CN112600177A - 直流环网系统的主动式综合保护装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流环网系统的主动式综合保护装置及其工作方法，该装置包括连接在直流母线与直流负荷之间的隔离保护单元，隔离保护单元包括隔离子单元以及保护子单元，隔离子单元与保护子单元连接。本发明通过在直流母线与直流负荷之间设置隔离保护单元，隔离保护单元包括隔离子单元以及保护子单元，隔离子单元可将直流母线与直流负荷隔离开，避免出现故障时影响到其他支路，保护子单元可以进行接地保护、短路保护、交流窜入保护、绝缘降低保护及环网保护，实现避免故障影响整个直流系统甚至电网的安全稳定运行，而且设置保护单元，以确保整个系统的安全性。

Description

直流环网系统的主动式综合保护装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及直流环网系统，更具体地说是指直流环网系统的主动式综合保护装置及其工作方法。

背景技术

作为电力二次系统的重要组成部分，直流环网系统是继电保护、自动装置、监控、遥控通讯、操作回路、信号回路、微机及五防系统、安全稳定装置等的直流供电电源，是继保、安稳装置运行的“血液”。

在电网运行过程中，直流环网系统出现故障导致继电保护不正确动作的事故仍会发生，对电力系统的安全、稳定运行危害很大，尤其是超高压系统的继电保护不正确动作，往往使事故扩大、造成电网稳定破坏、大面积停电、设备损坏等，对国民经济造成严重损失，教训是沉痛的。

目前直流环网系统故障表现形式一般有以下几种：一是接地、绝缘下降、交流窜入故障；二是短路故障；三是环网故障。但是，原有直流环网系统中，各条支路都是由直流系统母线直接供电，当一条支路发生接地、短路、交流窜入等故障时，故障就会传播到直流母线或其他支路，从而影响整个直流系统甚至电网的安全稳定运行，而且系统内并没有设置任何保护装置，容易导致整个系统的安全性受到较大的影响。

因此，有必要设计一种新的装置，实现避免故障影响整个直流系统甚至电网的安全稳定运行，而且设置保护单元，以确保整个系统的安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供直流环网系统的主动式综合保护装置及其工作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：直流环网系统的主动式综合保护装置，包括连接在直流母线与直流负荷之间的隔离保护单元，所述隔离保护单元包括隔离子单元以及保护子单元，所述隔离子单元与所述保护子单元连接。

其进一步技术方案为：所述隔离子单元包括隔离型DC/DC变换器。

其进一步技术方案为：所述隔离子单元与所述直流母线之间还连接有滤波器。

其进一步技术方案为：所述保护子单元包括绝缘接地检测模块，所述绝缘接地检测模块，用于检测直流母线的绝缘和接地检测，并对发生绝缘和接地故障的直流母线进行保护处理。

其进一步技术方案为：所述保护子单元还包括短路检测保护模块，所述短路检测保护模块，用于对直流母线的输出进行短路保护。

其进一步技术方案为：所述保护子单元还包括环网检测保护模块，所述环网检测保护模块，用于对直流母线的输出进行环网保护。

其进一步技术方案为：所述保护子单元还包括直流保护变换模块，所述直流保护变换模块，用于对直流母线输出的电压进行变换处理。

其进一步技术方案为：所述保护子单元还包括通讯单元，所述通讯单元与液晶显示屏连接。

其进一步技术方案为：所述隔离型DC/DC变换器包括全桥拓扑变换器，所述隔离型DC/DC变换器内设有高频变压器。

本发明还提供了主动式综合保护装置的工作方法，包括：

通过隔离子单元将直流母线与直流负荷隔离，直流母线输出的电压和电流经过保护子单元进行短路保护、接地保护、交流窜入保护以及环网保护后，输出对应的电压和电流至直流负荷。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明通过在直流母线与直流负荷之间设置隔离保护单元，隔离保护单元包括隔离子单元以及保护子单元，隔离子单元可将直流母线与直流负荷隔离开，避免出现故障时影响到其他支路，保护子单元可以进行接地保护、短路保护、交流窜入保护、绝缘降低保护及环网保护，实现避免故障影响整个直流系统甚至电网的安全稳定运行，而且设置保护单元，以确保整个系统的安全性。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例提供的直流环网系统的主动式综合保护装置的示意性框图；

图2为本发明具体实施例提供的保护子单元的示意性框图；

图3为本发明具体实施例提供的短路检测保护模块的具体电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

如图1～3所示的具体实施例，本实施例提供的直流环网系统的主动式综合保护装置，可以运用在直流环网系统中，实现对直流环网系统进行故障保护，实现避免故障影响整个直流系统甚至电网的安全稳定运行，而且设置保护单元，以确保整个系统的安全性。

请参阅图1，上述的直流环网系统的主动式综合保护装置，包括连接在直流母线10与直流负荷30之间的隔离保护单元20，隔离保护单元20包括隔离子单元21以及保护子单元22，隔离子单元21与保护子单元22连接。

设置隔离子单元21将直流母线10与直流负荷30隔离开，当一条支路发生接地、短路、交流窜入等故障时，故障不会传播到直流母线10或其他支路，避免影响整个直流系统甚至电网的安全稳定运行。

另外，设置保护子单元22，有利于确保直流母线10与直流负荷30的短路保护、接地保护、交流窜入保护、环网保护，并提升安全性能。

在一实施例中，上述的隔离子单元21包括隔离型DC/DC变换器。

具体地，隔离型DC/DC变换器包括全桥拓扑变换器，隔离型DC/DC变换器内设有高频变压器。在隔离型DC/DC变换器中，高频变压器可以实现功率传送、电压变换和电气隔离，高频变压器通常使用铁氧体等软磁材料，工作频率在十几kHz到几十kHz，甚至上百kHz不等，不同于工频变压器的硅钢片；高频变压器功率传送的方式是通过控制功率管如IGBT的导通顺序和时间，使输入直流电变成加在高频变压器原边绕组的高频交变的方波，在铁氧体磁芯中产生磁通变化，使副边绕组感应交变的方波电压，经高频整流、滤波后供给负载稳定的直流电，实现功率从原边传送到副边。

在一实施例中，上述的隔离子单元21与直流母线10之间还连接有滤波器。

直流母线10输出的电流先经过滤波器进行滤波后，再经过隔离子单元21进行隔离后，通过保护子单元22进行多重保护，最后输出至直流负荷30，以避免故障影响整个直流系统甚至电网的安全稳定运行，而且设置保护单元，以确保整个系统的安全性。

在一实施例中，请参阅图2，上述的保护子单元22包括绝缘接地检测模块221，绝缘接地检测模块221，用于检测直流母线10的绝缘和接地检测，并对发生绝缘和接地故障的直流母线10进行保护处理。

接地故障可分为正极接地、负极接地、两点接地3种。正极接地有可能使继电保护及自动装置误动作。一般跳闸、合闸线圈通常与负极电源接通，若此时正极电源越过操作按钮或开关接点，接地时就有可能引起误动作。负极接地有可能使继电保护及自动装置拒动作。因为跳闸、合闸线圈此时被接地点短接而产生拒动。两点接地可能将某些继电器短接而不能跳闸，甚至会引起越级跳闸。更严重的是直流回路两点接地的短路电流会使电源保险熔断，并有可能烧坏继电器触点，直流保险熔断会使保护及操作等失去供电电源。绝缘降低故障主要体现在正极或负极绝缘降低，若不及时处理，则有可能发展成金属接地，与上述金属接地的危害相同，造成保护拒动、误动或越级跳闸，损坏设备，威胁电网安全运行。

设置绝缘接地检测模块221可以实时检测绝缘故障以及接地故障，并进行针对性保护，实现直流环网系统绝缘和接地的保护。

在一实施例中，请参阅图2与图3，上述的保护子单元22还包括短路检测保护模块222，短路检测保护模块222，用于对直流母线10的输出进行短路保护。

短路故障将会直接熔断直流熔断器，导致保护系统因掉电而引起保护装置报警，若没及时进行故障处理，很容易造成保护及自动装置的误动或拒动，引起事故或事故扩大。若是正负极短路，则会导致直流消失，影响范围更大。因此，设置短路检测保护模块222，以实现对直流环网系统的短路故障保护。

在一实施例中，请参阅图3，上述的短路检测模块包括电容C1、电容C2、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、电阻R1、电阻R2以及二极管D1，电容C1的一端接地，电容C1的另一端通过二极管D1与隔离子单元21连接，电阻R1与电阻R2串联后并联于二极管D1的两端，电阻R2的一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与隔离子单元21连接，三极管Q1的集电极通过电阻R4以及电阻R5接地，电容C2的一端与隔离子单元21连接，电容C2的另一端与电阻R4连接，电容C2的一端与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的发射极与隔离子单元21连接，三极管Q2的集电极通过电阻R3接地，三极管Q2的发射极与集电极并联有电容C3，隔离子单元21与三极管Q3的发射极连接，三极管Q3的集电极通过二极管D2连接着直流负荷30，另外，二极管D2与直流负荷30之间还连接有一端接地的电阻R6以及三极管D3。

电容C2两端电压不能突变，三极管Q2基极电压由隔离子单元21开始下降，下降至三极管Q2可以导通，三级管Q1起到阻止三极管Q2导通的作用，三极管Q1导通的时候电容C3在阻止三极管Q3的导通，三极管Q1的作用是延时，使得上电时保护电路不动作，三极管Q2处于截止状态可以正常输出电压了，三极管Q1的延时，即拖住三极管Q2的导通时间，先让三极管Q3导通，电容C1决定保护电路通电时保护电路的灵敏度，电容C1容量不能太大，三极管Q1是为了保护电路的可靠性稳定性而设计，三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电容C1以及二极管D1主要是在直流电源突变时起到很大的作用，短路时，三极管Q1导通，三极管Q1被拉低，形成自锁，迫使三极管Q3截止，三极管Q3截止到后面的直流负荷30没有电压，以形成短路保护。

在一实施例中，请参阅图2，上述的保护子单元22还包括环网检测保护模块223，环网检测保护模块223，用于对直流母线10的输出进行环网保护。

为提高直流电源系统供电可靠性，发电厂与110kV及以上电压等级的变电站大多采用2组蓄电池及充电设备。对于重要负荷，则分别从两套直流系统经空气开关或熔断器引出馈线，并选择任意一组直流系统供电。在实际运行中，由于设计、施工、运行过程中的倒负荷操作及绝缘降低等原因，都可能造成环网故障现象，即2套直流系统存在一点或多点电气连接，给电力系统的安全运行带来严重的危害，如引起火灾、缩短蓄电池寿命及导致空气开关级差配合失效等。因此，设置环网检测保护模块223可以实现对直流环路系统的环网故障的保护。

在一实施例中，请参阅图2，上述的保护子单元22还包括直流保护变换模块224，直流保护变换模块224，用于对直流母线10输出的电压进行变换处理。

交流窜入故障也越来越多见。交直流回路是两个相互独立的系统，直流回路是正负极对地绝缘系统，而交流回路是接地系统。若发生混线，势必会造成直流接地，如果接地发生在直流正极则会造成保护的误动，如果接地发生在负极则会造成保护的拒动。交、直流电压叠加于直流跳闸回路的中间继电器的两端，其幅值远远超过中间继电器动作电压，因此就会出现继电器误动作而导致运行设备跳闸的情况。

因此，需要设置直流保护变换模块224，以使得对直流母线10输出的电压进行变换处理和交流窜入故障的保护。

在一实施例中，请参阅图2，上述的保护子单元22还包括通讯单元225，通讯单元225与液晶显示屏226连接。

设置通讯单元225，可以将检测到的故障的情况通过通讯单元225发送至液晶显示屏226进行显示。

从直流系统入手，利用电力电子技术，开发主动式综合保护系统，一次性解决接地保护、短路保护、交流窜入保护、绝缘降低保护及环网保护问题。

上述的直流环网系统的主动式综合保护装置，通过在直流母线10与直流负荷30之间设置隔离保护单元20，隔离保护单元20包括隔离子单元21以及保护子单元22，隔离子单元21可将直流母线10与直流负荷30隔离开，避免出现故障时影响到其他支路，保护子单元22可以进行接地保护、短路保护、交流窜入保护、绝缘降低保护及环网保护，实现避免故障影响整个直流系统甚至电网的安全稳定运行，而且设置保护单元，以确保整个系统的安全性。

在一实施例中，还提供了主动式综合保护装置的工作方法，包括：

通过隔离子单元21将直流母线10与直流负荷30隔离，直流母线10输出的电压和电流经过保护子单元22进行短路保护、接地保护、交流窜入保护以及环网保护后，输出对应的电压和电流至直流负荷30。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述主动式综合保护装置的工作方法的具体实现过程，可以参考前述主动式综合保护装置实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.直流环网系统的主动式综合保护装置，其特征在于，包括连接在直流母线与直流负荷之间的隔离保护单元，所述隔离保护单元包括隔离子单元以及保护子单元，所述隔离子单元与所述保护子单元连接。

2.根据权利要求1所述的直流环网系统的主动式综合保护装置，其特征在于，所述隔离子单元包括隔离型DC/DC变换器。

3.根据权利要求2所述的直流环网系统的主动式综合保护装置，其特征在于，所述隔离子单元与所述直流母线之间还连接有滤波器。

4.根据权利要求3所述的直流环网系统的主动式综合保护装置，其特征在于，所述保护子单元包括绝缘接地检测模块，所述绝缘接地检测模块，用于检测直流母线的绝缘和接地检测，并对发生绝缘和接地故障的直流母线进行保护处理。

5.根据权利要求3所述的直流环网系统的主动式综合保护装置，其特征在于，所述保护子单元还包括短路检测保护模块，所述短路检测保护模块，用于对直流母线的输出进行短路保护。

6.根据权利要求3所述的直流环网系统的主动式综合保护装置，其特征在于，所述保护子单元还包括环网检测保护模块，所述环网检测保护模块，用于对直流母线的输出进行环网保护。

7.根据权利要求3所述的直流环网系统的主动式综合保护装置，其特征在于，所述保护子单元还包括直流保护变换模块，所述直流保护变换模块，用于对直流母线输出的电压进行变换处理。

8.根据权利要求3所述的直流环网系统的主动式综合保护装置，其特征在于，所述保护子单元还包括通讯单元，所述通讯单元与液晶显示屏连接。

9.根据权利要求2所述的直流环网系统的主动式综合保护装置，其特征在于，所述隔离型DC/DC变换器包括全桥拓扑变换器，所述隔离型DC/DC变换器内设有高频变压器。

10.主动式综合保护装置的工作方法，其特征在于，包括：

通过隔离子单元将直流母线与直流负荷隔离，直流母线输出的电压和电流经过保护子单元进行短路保护、接地保护、交流窜入保护以及环网保护后，输出对应的电压和电流至直流负荷。

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