直流系统保护

1 直流微电网接地方式

根据 IEC60364-1[19]对直流系统接地型式的定义，与交流系统一样，也可分为TT(T=

电源侧直接接地；T=用电设备外露导电部分直接接地)、IT(I=电源侧不接地或经高阻抗

接地，T=用电设备外露导电部分直接接地)、TN(T=电源侧直接接地，N=用电设备外露导电

部分经保护线与电源侧共地) 三种接地型式

IT 表示直流母线处(可以为正极、负极或中性点)不接地或经高阻抗接地，电气装置的外

露可电导部分直接接地. 研究表明，对于不存在对地电容的直流系统而言，IT 系统的一次

接地故障监测十分困难，用户也无法用电笔测试出该系统直流电的极性. 在IT 接地型式中，相比负电极，正电极与大地连接可以减小电腐蚀的效应。当接地故障发生时，故障电流较小，仍可以保证负载的正常运行，因此现有低压直流系统也大多采用无中线的IT 系统，但

由于故障电流小，导致其故障检测困难，容易引发二次极间故障

TN 表示直流母线处(可以为正极、负极或中性点)直接接地，所有电气设备外露可导电部

分均接到保护线上，并与上述接地点相连。而我国传统交流系统中广泛使用的TN 系统(T

电源侧直接接地，N用电设备外露导电部分经保护线与电源侧共地)，其优点在于能将

接地故障转化为短路故障从而增大故障电流、利于保护设备的动作，但由电力电子变换装

置提供电源的直流系统中，一般均含有大量对过电流敏感的电力电子器件，该特性能否在

直流系统中发挥同样的优势需作进一步的探讨。TN 系统发生接地故障时，会有较大的故

障电流和电压暂变现象，这会影响连接在故障电极上的其他负载运行，该接地方式故障容

易检测并快速清除。考虑到目前家用设备接地保护线与交流零线电位差限制，未来直流微

电网在给住宅、学校、商业建筑和工业区域供电建议采用TN系统。

2 直流微电网故障类型

根据故障的类型进行划分，可将直流微网的故障分为接地故障和极间故障，如图16 所示。

接地故障依据故障阻抗大小可分为高阻抗接地和低阻抗接地故障，极间故障阻抗通常较小。上述两种类型故障位置即可位于母线处，也可位于馈线处。

直流微电网接地故障对系统的影响则依据系统的结构与接地形式的不同而不同。对于不接地或经高阻抗接地(如IT 系统)的直流微电网系统，接地故障的快速检测与定位仍是难点之一。直流微电极间故障多为短路故障，故障检测与定位相对容易。以双极性含中线的三线制直流微电网结构为例，正、负极间故障最为严重，将影响到所有连接至该母线处的分布式电源、储能单元、交直流接口DC-AC 变流器与负荷的正常供电；若发生在正极与中线或负极与中线的极间故障，若能进行快速隔离，则可以保证未故障极间的供电连续性；在馈线末端发生极间故障时，其对直流母线电压的影响主要取决于故障回路阻抗和故障切除时间。

3 熔断器和高压直流断路器

国内外的学者和研究机构对于高压直流分断技术进行了广泛而深入的研究，先后研制出了基于不同原理的高压直流断路器。2012 年ABB 公司研制出了世界第一台直流电网用的混合式高压直流断路器样机，并成功进行了80 kV/5 ms/9 kA(额定电压/分断时间/最大分断电流)的模块单元试验；此后Alstom 公司也研制出了120 kV/5.5 ms/5.2 kA的原理样机。国内关于高压直流断路器的研究工作起步较晚但成果卓著。2014 年底，由南方电网科学研究院牵头研制出了55 kV/5 ms/16 kA 的高压直流断路器单元样机；紧接着由国网智能电网研究院自主研制出200 kV/3 ms/15 kA 试验样机，它们都标志着我国已经步入大功率高压直流断路器样机研制阶段。

熔断器是过电流继电保护装置与开断装置合为一体的开关设备，根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而断开电路。熔断器的选择主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。熔断器具有结构简单、使用方便、价格低廉等优点，在低压系统中广泛被应用。

直流断路器根据电流开断方式不同，主要有机械式直流断路器、固态直流断路器和基于二者结合的混合式直流断路器。

1．机械式直流断路器通态损耗低，但快速切断故障电流能力不强(目前最快仍需要数十毫秒)。近年来，完全由可控型半导体器件构成的直流固态断路器，以数毫秒级分断能力、无触点、分断不产生电弧等优点受到广泛关注。

1.1机械式高压直流断路器采用SF6 或者真空交流断路器作为主分断装置，具备通态损耗

低、耐压强度高、可靠性高等优良的静态特性。典型的机械式高压直流断路器按原理的不同可分为无源自激振荡型(如图1(a)所示)和有源他激振荡型(如图1(b)所示)2 种。

无源自激振荡型高压直流断路器利用电弧负阻特性与并联的L、C 电路谐振制造电流过零点熄灭电弧，结构简单、控制环节要求低、可靠性高，在端到端高压直流输电系统中的直流转换开关上有着广泛的工程应用，技术比较成熟。有源他激振荡型高压直流断路器通过预充电的高压电容器向主分断支路注入反向电流来制造过零点，进而分断直流电流，技术门槛低，开断能力强。

机械式高压直流断路器的主要局限性是其分断速度和分断能力受制于自身物理机构的机械性能，使之难以满足VSC-HVDC 输电系统的要求。此外，每次分断过程都要产生电弧容易带来开关触头的磨损，降低直流断路器的使用寿命，增加维护成本。

2．与机械式直流断路器相比，固态直流断路器切除故障电流速度更快，但通态损耗相对较大、成本较高。

2.1固态高压直流断路器

固态高压直流断路器采用纯电力电子器件作为主分断装置，与传统的机械式断路器相比，其动态性能优势明显：开关速度极快(微秒级)；易于实现精确、智能控制；开关工作时没有电弧产生。依据所采用的电力电子器件类型可分为2 种：半控型(如图2(a)所示)和全控型(如图2(b)所示)固态高压直流断路器。

半控型固态高压直流断路器采用半控型器件晶闸管构成主开关支路，配合辅助电路强迫电流转移，实现主开关支路上的电流过零关断，具有耐受电压高，分断能力强，可靠性高等优点；不足之处是增加的辅助电源和高压电容会使设备复杂化，增大占地面积，提高