低壓直流配電系統(tǒng)安全指南

西門子（中國）有限公司、機械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟研究所、上海電器科學研究院、江蘇和網(wǎng)源電氣有限公司、上海湃喏文化傳播有限公司、中國質(zhì)量認證中心。

本標準給出了低壓直流配電系統(tǒng)的一般性安全因素、分斷與隔離的安全、過電流保護、接地故障及熱效應(yīng)防護和暫態(tài)過電壓防護等要求。

本標準適用于在下述戶內(nèi)、戶外場所的直流1500V以下的直流配電系統(tǒng)（但不限于）：

——民用及工業(yè)建筑物；

——醫(yī)療場所；

——車載及可運輸裝置；

——信息及通訊設(shè)施供電系統(tǒng)；

——光伏供電系統(tǒng)。

本標準不適用于下述場所：

——電氣牽引車輛及信號設(shè)備（系統(tǒng)）；

——機動車的電氣設(shè)備；

——船用及飛行器的電氣設(shè)備（系統(tǒng)）；

——專用設(shè)備及場所的直流供電。 2100433B

胡宏宇、李鋒、馬紅、柴熠、方曉燕、林永清、黃立新、康巍、曾雁鴻。

本標準給出了低壓直流配電系統(tǒng)的一般性安全因素、分斷與隔離的安全、過電流保護、接地故障及熱效應(yīng)防護和暫態(tài)過電壓防護等要求。 本標準適用于在下述戶內(nèi)、戶外場所的直流1500V以下的直流配電系統(tǒng)（但不限于）： ——民用及工業(yè)建筑物； ——醫(yī)療場所； ——車載及可運輸裝置； ——信息及通訊設(shè)施供電系統(tǒng)； ——光伏供電系統(tǒng)。 本標準不適用于下述場所： ——電氣牽引車輛及信號設(shè)備（系統(tǒng)）； ——機動車的電氣設(shè)備； ——船用及飛行器的電氣設(shè)備（系統(tǒng)）； ——專用設(shè)備及場所的直流供電。

如前所述，直流網(wǎng)絡(luò)保護是直流配電系統(tǒng)保護的核心，而直流線路的故障特性又與換流器結(jié)構(gòu)類型密切相關(guān)。為保證系統(tǒng)電壓和功率的可控性，提高電能質(zhì)量，直流配電系統(tǒng)中的換流裝置為電壓源型換流器(voltage source converter VSC)，包括三相兩電平、三電平或模塊化多電平等結(jié)構(gòu)，目前文獻中所研究的低壓配電一般為三相兩電平結(jié)構(gòu)，故以下討論也以三相兩電平結(jié)構(gòu)為主。傳統(tǒng)交流系統(tǒng)根據(jù)幾十年的運行經(jīng)驗，已經(jīng)形成了一套比較完善的保護運行標準和規(guī)范，但直流配電系統(tǒng)與交流系統(tǒng)有很大不同，故障有其自身的特點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)故障電流上升迅速。當直流線路發(fā)生接地故障時，VSC直流側(cè)并聯(lián)的濾波電容首先在極短的時間內(nèi)對故障點放電，造成線路電流迅速上升，這對保護監(jiān)測和隔離裝置的速度提出了很高的要求。并且直流線路發(fā)生短路故障后，VSC在自身保護的作用下鎖定絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，但與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管仍連接在電路中，交流電源通過二極管持續(xù)向故障點釋放不控整流電流，使短路電流不能自然衰減。

2)影響范圍廣。直流配電系統(tǒng)中的大部分并網(wǎng)單元都通過換流器接入，當直流線路上任何一點發(fā)生接地故障時，與之相連的換流器出口電容都會向故障點放電，造成直流電壓的迅速下降，影響相關(guān)設(shè)備的使用。特別是交流電源、電動機等單元還會通過續(xù)流二極管持續(xù)向故障點提供短路電流。另外，故障發(fā)生在交流電源側(cè)或負荷側(cè)時，會引起出口直流電壓的變化，對非故障區(qū)域造成影響。

3)故障定位困難。高壓直流輸電電纜線路頻變參數(shù)明顯，目前主要采用行波法進行故障定位，另外學者們還提出了利用電流固有頻率、基于參數(shù)識別原理等故障定位方法。與高壓直流輸電不同的是，直流配電系統(tǒng)線路T接負荷和分布式電源，需要精確故障定位，但直流配電系統(tǒng)電纜線路長度短，精確的故障定位比較困難，特別是系統(tǒng)高阻接地時，故障檢測更加困難。

4)缺乏直流斷路設(shè)備。與交流相比，直流電流沒有自然過零點，滅弧困難得多，消弧需要更大的空間，控制也更加復(fù)雜。目前可商業(yè)應(yīng)用的直流斷路器容量有限且價格昂貴。沒有低成本可商業(yè)應(yīng)用的大容量直流斷路器和缺乏工程實際運行經(jīng)驗是直流配電系統(tǒng)保護設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)。

5)多種電力電子裝置影響。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流斷路器技術(shù)不斷取得新的突破，也有不少學者提出了利用換流器來限制和切斷故障電流，另外還出現(xiàn)了多種具有故障限流能力的換流器和故障電流限流裝置(FCL) 。

直流配電系統(tǒng)的保護系統(tǒng)包含測量裝置、繼電器、出口斷路器、隔離設(shè)備等。保護系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足可靠性、速動性、選擇性、經(jīng)濟性等要求。柔性直流輸電保護系統(tǒng)針對各主要設(shè)備和故障類型，將系統(tǒng)劃分為交流側(cè)保護、換流器保護、直流側(cè)保護(直流輸電線路保護))3個區(qū)域。但與柔性直流輸電系統(tǒng)不同的是，直流配電系統(tǒng)直流線路T接負載及分布式電源支路，故障類型要復(fù)雜得多。以中壓直流配電系統(tǒng)為例，保護區(qū)域大體可以分為交流電源側(cè)保護、變換器保護、直流網(wǎng)絡(luò)保護、負載保護4部分，各區(qū)域可能發(fā)生的故障類型或不正常運行方式主要包括 ：

1)交流電源側(cè)保護。交流電源側(cè)可能發(fā)生各種類型的線路短路或者斷線故障，同時也需要考慮交流變壓器的保護。另外還包括由于操作或甩負荷引起的過電壓、低電壓、電壓驟降及三相系統(tǒng)不平衡等不正常運行方式。直流配電系統(tǒng)保護設(shè)計需要考慮交流電源側(cè)故障對直流網(wǎng)絡(luò)運行及保護的影響。

2)變換器保護。直流配電系統(tǒng)中的變換器包括AC/DC換流器、DC/AC換流器及DC/DC變換器。變換器是直流配電系統(tǒng)的核心，也是保護設(shè)計關(guān)注的重要部分。變換器故障主要有閥短路、橋臂短路、變換器交流側(cè)或直流側(cè)出口短路、脈沖觸發(fā)系統(tǒng)故障、冷卻系統(tǒng)故障等。變換器的保護由裝置自身保護和系統(tǒng)提供的后備保護實現(xiàn)，在直流配電系統(tǒng)保護設(shè)計中需要考慮變換器自身保護動作對系統(tǒng)保護的影響和與系統(tǒng)保護的配合。

3)直流網(wǎng)絡(luò)保護。直流網(wǎng)絡(luò)保護主要指直流母線和直流饋線的保護，是直流配電系統(tǒng)保護的核心。根據(jù)實際需要不同，直流系統(tǒng)接線可以采用單極接地或中性點接地，線路可以采用架空線或直流電纜。直流線路故障包括接地故障、極間故障及斷線故障，另外還存在絕緣水平下降、低電壓或過電壓等不正常運行方式。電纜線路故障一般為永久性故障，對架空線路來說還會發(fā)生雷擊、污閃等引起的暫時性故障。

4)負荷側(cè)保護。直流配電系統(tǒng)同時存在直流負荷和通過逆變器接入的交流負荷，光伏、小型燃氣輪機等分布式電源及儲能也囊括在負載保護區(qū)域。負載保護區(qū)可能發(fā)生的故障有短路、過載等。儲能電池通過雙向換流設(shè)備接入直流網(wǎng)，在保護設(shè)計時需考慮其能量流動的雙向性。

2017年11月1日，《低壓電氣設(shè)備安全風險評估和風險降低指南》發(fā)布。

2018年5月1日，《低壓電氣設(shè)備安全風險評估和風險降低指南》實施。