发电厂直流保护系统研究

周永闯，周俊玲，周晓利，张红丽，何玉婷

（郑州电力职业技术学院，河南 郑州 451450）

0 引言

直流系统作为发电厂二次系统重要的供能部分，对发电厂的安全稳定运行起着至关重要的作用[1-2]。一方面要求直流系统能安全稳定地提供电能，另一方面要求直流系统发生故障时能快速定位故障并报警[3-4]，同时隔离故障负载与直流系统，从而保证系统继续运行。运行维护人员可通过直流系统的故障现象与定位，快速消除故障，以避免直流系统设备损坏，降低电网振荡风险，防止大面积停电事故的发生[5-7]。

现有的发电厂直流系统保护不能对交流窜入故障进行监测，且发生故障时不能有效对故障支路进行隔离，导致故障范围扩大，为电力系统的安全稳定运行埋下了隐患[8-10]。

本文针对发电厂直流系统接地、短路、绝缘降低与交流窜入故障，改进现有不平衡电桥，提出与隔直电容相结合的接地电阻与交流窜入电压测量方法，由逆变器、高频变压器、整流器和通信电路组成故障隔离模块，实现发电厂直流系统故障监测与隔离；通过充电模块、综合检测模块及电池巡检模块实现对发电厂直流系统的保护。

1 带隔直电容的不平衡电桥法检测原理

带隔直电容的不平衡电桥法检测原理图如图1所示，+KM和-KM为发电厂直流母线。为了便于分析处理，取R1=R4，R2=R3，R7=R8。

图1 改进不平衡电桥电路原理图

隔直电容结合不平衡电桥检测直流系统接地电阻和交流窜入电压的步骤如表1所示，表中开关状态为数字“1”表示对应开关闭合，数字“0”表示对应开关断开。

表1 检测步骤

1.1 接地电阻检测

当开关 K1、K2和K3断开，K4和 K5闭合时，测量R2两端直流电压值U1，可计算出直流系统正、负母线对地电压UK；当K2断开，其余开关闭合时，测量R2两端直流电压U'1；当K1断开，其余开关闭合时，测量R2两端直流电压U''1。通过测得的U1、U'1和U''1，运用电路原理列方程可求得直流系统正、负母线对地电阻。具体计算公式如下：

式中：UK为直流母线电压；分别为K2断开，其余开关闭合时，正、负母线对地电压；分别为K1断开，其余开关闭合时，正、负母线对地电压；R+为直流正母线接地电阻；R-为直流负母线接地电阻。

联立式（1）至式（7）求解，可得正、负母线接地电阻为：

1.2 交流窜入电压检测

按照表 1中步骤 4和步骤 5，断开K1、K2和K3开关，将隔直电容接入电路，轮流闭合K4和K5开关，当有正、负交流电压窜入时，分别测量R5两端交流电压，可计算出正、负母线交流窜入电压值。具体计算公式为：

2 故障隔离原理

直流系统故障隔离原理如图2所示。

图2 故障隔离原理图

直流系统故障隔离装置中的DC∕AC逆变器使用三相全桥逆变电路，隔离变压器使用高频变压器。AC∕DC整流器使用三相全桥整流电路，滤波器使用LC滤波电路。当某一支路直流负载出现故障时，优先闭合故障隔离侧对应断路器，然后断开负载线路侧对应断路器，使用故障隔离侧高频隔离变压器使一、二次侧直流部分保持电气隔离，从而保证故障支路带故障继续运行。故障隔离装置带负载数量由直流系统负荷大小决定，根据实际情况可以采用多个故障隔离装置。故障隔离模块的具体隔离流程如图3所示。

图3 故障隔离流程图

3 系统整体设计

为确保发电厂直流系统正常供电，并对故障进行主动监测与隔离，发电厂直流系统保护需配置互为备用的两套保护系统，每套保护系统包括充电模块、综合检测模块、绝缘监测模块、故障隔离模块、电池巡检模块和 HMI（Human Machine Interaction，简称HMI）模块，共用一台上位机PC。直流系统保护的总体框架如图4所示。

图4 直流系统保护总体框架

根据发电厂需求设置N+1个充电模块，N为实际需求数量，1为备用充电模块数量。充电模块将发电厂厂用电整流后对电池组进行浮充，同时向直流母线供电。综合检测模块对充电模块故障进行监控，出现故障后通过RS485总线上传至上位机PC。绝缘监测模块和故障隔离模块对发电厂直流系统的接地、短路、绝缘降低与交流窜入故障进行主动监测，发现故障后上传至上位机PC，通过上位机PC下发命令，闭合故障隔离侧断路器，断开负载线路侧断路器，通过高频变压器使故障负载和直流系统母线侧隔离。

蓄电池组是发电厂直流系统的重要装置。厂用电交流失电时，蓄电池组作为自动装置、继电保护等设备的应急电源。正常运行时，蓄电池组处于浮充状态，负载电能由充电模块提供。如果蓄电池的维护管理不到位，发电厂交流电路出现故障时，蓄电池组不能安全可靠对二次系统提供电能；如果不能有效对蓄电池组进行保养，将无法保证蓄电池组的使用寿命，从而给直流系统的安全运行带来隐患。因此，配置电池巡检模块对蓄电池组电压进行监测，发现电压异常则上传至上位机。对蓄电池组内每个电池的容量需定期进行核容，以确保直流系统蓄电池组供电的可靠性。

4 直流保护系统试运行

为了验证发电厂直流保护系统的实际运行效果，本文研发了两套直流系统故障监测与隔离装置，组装了发电厂直流保护系统控制柜，1号系统控制柜和2号系统控制柜互为备用。1号系统控制柜设置如图5所示。该直流保护系统在洛阳某发电公司挂机试验6个月。模拟发电厂直流系统故障，经多次测量，该系统直流及交流电压测量精度在1%以内，接地电阻测量精度在3%以内；当负载支路发生故障时，系统可以及时隔离故障，验证了保护系统的可靠性和有效性。

图5 1号系统控制柜布置图

5 结语

本文研制的直流保护系统采用带隔直电容的不平衡电桥法测量接地电阻和交流窜入电压，由逆变器、高频变压器、整流器和通信电路组成故障隔离模块，实现了发电厂直流系统故障监测与隔离，对发电厂直流系统进行保护。该保护系统可有效预测直流系统故障并对故障进行隔离。该发电厂直流保护系统能降低继电保护的不正确动作率，缩小故障范围，在一定程度上提高电力系统运行的安全性和稳定性。