柔性直流配电网故障特征分析

直流配电网拓扑结构

直流配电网的拓扑结构可以分为3种类型：辐射状、双端以及多端直流配电网。其中辐射状直流配电网的拓扑结构较为简单，供电可靠性低，双端和多端直流配电网的供电可靠性高，但是故障识别和保护配置较为复杂。本文针对如图1所示的双端直流配电网的故障测距方法进行研究。双端直流配电网采用双级供电方式，直流系统经AC/DC换流器从变流电网获取电能，通过DC/AC、DC/DC换流器为负荷供电，亦可经换流器接入分布式电源和储能设备。

图1：双端供电系统结构图

直流线路故障特征分析

直流线路故障可以分为单极接地和极间短路故障。单极接地故障特征与直流配电系统的接地方式有关，比较典型的接地方式是TN-S接地方式即换流器的中性点连接大地，故障发生时，会有较大的故障电流和电压暂变现象。极间短路危害更大，其故障特征与接地方式无关。

图2为极间短路故障示意图，故障发生后，IGBT会因自身保护而关断，故障过程升为3个阶段：电容放电阶段，二极管依次导通阶段以及全都导通阶段。

图2：极间短路故障示意图

结合图2可知电容放电阶段可以用二阶微分方程表示，如式：

式中μc为极间电容电压；压一为线路电流，i为线路电流，L为包含直流电抗器的故障回路电感值，A为故障回路电阻：c为级间电容。忽略过渡电阻影响时，由于线路电阻非靠小，显然R < 2√L/C。假定故障发生时刻为 t0．电容电压为额定电压V0；线路初始电流为I0，求解微分方程（1）可得：

当电容电压μc下降到交流线电压时，交流侧开始经过二极管依次向故障点注入电流，该过程属于二极管依次导通阶段。考虑到交流侧线路电感的限流作用，注入电流上升速度不会很快，此时故障电流还是以电容放电电流为主。若在tl时刻电容电压降为0，结合式(2)可得电容放电时间为：

当电容电压降为0后，交流侧短路电抗的反向电压使续流二极管全部导通，相当于三相短路。

单极接地故障的故障极电容放电过程原理相同，在此不再赘述。