合時，測量R2兩端直流電壓值U1，可計算出直流系統(tǒng)正、負母線對地電壓UK；當K2斷開，其余開關(guān)閉合時，測量R2兩端直流電壓U'1；當K1斷開，其余開關(guān)閉合時，測量R2兩端直流電壓U''1。通過測得的U1、U'1和U''1，運用電路原理列方程可求得直流系統(tǒng)正、負母線對地電阻。具體計算公式如下：

式中：UK為直流母線電壓；分別為K2斷開，其余開關(guān)閉合時，正、負母線對地電壓；分別為K1斷開，其余開關(guān)閉合時，正、負母線對地電壓；R+為直流正母線接地電阻；R-為直流負母線接地電阻。

聯(lián)立式（1）至式（7）求解，可得正、負母線接地電阻為：

1.2 交流竄入電壓檢測

按照表 1中步驟 4和步驟 5，斷開K1、K2和K3開關(guān)，將隔直電容接入電路，輪流閉合K4和K5開關(guān)，當有正、負交流電壓竄入時，分別測量R5兩端交流電壓，可計算出正、負母線交流竄入電壓值。具體計算公式為：

2 故障隔離原理

直流系統(tǒng)故障隔離原理如圖2所示。

圖2 故障隔離原理圖

直流系統(tǒng)故障隔離裝置中的DC∕AC逆變器使用三相全橋逆變電路，隔離變壓器使用高頻變壓器。AC∕DC整流器使用三相全橋整流電路，濾波器使用LC濾波電路。當某一支路直流負載出現(xiàn)故障時，優(yōu)先閉合故障隔離側(cè)對應(yīng)斷路器，然后斷開負載線路側(cè)對應(yīng)斷路器，使用故障隔離側(cè)高頻隔離變壓器使一、二次側(cè)直流部分保持電氣隔離，從而保證故障支路帶故障繼續(xù)運行。故障隔離裝置帶負載數(shù)量由直流系統(tǒng)負荷大小決定，根據(jù)實際情況可以采用多個故障隔離裝置。故障隔離模塊的具體隔離流程如圖3所示。

圖3 故障隔離流程圖

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

為確保發(fā)電廠直流系統(tǒng)正常供電，并對故障進行主動監(jiān)測與隔離，發(fā)電廠直流系統(tǒng)保護需配置互為備用的兩套保護系統(tǒng)，每套保護系統(tǒng)包括充電模塊、綜合檢測模塊、絕緣監(jiān)測模塊、故障隔離模塊、電池巡檢模塊和 HMI（Human Machine Interaction，簡稱HMI）模塊，共用一臺上位機PC。直流系統(tǒng)保護的總體框架如圖4所示。

圖4 直流系統(tǒng)保護總體框架

根據(jù)發(fā)電廠需求設(shè)置N+1個充電模塊，N為實際需求數(shù)量，1為備用充電模塊數(shù)量。充電模塊將發(fā)電廠廠用電整流后對電池組進行浮充，同時向直流母線供電。綜合檢測模塊對充電模塊故障進行監(jiān)控，出現(xiàn)故障后通過RS485總線上傳至上位機PC。絕緣監(jiān)測模塊和故障隔離模塊對發(fā)電廠直流系統(tǒng)的接地、短路、絕緣降低與交流竄入故障進行主動監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)故障后上傳至上位機PC，通過上位機PC下發(fā)命令，閉合故障隔離側(cè)斷路器，斷開負載線路側(cè)斷路器，通過高頻變壓器使故障負載和直流系統(tǒng)母線側(cè)隔離。

蓄電池組是發(fā)電廠直流系統(tǒng)的重要裝置。廠用電交流失電時，蓄電池組作為自動裝置、繼電保護等設(shè)備的應(yīng)急電源。正常運行時，蓄電池組處于浮充狀態(tài)，負載電能由充電模塊提供。如果蓄電池的維護管理不到位，發(fā)電廠交流電路出現(xiàn)故障時，蓄電池組不能安全可靠對二次系統(tǒng)提供電能；如果不能有效對蓄電池組進行保養(yǎng)，將無法保證蓄電池組的使用壽命，從而給直流系統(tǒng)的安全運行帶來隱患。因此，配置電池巡檢模塊對蓄電池組電壓進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電壓異常則上傳至上位機。對蓄電池組內(nèi)每個電池的容量需定期進行核容，以確保直流系統(tǒng)蓄電池組供電的可靠性。

4 直流保護系統(tǒng)試運行

為了驗證發(fā)電廠直流保護系統(tǒng)的實際運行效果，本文研發(fā)了兩套直流系統(tǒng)故障監(jiān)測與隔離裝置，組裝了發(fā)電廠直流保護系統(tǒng)控制柜，1號系統(tǒng)控制柜和2號系統(tǒng)控制柜互為備用。1號系統(tǒng)控制柜設(shè)置如圖5所示。該直流保護系統(tǒng)在洛陽某發(fā)電公司掛機試驗6個月。模擬發(fā)電廠直流系統(tǒng)故障，經(jīng)多次測量，該系統(tǒng)直流及交流電壓測量精度在1%以內(nèi)，接地電阻測量精度在3%以內(nèi)；當負載支路發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以及時隔離故障，驗證了保護系統(tǒng)的可靠性和有效性。

圖5 1號系統(tǒng)控制柜布置圖

5 結(jié)語

本文研制的直流保護系統(tǒng)采用帶隔直電容的不平衡電橋法測量接地電阻和交流竄入電壓，由逆變器、高頻變壓器、整流器和通信電路組成故障隔離模塊，實現(xiàn)了發(fā)電廠直流系統(tǒng)故障監(jiān)測與隔離，對發(fā)電廠直流系統(tǒng)進行保護。該保護系統(tǒng)可有效預(yù)測直流系統(tǒng)故障并對故障進行隔離。該發(fā)電廠直流保護系統(tǒng)能降低繼電保護的不正確動作率，縮小故障范圍，在一定程度上提高電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。