國網(wǎng)伊犁伊河供電有限責(zé)任公司 孜比熱木·阿布都克力木 肖吾開提·吐爾遜 王 清

1 引言

直流輸電技術(shù)因其傳輸損耗小、線路占地面積小、輸電距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，但其復(fù)雜性和高壓大電流等特性使得故障問題不容忽視。直流系統(tǒng)故障的保護(hù)與隔離技術(shù)研究對于保障系統(tǒng)安全和提高電力系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要。本文旨在深入研究直流系統(tǒng)故障的保護(hù)與隔離技術(shù)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性和有效性，為直流輸電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)支撐和參考。

2 直流系統(tǒng)常見故障類型

2.1 短路故障

短路故障是直流系統(tǒng)中常見的故障類型之一，通常由導(dǎo)體之間直接接觸或接觸電阻較小等原因引起，會導(dǎo)致系統(tǒng)電流瞬間增大，對設(shè)備造成嚴(yán)重的損壞，甚至引發(fā)電網(wǎng)事故。極間短路和支路短路是兩種常見的短路故障類型。極間短路通常由隔離開關(guān)未能完全切斷或斷開電纜連接等原因引起，需要盡快隔離故障支路，避免損壞設(shè)備。支路短路通常由設(shè)備老化、絕緣擊穿、接觸不良等原因引起，需要及時隔離故障支路以保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。

2.2 接地故障

接地故障是指直流系統(tǒng)中出現(xiàn)的導(dǎo)體與地之間發(fā)生短路故障，導(dǎo)致系統(tǒng)中的電流流向地面。接地故障通常由于設(shè)備損壞、絕緣不良、地線連接不良等原因引起。接地故障會對系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響，容易引發(fā)電弧、火花放電等問題，嚴(yán)重時甚至可能造成人員傷亡和設(shè)備損壞。接地故障的處理方法主要是對接地故障進(jìn)行隔離和修復(fù)，避免電流繼續(xù)流向地面，同時需對系統(tǒng)進(jìn)行漏電檢測和故障定位。為了防止接地故障的發(fā)生，需要加強(qiáng)對設(shè)備和絕緣的檢查和維護(hù)，并采用適當(dāng)?shù)慕拥乇Ｗo(hù)措施，如接地保護(hù)裝置、接地電阻等。

2.3 開路故障

開路故障是指直流系統(tǒng)中某一導(dǎo)體或支路發(fā)生斷路，導(dǎo)致電路無法正常通電。開路故障通常由于電纜老化、接頭松動、設(shè)備故障等原因引起。開路故障會導(dǎo)致系統(tǒng)中的電流瞬間中斷，可能造成系統(tǒng)中設(shè)備的損壞和影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。處理開路故障的方法主要是對斷路處進(jìn)行維修和更換，同時需要對系統(tǒng)進(jìn)行檢測和診斷，以確定故障的具體位置和原因。為了防止開路故障的發(fā)生，需要定期檢查設(shè)備和電纜的狀況，及時更換老化的部件，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性[2]。

3 故障支路保護(hù)與隔離技術(shù)

3.1 保護(hù)原理及分類

直流系統(tǒng)的保護(hù)是指在系統(tǒng)故障發(fā)生時，及時采取措施，避免故障擴(kuò)散和蔓延，保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。直流系統(tǒng)的保護(hù)按照保護(hù)原理和實(shí)現(xiàn)方式可以分為多種類型，如電氣保護(hù)、機(jī)械保護(hù)、光纖保護(hù)等。常規(guī)直流系統(tǒng)保護(hù)分類及其原理詳見表1[3]。

表1 常規(guī)直流系統(tǒng)保護(hù)分類及其原理

3.2 隔離原理及分類

隔離保護(hù)是直流系統(tǒng)中常用的保護(hù)措施之一，主要是通過隔離故障支路或切斷電源等方式，將故障區(qū)域與正常區(qū)域隔離開來，避免故障擴(kuò)散和蔓延，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.2.1 機(jī)械隔離

機(jī)械隔離是一種通過機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)隔離的保護(hù)方式，主要應(yīng)用于直流開關(guān)等設(shè)備中。機(jī)械隔離通過斷開開關(guān)觸頭或切斷電源，將故障支路和正常支路隔離開來，從而避免故障擴(kuò)散和蔓延。

3.2.2 電磁隔離

電磁隔離是利用電磁原理實(shí)現(xiàn)隔離的保護(hù)方式，主要應(yīng)用于繼電器、電感器等裝置中。電磁隔離通過切斷電磁繼電器的電路，將故障支路和正常支路隔離開來，從而達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的。

3.2.3 光電隔離

光電隔離是利用光電元件實(shí)現(xiàn)隔離的保護(hù)方式，主要應(yīng)用于光電隔離器、光電耦合器等裝置中。光電隔離器通過光電傳感器將輸入信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過光電耦合器隔離輸出信號，從而實(shí)現(xiàn)故障支路和正常支路的隔離保護(hù)。

3.2.4 絕緣隔離

絕緣隔離是利用絕緣材料實(shí)現(xiàn)隔離的保護(hù)方式，主要應(yīng)用于電纜、絕緣子等設(shè)備中。絕緣隔離通過在故障支路和正常支路之間加裝絕緣體，阻止電流在故障支路和正常支路之間流動，從而實(shí)現(xiàn)隔離保護(hù)。

3.3 綜合保護(hù)與隔離技術(shù)

3.3.1 多重保護(hù)聯(lián)鎖

多重保護(hù)聯(lián)鎖是將多種保護(hù)方式結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)多重保護(hù)和聯(lián)鎖保護(hù)。例如，在直流系統(tǒng)中，可以通過電流保護(hù)和電壓保護(hù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的多重保護(hù)；同時，還可以設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動切斷電源，避免故障擴(kuò)大。

3.3.2 雙重隔離保護(hù)

雙重隔離保護(hù)是指在直流系統(tǒng)中采用兩個以上的隔離裝置，實(shí)現(xiàn)對故障支路的雙重隔離保護(hù)。例如，在直流輸電線路中，可以在兩端分別設(shè)置斷路器和隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對故障支路的雙重隔離保護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.3.3 智能保護(hù)系統(tǒng)

智能保護(hù)系統(tǒng)是指利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對直流系統(tǒng)的智能保護(hù)和自動化控制。智能保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對故障進(jìn)行快速檢測和定位，并通過多重保護(hù)措施實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證直流系統(tǒng)故障支路綜合保護(hù)與隔離技術(shù)的有效性，設(shè)計(jì)了一系列試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了一個帶有智能保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)裝置，智能保護(hù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的自動化控制和數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)圖

4.2 智能保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集設(shè)備：該智能保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)有傳感器可以采集電流、電壓、功率、溫度等數(shù)據(jù)。

控制設(shè)備：該設(shè)備可以通過斷路器、隔離開關(guān)等裝置實(shí)現(xiàn)對直流系統(tǒng)的開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù)和隔離措施。

數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和診斷，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷。

數(shù)據(jù)模塊的代碼如下。

// 假設(shè)采集到的數(shù)據(jù)存儲在 data 數(shù)組中，數(shù)據(jù)格式為 [電流，電壓，功率，溫度]

代碼中，假設(shè)采集到的數(shù)據(jù)存儲在data 數(shù)組中，數(shù)據(jù)格式為[電流，電壓，功率，溫度]。然后通過對數(shù)據(jù)的分析和處理，判斷是否存在故障，如果存在則返回故障類型和原始數(shù)據(jù)。這樣的一個數(shù)據(jù)處理模塊可以用于實(shí)現(xiàn)對直流系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測和故障診斷。并將指令下達(dá)給控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)功能。

4.3 試驗(yàn)裝置

為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)方案的實(shí)施，利用實(shí)驗(yàn)室搭建的直流系統(tǒng)，并采用保護(hù)和隔離裝置，包括斷路器、隔離開關(guān)、繼電器等裝置，對直流系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和隔離。同時，采用智能保護(hù)系統(tǒng)對試驗(yàn)裝置進(jìn)行自動化控制和數(shù)據(jù)采集。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.4.1 故障檢測

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，智能保護(hù)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地檢測到直流系統(tǒng)中的各種故障，如短路故障、接地故障、過載故障和溫度異常等。并且系統(tǒng)可以快速響應(yīng)故障，采取相應(yīng)的保護(hù)和隔離措施，保證直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。故障檢測結(jié)果詳見表2。

表2 故障檢測結(jié)果

4.4.2 數(shù)據(jù)處理和分析

智能保護(hù)系統(tǒng)還可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提供有用的技術(shù)支持和決策依據(jù)。例如，可以通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，了解直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、負(fù)載情況和電氣參數(shù)等，并及時采取相應(yīng)的措施，保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。

4.4.3 可靠性和穩(wěn)定性

智能保護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)可以在極短的時間內(nèi)檢測和響應(yīng)故障，保護(hù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時，系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)都充分考慮到了系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)和要求，具有較好的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。基于試驗(yàn)結(jié)果和分析，智能保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對直流系統(tǒng)的智能保護(hù)和自動化控制，提高直流系統(tǒng)的安全性和可靠性，為直流輸電技術(shù)的發(fā)展提供了有效的技術(shù)支持和保障。

5 結(jié)語

本文研究了直流系統(tǒng)故障支路綜合保護(hù)與隔離技術(shù)，并設(shè)計(jì)了一個基于智能保護(hù)系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過試驗(yàn)結(jié)果和分析，得出了智能保護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對直流系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測、保護(hù)和隔離控制，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提供有用的技術(shù)支持和決策依據(jù)的結(jié)語。本文建議在直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，充分考慮直流系統(tǒng)的故障保護(hù)和隔離措施，并采用智能保護(hù)系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，提高直流系統(tǒng)的安全性和可靠性，推動直流輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。