一种集成了故障定位功能的固态断路器RCD缓冲电路与故障点检测方法与流程

本发明属于直流微电网技术领域，涉及直流微网母线故障的保护及检测，尤其是一种集成了故障定位功能的固态断路器RCD缓冲电路与故障点检测方法。

背景技术：

当直流电网发生永久性故障时，由于断路器不能再次重合闸，为了提高供电可靠性与电力系统稳定性，应快速找到故障点位置，排除故障。现有的直流微网传输线路的故障测距方法主要有阻抗法与行波法两种。

阻抗法通常作为微机保护及录波装置的附加功能，具有启动定值量化、投资少等特点；但在直流微网中，由于直流系统中的敏感器件如IGBT等在故障电流很大时需要快速关断以进行保护，动作时间一般在几毫秒以内，而阻抗法是基于稳态值的测量，因此不能满足时间上的要求；同时阻抗法测距精度受过渡电阻、分布电容、系统运行方式等因素的影响较大，精度上不能满足电力系统对测距精度的要求。

行波法测距包括单端法行波测距和双端法行波测距。单端法行波测距不需要传递对侧数据、不受通信技术条件限制，具有投资小、实施简单、测距精度高等特点，但单端法行波测距需要考虑行波的衰减及母线的反射等因素，存在识别放射波困难等情况；双端法测距只识别行波首波头，不用辨别反射波，测距精度高，但双端法测距要求两侧装置要接入统一的、稳定的时钟信号源并且要求两侧通信的线路具有很高的可靠性，否则很容易造成测距失败的情况。另外，无论是单端法行波测距还是双端法行波测距，都需要附加额外的电气设备，增大投资，而且其启动定值均不能量化实际运行中启动门槛设置往往较低，容易误启动。

因此以上两种方测距法在一定条件下都有一定的局限性，

此外，当直流微网发生故障时，由于不像交流系统中存在电流自然过零点，两端固态电子开关(SSCB)在开通过程中的电流上升率di/dt和在关断过程中的断态电压上升率du/dt都非常大，可能会对功率器件造成损坏或击穿。此外，即使固态电子开关完成关断动作，线路上电感所储存的能量将在器件两端产生过大的电压，若不采取有效措施，则直流固态电子开关动作时将是在大电流、高电压下的硬关断，这将使其遭受巨大冲击甚至损坏。因此需要增加一定的缓冲电路来避免SSCB遭到破坏，如RCD缓冲电路。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种具有故障定位功能的缓冲电路，对两者功能进行集成，可以有效提高器件的利用率，减小保护电路的体积，节约直流微电网故障保护系统的成本。

本发明的具有故障定位功能的固态断路器缓冲电路的技术方案是：

一种集成了故障定位功能的固态断路器RCD缓冲电路，应用于直流微电网中，其特征在于，包括固态断路器以及RCD缓冲电路，其中，

所述固态断路器包括两个反串联IGBT组，每个IGBT组由两个反并联二极管构成，固态断路器的两端分别为V1端和V2端，其中，V1端口的母线上串联隔离开关T，用于确保故障线路段与微网系统剩余部分隔离；

所述的缓冲电路包括电容Cs，电容Cs一端与V1集电极相连，另一端分别连接缓冲电阻Rs与二极管Ds的阳极，缓冲电阻Rs的另一端连信号地；继电器Ts一端与二极管Ds的阴极相连，另一端连接V2的集电极，与隔离开关T共用同一控制信号，用于控制二极管Ds支路在发挥缓冲作用时导通，在故障定位过程中关断。

一种基于固态断路器RCD缓冲电路的故障定位方法，其特征在于，包括：

步骤1，控制隔离开关T与继电器Ts同时断开，在进行故障段隔离的同时避免二极管Ds对定位过程的影响；

步骤2，控制固态断路器重新开通，使回路中形成振荡电流，通过检测线路电流i的峰值和阻尼振荡频率计算故障点距离。

一种基于集成了故障定位功能的固态断路器RCD缓冲电路的直流微网中故障点的检测与计算方法，其特征在于，线路电流i满足二阶电路零输入响应变化规律，其衰减系数、阻尼振荡频率等参数与短路点距离有函数关系，通过对线路电流i进行采样检测，计算故障点的距离方法如下：

本发明的特征在于设计了一种固态断路器的缓冲电路拓扑，使其兼具故障定位功能。当线路发生短路故障时，无论是极对地故障或者极间短路故障，故障线路上的固态断路器立即响应纵联电流差动保护而受控断开。短路电流由固态断路器转移到RCD缓冲电路上，由缓冲电容Cs与缓冲电阻Rs两个支路续流从而抑制di/dt，避免固态断路器两端形成较大的关断过电压对器件造成损坏。该电路实现故障定位功能分为两步：第一步为固态断路器重合闸失败，判断故障类型为永久性故障后，控制隔离开关T与继电器Ts同时断开，在进行故障段隔离的同时避免二极管Ds对定位过程的影响；第二步为控制固态断路器重新开通，此时由缓冲电容Cs、缓冲电阻Rs、断路器寄生电感Ls、线路电阻λR、电感λL与故障电阻R_f构成了LC振荡电路，通过检测线路电流可以实现故障定位功能，故障点检测及计算方法下面进行阐述。

一种基于集成了故障定位功能的固态断路器RCD缓冲电路的直流微网中故障点的检测与计算方法，其特征在于，线路电流i满足二阶电路零输入响应变化规律，其衰减系数、阻尼振荡频率等参数与短路点距离有函数关系，通过对线路电流i进行采样检测，计算故障点的距离方法如下：

在LC振荡电路中，电容Cs具有初始电压，线路电流i满足二阶电路零输入响应变化规律，表示为：

其中，α_d为衰减系数、ω_d为阻尼谐振频率；在采样频率满足要求时检测线路电流i，N为采样点个数，A_i为采样电流值，t_i为采样时刻，α_d、ω_d计算方法如下：

它们与电路的自然频率ω_o满足关系：

故障距离λ与故障电阻R_f计算过程如下：

通过上述检测及计算方法，在线路单位长度的电感技术参数已知时就能够实现对故障点的定位。

本发明具有如下优点：1.本发明的拓扑使固态断路器的缓冲电路兼具了故障点定位功能，与在保护系统中分别设置RCD缓冲电路与LC故障定位电路的方式相比，避免了两者之间的交互作用对其功能产生负面影响，从而造成过压抑制效果变差或定位精度降低的情况。对本发明的拓扑中各器件参数设计和选择可以同时满足过压抑制效果与定位精度的要求。2.本发明的拓扑特点在于功能集成。由于故障定位仅在发生永久性故障后进行，而微网系统中故障类型多为瞬时性故障，因此故障定位电路使用频率不高。采用功能集成的方式能够大大提高器件的利用率，减小保护装置的体积，降低建设成本。3.与传统的RCD缓冲电路相比较，本发明的拓扑仅仅增加了一个与二极管串联的继电器，拓扑结构简单，成本较低且易于实施。

附图说明

图1为本发明实施例的直流微网系统结构图。

图2为本发明实施例在发生极间短路故障时固态断路器关断之前的短路电流图。

图3为本发明实施例在发生极间短路故障时固态断路器关断之后的短路电流图。

图4为本发明实施例在故障定位过程中的线路电流图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明的具有故障定位功能的固态断路器缓冲电路的技术方案是：由两个带反并联二极管的IGBT(V1、V2)反串联构成固态断路器，V1端口的母线上串联隔离开关T，用于确保故障线路段与微网系统剩余部分隔离。RCD缓冲电路中电容Cs一端与V1集电极相连，另一端分别连接电阻Rs与二极管Ds的阳极，电阻Rs的另一端连信号地。继电器Ts一端与二极管Ds的阴极相连，另一端连接V2的集电极，与隔离开关T共用同一控制信号，用于控制二极管Ds支路在发挥缓冲作用时导通，在故障定位过程中关断。

本实施例的直流微电网的输电线路为双极性输电线路，线路等效模型采用π型模块，以分段式集中参数电阻λR、电感λL、电容λC来模拟分布参数。线路中设置模拟故障点，以极间短路故障为例加以说明。

当微网正常工作时，直流固态电子开关V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆、V₇、V₈均处于开通状态，能实现能量的双向流动。若能量从母线一流向母线二，实际真正导通的开关管为V₁、V₃、V₅、V₇，反并联的二极管VD₂、VD₄、VD₆、VD₈正向导通；若能量从母线二流向母线一，则真正导通的开关管为V₂、V₄、V₆、V₈，反并联的二极管VD₁、VD₃、VD₅、VD₇正向导通。正常工作时缓冲电路不开通，没有电流通过，电容Cs上具有0.5u_dc的初始电压。下面以能量从母线一流向母线二的情况为实施例，对发生短路故障之后该缓冲电路实现过压抑制以及故障定位作用的过程进行详细分析。

图2为发生极间短路故障时固态断路器关断之前的短路电流图。短路电流分别从母线侧涌向短路故障点，分别流经固态电子开关V₁、VD₂，V₄、VD₃，V₆、VD₅，V₇、VD₈。检测到短路电流后，在纵联电流差动保护的作用下固体断路器开始关断。在关断过程中，当固态电子开关上的电压达到0.5u_dc时RCD缓冲电路开始作用，短路电流由固态断路器逐渐换流到缓冲电容Cs与缓冲电阻Rs支路上，经过Ds流向短路点，当短路电流全部转移到缓冲电路上之后，固态断路器完全关断。

图3为固态断路器关断之后的短路电流图。由于缓冲电路中Cs及Rs支路的作用，避免了线路杂散电感上di/dt过大从而在固态断路器两端形成很大的关断过电压，确保固态电子开关器件的安全关断。

为了判断故障类型并且尽快排除故障，需要对固态断路器采取重合闸操作。若重合闸成功，说明故障为瞬时性，系统将恢复正常运行；若重合闸后仍然检测到较大的短路电流，将判断为永久性故障，应立即断开固态断路器，并对故障点进行定位以便快速排除故障。

故障定位操作分为两步，第一步是控制隔离开关T与继电器Ts同时断开，在进行故障段隔离的同时避免二极管Ds对定位过程的影响；第二步为控制固态断路器重新开通，由于缓冲电容Cs上存在初始电压，在缓冲电容Cs、缓冲电阻Rs、断路器寄生电感Ls、线路电阻λR、电感λL与故障电阻R_f构成的回路中形成振荡电流，图4为故障定位过程中的线路电流图。

图4中故障电流检测点处对电流值进行采样，按照本发明技术方案中故障点的计算方法即可求得故障点到检测点的准确距离，实现故障定位。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。