CN110912114A - 一种高安全性低压直流系统 - Google Patents

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李国文
陈红
周翔
黄刚
严建海
刘嘉杰
田笑
张建峰
张成林
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    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems

Abstract

本发明公开了一种高安全性低压直流系统，包括直流母线，直流母线上设有母线保护装置和绝缘电阻监测装置；所述直流母线分别连接供电单元和用电单元，供电单元中，分布式光伏发电设备通过光伏进线保护装置与直流母线连接，储能设备通过储能进线保护装置与直流母线连接，市电通过AC/DC整流器保护装置与直流母线连接；用电单元中，用电设备通过负载短路保护装置与直流母线连接，每条负载支路上还设有漏电流传感器，漏电流传感器与绝缘电阻监测装置通过信号电缆连接。本发明低压直流系统包括电源保护、母线保护和支路保护，能够实现直流系统的全面保护。

Description

一种高安全性低压直流系统
技术领域
本发明涉及一种高安全性低压直流系统，属于电力电子技术领域。
背景技术
从直流系统的角度来看，无论是故障类型还是故障后果与交流系统都有所不同，实际中相关保护既缺乏标准，也缺少运行经验。在低压直流系统保护方面，直流配电系统中应用直流断路器可以大大提高系统供电的可靠性，在低压和中压等级已有可应用产品。但目前可商业应用的直流断路器容量有限，并且价格昂贵，因此，学者们提出了其他几种可以应用到直流配电系统中的隔离设备，如保险丝、断路器、快速隔离开关等。保险丝基于热融化的原理，且电压、电流的额定值是以有效值的形式给出的，适用于需要快速保护响应且不需要自动重新供电的装置的保护，目前主要应用在铁路牵引、矿业、蓄电池保护系统、辅助低压电力供应系统等场合及直流配电系统负荷侧的保护。基于断路器的保护方案已被广泛应用于直流系统应用，但是由于器响应速度慢，往往导致故障不能及时清除；基于固态断路器的直流保护解决方案可以以接近8μs的速度实现快速直流故障保护。然而，成本和损耗仍是固态断路器存在的突出问题，并且低压固态断路器仍处于研究阶段。快速隔离开关是纯机械式的开关，不具备带电通断的能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高安全性低压直流系统，该直流系统包括电源保护、母线保护和支路保护，能够实现直流系统的全面保护。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种高安全性低压直流系统，包括直流母线，直流母线上设有母线保护装置和绝缘电阻监测装置；所述直流母线分别连接供电单元和用电单元，供电单元中，分布式光伏发电设备通过光伏进线保护装置与直流母线连接，储能设备通过储能进线保护装置与直流母线连接，市电通过AC/DC整流器保护装置与直流母线连接；用电单元中，用电设备通过负载短路保护装置与直流母线连接，每条负载支路上还设有漏电流传感器，漏电流传感器与绝缘电阻监测装置通过信号电缆连接。
其中，母线保护装置通过电流互感器采集各个支路的电流信号以及断路器状态信号，当电源注入电流(母线保护装置进线侧)与支路馈出电流平衡时，满足∑I＝0；当支路出现短路或绝缘下降故障时，∑I不等于0，电流出现异常，母线保护装置发出跳闸信号将所有支路切除；同时母线保护装置采集直流母线电压信号，当发生过压或者欠压，母线保护装置发出报警信号。
其中，储能进线保护装置包括微处理器以及与微处理器连接的电动操作机构，储能装置与直流母线连接的线路上设有智能断路器，微处理器通过变送器实时检测直流母线电压、电池电压和电池放电电流；当检测到电池放电异常时，微处理器输出跳闸信号给电动操作机构，智能断路器在电动操作机构的动作下断开。
其中，负载短路保护装置通过采样电阻采集直流母线输入到该条负载支路的电压信号，当电压超过限值，通过该条支路的负载短路保护装置的CPU发出保护信号，该条负载支路的DC/DC变换器停止工作，并且负载短路保护装置向上位机输出直流故障继电器信号(告知该条负载支路DC/DC变换器停止工作)；同时，当输入电压在正常范围内时，负载短路保护装置通过采样电阻采集负载端电压、电流信号，CPU采用电流上升率判据，当出现短路故障时，会导致输出电压下降且电流快速上升，此时负载短路保护装置的CPU发出保护信号，该条负载支路的DC/DC变换器闭锁，锁闭时间在1ms以内，同时负载短路保护装置向上位机输出直流故障继电器信号。
其中，绝缘电阻监测装置通过不平衡电桥检测直流母线绝缘情况，当检测到直流母线绝缘下降时，通过各负载支路的继电器接通负载支路中的漏电流传感器进行支路漏电流检测，当该支路绝缘下降时将会产生不平衡电流，根据漏电流检测结果可以进行绝缘下降选线，并发出报警信号液体。
有益效果：由于直流系统内各类电源及电源变换装置的存在，低压直流系统故障特征复杂，故障发展速率快，因而其保护与交流系统保护有着较大区别，对故障保护的种类以及故障保护的动作速度都有着较高要求，本发明低压直流系统包括电源保护、母线保护和支路保护，其中电源保护包括整流器保护、储能单元保护、新能源发电保护，支路保护包括负载短路保护以及支路绝缘下降保护，保护范围全面。
附图说明
图1为本发明低压直流系统的系统拓扑图；
图2为母线保护装置的原理图
图3为储能进线保护装置的原理图；
图4为负载短路保护装置的原理图
图5为支路保护的原理图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
如图1所示，本发明高安全性低压直流系统，包括直流母线，直流母线上设有母线保护装置和绝缘电阻监测装置；直流母线分别连接供电单元和用电单元，供电单元中，分布式光伏发电设备通过光伏进线保护装置(光伏进线保护装置为隔离变换器，采用隔离变换器实现光伏发电与直流母线的隔离，当光伏模块发生故障时，不会影响直流系统的运行)与直流母线连接，储能设备通过储能进线保护装置与直流母线连接，市电(市380V交流电)通过AC/DC整流器保护装置与直流母线连接；用电单元中，用电设备通过负载短路保护装置与直流母线连接，每条负载支路上还设有漏电流传感器，漏电流传感器与绝缘电阻监测装置通过信号电缆连接。
如图2所示，母线保护装置通过电流互感器采集各个支路的电流信号以及断路器状态信号，当电源注入电流(母线保护装置进线侧)与支路馈出电流平衡时，满足∑I＝0；当支路出现短路或绝缘下降故障时，∑I不等于0，电流出现异常，母线保护装置发出跳闸信号将所有支路切除；同时母线保护装置采集直流母线电压信号，当发生过压或者欠压，母线保护装置发出报警信号。母线保护为后备保护，只有在其他保护失效时母线保护才会动作。母线差动保护是将母线上所有的各连接元件的电流互感器按同名相、同极性连接到差动回路，电流互感器的特性与变比均应相同。
如图3所示，储能进线保护装置包括微处理器以及与微处理器连接的电动操作机构，储能装置与直流母线连接的线路上设有智能断路器，微处理器通过变送器实时检测直流母线电压、电池电压和电池放电电流；当检测到电池放电异常时，微处理器输出跳闸信号给电动操作机构，智能断路器在电动操作机构的动作下断开。储能进线保护装置在12ms以内切断放电回路，实现电池组放电故障的快速保护。
如图4所示，负载短路保护装置通过采样电阻采集直流母线输入到该条负载支路的电压信号，当电压超过限值，通过该条支路的负载短路保护装置的CPU发出保护信号，该条负载支路的DC/DC变换器停止工作，并且负载短路保护装置向上位机输出直流故障继电器信号(告知该条负载支路DC/DC变换器停止工作)；同时，当输入电压在正常范围内时，负载短路保护装置通过采样电阻采集负载端电压、电流信号，CPU采用电流上升率判据，当出现短路故障时，会导致负载短路保护装置的输出电压下降(即输入到负载端的电压)且电流快速上升，此时负载短路保护装置的CPU发出保护信号，该条负载支路的DC/DC变换器闭锁，锁闭时间在1ms以内，同时负载短路保护装置向上位机输出直流故障继电器信号。
负载短路保护装置采集负载端电压、电流传送至CPU，CPU采用电流上升率判据，当出现电流上升过快时，锁闭脉宽调制PWM输出，锁闭时间在1ms以内，同时输出直流故障继电器信号；此外，装置自身保护方面，装置采集母线电压及装置内温度，当出现异常时锁闭脉宽调制PWM输出，同时输出直流故障继电器信号。
如图5所示，绝缘电阻监测装置通过不平衡电桥检测直流母线绝缘情况，当检测到直流母线绝缘下降时，通过各负载支路的继电器接通负载支路中的漏电流传感器(电流互感器)进行支路漏电流检测，当该支路绝缘下降时漏电流传感器将会产生不平衡电流，根据漏电流检测结果可以进行绝缘下降选线，并发出报警信号(即绝缘电阻监测装置检测总电阻，当总电阻下降时，通过判断每条支路的漏电流传感器是否有漏电流，当对应支路的漏电流传感器有漏电流，说明该支路发生绝缘下降)。其中负载短路保护采用支路保护装置(负载短路保护装置)闭锁(DC/DC变换器停止工作)实现故障负载的切除，保护动作时间在1ms以内；绝缘下降保护采用绝缘电阻监测装置，可实现包括母线在内的最多32路不同回路绝缘电阻的巡检，当绝缘下降时发出对应回路的报警信号。

Claims (5)

1.一种高安全性低压直流系统，其特征在于：包括直流母线，直流母线上设有母线保护装置和绝缘电阻监测装置；所述直流母线分别连接供电单元和用电单元，供电单元中，分布式光伏发电设备通过光伏进线保护装置与直流母线连接，储能设备通过储能进线保护装置与直流母线连接，市电通过AC/DC整流器保护装置与直流母线连接；用电单元中，用电设备通过负载短路保护装置与直流母线连接，每条负载支路上还设有漏电流传感器，漏电流传感器与绝缘电阻监测装置通过信号电缆连接。
2.根据权利要求1所述的高安全性低压直流系统，其特征在于：母线保护装置通过电流互感器采集各个支路的电流信号以及断路器状态信号，当电源注入电流与支路馈出电流平衡时，满足∑I＝0；当支路出现短路或绝缘下降故障时，电流出现异常，母线保护装置发出跳闸信号将所有支路切除；同时母线保护装置采集直流母线电压信号，当发生过压或者欠压，母线保护装置发出报警信号。
3.根据权利要求1所述的高安全性低压直流系统，其特征在于：储能进线保护装置包括微处理器以及与微处理器连接的电动操作机构，储能装置与直流母线连接的线路上设有智能断路器，微处理器通过变送器实时检测直流母线电压、电池电压和电池放电电流；当检测到电池放电异常时，微处理器输出跳闸信号给电动操作机构，智能断路器在电动操作机构的动作下断开。
4.根据权利要求1所述的高安全性低压直流系统，其特征在于：负载短路保护装置通过采样电阻采集直流母线输入到该条负载支路的电压信号，当电压超过限值，通过该条支路的负载短路保护装置的CPU发出保护信号，该条负载支路的DC/DC变换器停止工作，并且负载短路保护装置向上位机输出直流故障继电器信号；同时，当输入电压在正常范围内时，负载短路保护装置通过采样电阻采集负载端电压、电流信号，CPU采用电流上升率判据，当出现短路故障时，会导致输出电压下降且电流快速上升，此时负载短路保护装置的CPU发出保护信号，该条负载支路的DC/DC变换器闭锁，同时负载短路保护装置向上位机输出直流故障继电器信号。
5.根据权利要求1所述的高安全性低压直流系统，其特征在于：绝缘电阻监测装置通过不平衡电桥检测直流母线绝缘情况，当检测到直流母线绝缘下降时，通过各负载支路的继电器接通负载支路中的漏电流传感器进行支路漏电流检测，当该支路绝缘下降时将会产生不平衡电流，根据漏电流检测结果可以进行绝缘下降选线，并发出报警信号。
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