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

1 引言

直流輸電技術因其傳輸損耗小、線路占地面積小、輸電距離遠等優(yōu)點已廣泛應用于電力系統(tǒng)，但其復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)故障的保護與隔離技術研究對于保障系統(tǒng)安全和提高電力系統(tǒng)可靠性至關重要。本文旨在深入研究直流系統(tǒng)故障的保護與隔離技術，并通過試驗驗證其可行性和有效性，為直流輸電技術的進一步發(fā)展提供技術支撐和參考。

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，通常由導體之間直接接觸或接觸電阻較小等原因引起，會導致系統(tǒng)電流瞬間增大，對設備造成嚴重的損壞，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，避免損壞設備。支路短路通常由設備老化、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設備和系統(tǒng)的安全運行[1]。

2.2 接地故障

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

2.3 開路故障

開路故障是指直流系統(tǒng)中某一導體或支路發(fā)生斷路，導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、設備故障等原因引起。開路故障會導致系統(tǒng)中的電流瞬間中斷，可能造成系統(tǒng)中設備的損壞和影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。處理開路故障的方法主要是對斷路處進行維修和更換，同時需要對系統(tǒng)進行檢測和診斷，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，需要定期檢查設備和電纜的狀況，及時更換老化的部件，提高設備的可靠性和穩(wěn)定性[2]。

3 故障支路保護與隔離技術

3.1 保護原理及分類

直流系統(tǒng)的保護是指在系統(tǒng)故障發(fā)生時，及時采取措施，避免故障擴散和蔓延，保護設備和系統(tǒng)的安全運行。直流系統(tǒng)的保護按照保護原理和實現(xiàn)方式可以分為多種類型，如電氣保護、機械保護、光纖保護等。常規(guī)直流系統(tǒng)保護分類及其原理詳見表1[3]。

表1 常規(guī)直流系統(tǒng)保護分類及其原理

3.2 隔離原理及分類

隔離保護是直流系統(tǒng)中常用的保護措施之一，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，避免故障擴散和蔓延，確保系統(tǒng)的安全運行。

3.2.1 機械隔離

機械隔離是一種通過機械裝置實現(xiàn)隔離的保護方式，主要應用于直流開關等設備中。機械隔離通過斷開開關觸頭或切斷電源，將故障支路和正常支路隔離開來，從而避免故障擴散和蔓延。

3.2.2 電磁隔離

電磁隔離是利用電磁原理實現(xiàn)隔離的保護方式，主要應用于繼電器、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，從而達到保護系統(tǒng)的目的。

3.2.3 光電隔離

光電隔離是利用光電元件實現(xiàn)隔離的保護方式，主要應用于光電隔離器、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換為電信號，再通過光電耦合器隔離輸出信號，從而實現(xiàn)故障支路和正常支路的隔離保護。

3.2.4 絕緣隔離

絕緣隔離是利用絕緣材料實現(xiàn)隔離的保護方式，主要應用于電纜、絕緣子等設備中。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，從而實現(xiàn)隔離保護。

3.3 綜合保護與隔離技術

3.3.1 多重保護聯(lián)鎖

多重保護聯(lián)鎖是將多種保護方式結合起來，實現(xiàn)多重保護和聯(lián)鎖保護。例如，在直流系統(tǒng)中，可以通過電流保護和電壓保護相結合，實現(xiàn)對系統(tǒng)的多重保護；同時，還可以設置聯(lián)鎖保護，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動切斷電源，避免故障擴大。

3.3.2 雙重隔離保護

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

3.3.3 智能保護系統(tǒng)

智能保護系統(tǒng)是指利用現(xiàn)代計算機技術和通信技術，實現(xiàn)對直流系統(tǒng)的智能保護和自動化控制。智能保護系統(tǒng)可以實時監(jiān)測直流系統(tǒng)的運行狀況，對故障進行快速檢測和定位，并通過多重保護措施實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護。

4 試驗驗證

4.1 試驗方案

為了驗證直流系統(tǒng)故障支路綜合保護與隔離技術的有效性，設計了一系列試驗，并設計了一個帶有智能保護系統(tǒng)的保護裝置，智能保護系統(tǒng)來實現(xiàn)試驗過程的自動化控制和數(shù)據(jù)采集。試驗原理圖如圖1所示。

圖1 試驗圖

4.2 智能保護系統(tǒng)設計

采集設備：該智能保護系統(tǒng)內有傳感器可以采集電流、電壓、功率、溫度等數(shù)據(jù)。

控制設備：該設備可以通過斷路器、隔離開關等裝置實現(xiàn)對直流系統(tǒng)的開關控制，實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護和隔離措施。

數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊可以對采集的數(shù)據(jù)進行處理、分析和診斷，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(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現(xiàn)對直流系統(tǒng)的實時監(jiān)測和故障診斷。并將指令下達給控制設備，實現(xiàn)功能。

4.3 試驗裝置

為了實現(xiàn)試驗方案的實施，利用實驗室搭建的直流系統(tǒng)，并采用保護和隔離裝置，包括斷路器、隔離開關、繼電器等裝置，對直流系統(tǒng)進行保護和隔離。同時，采用智能保護系統(tǒng)對試驗裝置進行自動化控制和數(shù)據(jù)采集。

4.4 試驗結果與分析

4.4.1 故障檢測

通過試驗發(fā)現(xiàn)，智能保護系統(tǒng)可以準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)可以快速響應故障，采取相應的保護和隔離措施，保證直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。故障檢測結果詳見表2。

表2 故障檢測結果

4.4.2 數(shù)據(jù)處理和分析

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

4.4.3 可靠性和穩(wěn)定性

智能保護系統(tǒng)的試驗結果表明，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檢測和響應故障，保護系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。同時，系統(tǒng)的硬件和軟件設計都充分考慮到了系統(tǒng)的運行特點和要求，具有較好的適應性和可擴展性。基于試驗結果和分析，智能保護系統(tǒng)可以實現(xiàn)對直流系統(tǒng)的智能保護和自動化控制，提高直流系統(tǒng)的安全性和可靠性，為直流輸電技術的發(fā)展提供了有效的技術支持和保障。

5 結語

本文研究了直流系統(tǒng)故障支路綜合保護與隔離技術，并設計了一個基于智能保護系統(tǒng)的試驗驗證平臺進行試驗驗證。通過試驗結果和分析，得出了智能保護系統(tǒng)可以實現(xiàn)對直流系統(tǒng)的實時監(jiān)測、保護和隔離控制，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)進行處理和分析，提供有用的技術支持和決策依據(jù)的結語。本文建議在直流系統(tǒng)的設計和應用中，充分考慮直流系統(tǒng)的故障保護和隔離措施，并采用智能保護系統(tǒng)等先進技術，提高直流系統(tǒng)的安全性和可靠性，推動直流輸電技術的發(fā)展和應用。