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关于并联直流电源系统馈线故障隔离问题的研究

2017-12-10

中国电源产业网

导语：在并联直流电源系统中，当发生馈线短路故障时，并联电池模块因自身短路保护而导致馈线开关不能可靠跳闸，直接影响到直流电源正常供电。针对以上问题，本文对并联电池模块输出特性进行优化，提升系统过载能力，使其在短时间内提供过载电流。同时搭建系统平台模拟馈线支路故障进行试验，验证了馈线故障时，微型断路器能够可靠脱扣，实现馈线故障隔离。

摘要：在并联直流电源系统中，当发生馈线短路故障时，并联电池模块因自身短路保护而导致馈线开关不能可靠跳闸，直接影响到直流电源正常供电。针对以上问题，本文对并联电池模块输出特性进行优化，提升系统过载能力，使其在短时间内提供过载电流。同时搭建系统平台模拟馈线支路故障进行试验，验证了馈线故障时，微型断路器能够可靠脱扣，实现馈线故障隔离。

关键字：并联直流电源系统；馈线故障；脱扣；隔离

Research on the Problem of Feeder Fault Isolation in Parallel DC Power Supply System

Fang Geng1 Leng Xudong2 Yang Panpan3

（Shenzhen TIEON Energy Technology Co.Ltd Baoan District 518133）

Abstract：In parallel DC power supply system, when the feeder fault occurs, the feeder switch cannot reliably tripping because of the parallel battery module’s short circuit protection, which directly affects the normal power supply of DC power. Aiming at the above problems, the output characteristics of the parallel battery module is optimized in this paper to improve the system's overload capability, and provide overload current in a short period of time. At the same time, a system platform is set up to simulate feeder branch fault, and we verified that the microcircuit breaker can reliably tripping, which realize the feeder fault isolation.

Key words：Parallel DC power supply system; Feeder fault; Tripping; Isolation

0 引言

并联型直流电源系统目前主要应用在110kV及以下等级变电站，将具有AC/DC充电、DC/DC升压等功能的模块，结合12V蓄电池构成“并联智能电池组件”，并通过多个电池组件并联输出，组成满足实际需求的并联直流电源系统[1]。目前，这种并联直流电源系统在馈线支路发生过载或短路故障时，采用的是分段母线增加储能电容方法，实现馈线支路故障隔离[2]。但是，增加储能电容方案只能在馈线故障电流处于断路器瞬时脱扣区域内实现脱扣，无法满足馈线故障电流处于断路器过载热脱扣区域内的可靠脱扣[3]。

针对以上问题，本文通过优化并联电池模块输出特性，提高并联直流电源系统过载能力，实现馈线故障隔离，同时搭建了系统平台模拟馈线支路故障进行试验，验证了在馈线故障时，微型断路器能够实现可靠脱扣。

1 理论分析

1.1 并联电池模块输出限流特性

对并联电池模块输出限流特性进行优化，改善并联直流电源系统过载能力，优化后输出限流特性曲线如图1所示。横坐标I/Ie表示输出电流与额定电流比值，即额定电流的倍数，倍数越大，模块达到限流保护的时间越短。

图1 并联电池模块输出限流特性曲线

1.2 系统原理

并联型直流电源系统在不同应用场合配置相应数量的并联电池组件，合理设计馈线断路器最大额定电流，并通过负荷模拟馈线回路阻抗，产生不同大小故障电流。并联电池模块在短时间内提供过载电流，实现断路器可靠脱扣，从而达到馈线支路故障隔离效果。

1.3 配置方案

通过对断路器脱扣曲线以及不同直流系统负荷情况进行分析，以典型应用为参考，设计了并联直流电源系统方案。选取三种模块配置作为试验对象，分别为24个模块配置、16个模块配置、6个模块配置，其中当模块组件数量大于16个时，将其中16只蓄电池串联，经二极管、熔断器汇总至母线。不同系统、不同模块配置数量时，对应馈线断路器最大额定电流都不同，具体系统配置方案如表1所示。

表1 系统配置方案表

系统	模块数量	馈线开关S2额定电流
220V	6个	10A
	16个	25A
	22个	40A

2 馈线故障试验

2.1 系统平台搭建

根据系统原理及方案配置，搭建试验系统平台，如图2所示。通过AC380V三相交流电同时给3个并联电池屏输入供电，每个并联电池屏最多支持8个模块并联输出，每个屏内模块并联输出至子母线1L+、1L-，各子母线再分别汇流至母线+KM、-KM。其中通过导线L模拟馈线故障回路阻抗，利用分流器检测馈线故障电流。试验时，先闭合馈线断路器S2，再通过闭合S1形成馈线故障回路，验证馈线断路器S2是否可靠脱扣；同时利用示波器记录母线电压、馈线故障电流波形。

图2 试验系统示意图

2.2 试验步骤

试验设备有：并联电池模块22台、圣阳铅酸蓄电池 SP12-200（12V/200Ah）22只、Agilent数字存储示波器 MSO-X 3014A 1台、300A 75mV分流器 1只、Agilent 无源探头 N2862B 1个、Agilent高电压差分探头 N2790A 1个。

如图2所示，在不同系统配置方案下进行试验时，先闭合馈线断路器S2，再通过闭合接触器S1形成馈线故障回路，验证馈线断路器S2是否可靠脱扣。同时通过示波器测量母线+KM、-KM输出电压，分流器测量馈线故障电流。

2.3 试验结果

在蓄电池单独供电条件下，对220V配置系统进行试验。其部分试验数据如下：模块配置为5个，断路器品牌为西门子，额定电流为10A的系统，在馈线故障电流为6.5Ie(65A)时，母线输出电压、故障电流如图3所示；模块配置为14个，断路器品牌为施耐德，额定电流为25A的系统，在馈线故障电流为6.5Ie(162.5A)时，母线输出电压、故障电流如图4所示；模块配置为22个，断路器品牌为ABB，额定电流为40A的系统，在馈线故障电流为6.5Ie(260A)时，母线输出电压、故障电流如图5所示。绿色波形表示母线输出电压，红色和黄色波形均表示馈线故障电流。

图3 5个模块母线输出电压、故障电流波形

图4 14个模块母线输出电压、故障电流波形

图5 22个模块母线输出电压、故障电流波形

试验结果： 220V系统在不同系统配置系统、不同断路器品牌下，当馈线故障电流处于断路器过载热脱扣区域内时，系统在蓄电池单独供电情况下使断路器可靠脱扣，实现馈线故障隔离；同时存在馈线故障电流在某些过载热脱扣区域内时，母线输出电压跌落较大的问题。

2.4 试验总结

通过配置不同模块数量、相应额定电流馈线断路器组成的并联型直流电源系统方案，在馈线支路发生过载或短路时，都能实现断路器可靠脱扣，达到馈线支路故障隔离效果。

3 结论

针对并联直流电源系统馈线支路故障隔离问题，本文提出了并联直流电源系统馈线支路故障隔离问题解决方案，并通过试验验证了馈线故障时，微型断路器能够可靠脱扣，实现馈线故障隔离。

参考文献

[1] 曹亚非, 姜华, 胡凯等. 一种采用电池组并联供电的直流系统[J]. 电源技术, 2016, 40(2): 358-360.

[2] 王杰. 基于间接并联智能电池组件的一体化电源应用研究[J]. 湖北电力, 2011, 35(a01):98-100.

[3] 冷旭东, 王坚. 关于电力通信用DC/DC馈线短路问题的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2009, 37(13): 114-117.

编辑：方耿冷旭东杨盼盼 / 深圳市泰昂能源科技股份有限公司

来源：《电源工业》杂志

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