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摘要：低压直流供电系统具有许多优势，可降低系统的电能损耗，增强供电的连续性和可靠性，有效地提高电能质量。
关键词：民用;低压直流供电系统;保护
与交流系统相比，低压直流（LVDC）供电系统在降低系统电能损耗、提高供电连续性及可靠性、改善电能质量等方面具有显著优势，并且简化了系统结构。基于此，本文详细论述了民用低压直流供电系统保护。
一、LVDC系统结构
低压直流供电系统结构包括网络结线、终端母线形式和母线电压等级，其决定了系统的保护设计及安全性。常用低压直流母線电压等级为48V、220V、300V、380V、750V等。为了保证供电的可靠性，充分利用绿色能源，将大量分布式电源和储能系统接入，使LVDC供电系统结构多样化，可分为直流放射式、直流环形、交直流混合式。为满足不同用户的需求，在终端总线进入用户时可分为单极结构、双极结构、双层电极结构。
二、LVDC系统的保护策略
主网母线电压恒定是直流供电系统可靠稳定运行的前提。当母线发生故障时，将影响所有分布式电源和负荷，除配置具有良好性能的能量平衡控制系统外，系统还需具有快速排除故障的保护机制。对于不同的LVDC系统，相应的保护策略也有很大不同。
1、放射状结构的保护。放射状结构较简单，其配电方式为放射状，点对点送电，所有供电和用电设备均连接在同一母线上。针对大容量低压直流系统的特点，提出一种集中监控保护策略。保护系统采用换流器和接触器相结合的方式：当故障发生时，先阻断换流器;当故障电流衰减到接触器的额定开断电流时，切断故障，使故障点与电源隔离;然后恢复换流器的运行，以保证其它无故障电路的正常运行。
2、环形结构的保护。由于环形结构的特殊性，采用上述集中式保护控制方法将更加复杂。有文献中，交流侧的交流断路器用于开断故障电流，而直流侧开关仅用于隔离故障。还有文献提出在两个连接组件间分段控制的方法，并通过续流电路限制过大的故障电流。各段控制系统相互独立，在该方法中，主-从控制器通过监测分段两侧电流信号的差值来产生动作指令，其能快速隔离故障，恢复系统母线电压。
三、LVDC系统的电击防护
1、直流安全电压。安全电压是指在发生电击事故时，保证人体不会造成致命危险的最低电压，它是民用低压供电系统保护设计的一个重要参数。需注意的是，直流电对人体的电击效应与发生电击时流过人体的电流方向有着极为密切的关系，这与交流系统有着本质的区别。当发生正、负极电击事故时，通过人体的电流方向正好相反（考虑人体竖直站立于地面）。IEC 60479指出，当人体通过直流电时，向上流动造成致命危险的概率约为向下流动的两倍。
根据IEC标准，通过人体纵向向上直流电的安全电压为120vt261，但考虑的直流电不含纹波的纯直流电。在实际工程中，当前所能获得的直流电一般通过电力电子装置变换而来，并含有一定的纹波。对此进行了修正，给出了更为保守的90V直流安全电压。因此，对于通过人体的纵向下行电流，安全电压限值可适当放宽至180V，也可根据负电击情况进行最保守的估计。
2、各接地形式的电击防护性能。接地形式决定的电击防护性能是保证系统电气安全的重要因素之一。根据IEC 60364-1对直流系统接地形式的定义，与交流系统类似，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;T=用电设备外壳直接接地）、TN（T=电源侧接地;N=用电设备外壳经保护线与电源接地点连接）三种形式，其中电源接地点可为正极、负极和中点。
现有的低压直流供电系统大多采用无中线的IT系统，IT系统发生电击事故时，人体预期接触电压可有效控制在1V内，对人体几乎无伤害，电击防护性能优异。然而，系统的接地故障很难监测，易导致多点接地而演变为短路故障，用户无法用电笔探测直流电极性。相比之下，虽然TT和TN系统的PTV往往无法满足安全电压限值的要求，但通过配置适当的保护设备仍能保证人身安全。在我国传统的交流系统中，TN系统由于能将接地故障转化为短路故障，有利于保护设备动作而得到广泛应用。然而，在民用低压直流供电系统中，接地故障的发生频率远高于极间短路故障，TN系统的这一特性将不利于系统中大量过电流敏感的电力电子器件，同时也对保护设备提出了更为严格的要求。因此，今后直流供电系统推荐采用TT系统接地形式。
3、接地故障保护。接地故障的监测和保护取决于接地形式的选择。对于TT系统，根据交流系统的接地保护整定，可采用剩余电流保护器（RCD）实现，但需注意的是，直流系统中使用的RCD动作原理与交流系统不同，恒定直流电不能形成可变磁通，因此不能产生动作信号。有学者提出将磁通量监测技术集成到直流RCD中，但目前还未商业化的直流RCD，这需各界制造商和同行的共同努力。对于IT系统，尤其是电源侧不接地时，系统接地时分布电容对地产生的漏电流几乎为零。因此，学者们在这一领域开展了大量的研究工作，但要研制出经济实用的直流绝缘监测装置还有很长的路要走。对于TN系统，由于它将接地故障转化为短路故障，直流系统的过电流保护设备易动作，此时应结合具体情况考虑接地故障的监测和定位。
四、LVDC系统的末端过电流保护
1、保护设备的选择。在LVDC终端配电系统中，断路器或熔断器仍是当前商业化可用的保护设备。其中，有专门为直流系统设计的设备，但交流系统中使用的大部分设备也适用于直流系统，只需调整额定参数的选择。
1）断路器。断路器中的脱扣装置是断开短路故障的主要部件，对于瞬时磁脱扣装置，其感应电流为瞬时值，直流系统的额定电流应为交流系统的倍;对于长延时动作的热脱扣装置，其感应电流为有效值，直流和交流额定电流相同。此外，在直流系统中，断路器的多级触点可串联使用，以提高灭弧和分断能力，若仍不能满足要求，可通过加装故障限流器或带人工零点的谐振混合直流断路器等来解决。
2）熔断器。熔断器的额定电流和电压参数以有效值的形式给出，适用于交、直流系统。但在直流系统的应用中，应注意系统的时间常数，时间常数决定了故障电流的上升速率，并影响熔断器的动作。较小的时间常数（<2.5ms）可使熔断器动作迅速且灭弧顺利，当时间常数大于6ms时，其分断和灭弧变得较困难。另外，为了可靠性及灵敏度，熔断器不是过电流保护的最佳选择，但可作为后备式保护，也可用于只需快速响应而无需系统自动恢复的场合，如发电机换流器出线处的保护。
2、保护配合。低压直流系统的过电流保护应相互配合，以满足选择性要求。在整定各级保护装置的动作值时，应遵循自下而上的设计方法，例如，先选择负荷端断路器的动作值，然后选择电源侧断路器的保护动作值，最后整定作为后备式保护的熔断器。同时，也可参照低压交流系统设计的三段式动作方式，实现电流速断保护-限时电流速断-定（反）时限过电流保护相配合的保护策略，并设置不同支路的变换电源互为备用，以保证供电连续性。但需注意的是，对具有限流功能的直流系统，若仍沿用交流系统过电流保护整定方法，此时故障电流可能达不到整定值，保护设备不能动作。因此，应重新考虑断路器等过电流保护动作值的整定倍数。
参考文献
[1]曾礼强.低压直流供电系统研究综述[J].中国电机工程学报，2015（07）.
[2]梁仕斌.民用低压直流供电系统保护综述[J].电工技术学报，2015（22）.
包头供电局 内蒙古 包头市 014030
关键词：民用;低压直流供电系统;保护
与交流系统相比，低压直流（LVDC）供电系统在降低系统电能损耗、提高供电连续性及可靠性、改善电能质量等方面具有显著优势，并且简化了系统结构。基于此，本文详细论述了民用低压直流供电系统保护。
一、LVDC系统结构
低压直流供电系统结构包括网络结线、终端母线形式和母线电压等级，其决定了系统的保护设计及安全性。常用低压直流母線电压等级为48V、220V、300V、380V、750V等。为了保证供电的可靠性，充分利用绿色能源，将大量分布式电源和储能系统接入，使LVDC供电系统结构多样化，可分为直流放射式、直流环形、交直流混合式。为满足不同用户的需求，在终端总线进入用户时可分为单极结构、双极结构、双层电极结构。
二、LVDC系统的保护策略
主网母线电压恒定是直流供电系统可靠稳定运行的前提。当母线发生故障时，将影响所有分布式电源和负荷，除配置具有良好性能的能量平衡控制系统外，系统还需具有快速排除故障的保护机制。对于不同的LVDC系统，相应的保护策略也有很大不同。
1、放射状结构的保护。放射状结构较简单，其配电方式为放射状，点对点送电，所有供电和用电设备均连接在同一母线上。针对大容量低压直流系统的特点，提出一种集中监控保护策略。保护系统采用换流器和接触器相结合的方式：当故障发生时，先阻断换流器;当故障电流衰减到接触器的额定开断电流时，切断故障，使故障点与电源隔离;然后恢复换流器的运行，以保证其它无故障电路的正常运行。
2、环形结构的保护。由于环形结构的特殊性，采用上述集中式保护控制方法将更加复杂。有文献中，交流侧的交流断路器用于开断故障电流，而直流侧开关仅用于隔离故障。还有文献提出在两个连接组件间分段控制的方法，并通过续流电路限制过大的故障电流。各段控制系统相互独立，在该方法中，主-从控制器通过监测分段两侧电流信号的差值来产生动作指令，其能快速隔离故障，恢复系统母线电压。
三、LVDC系统的电击防护
1、直流安全电压。安全电压是指在发生电击事故时，保证人体不会造成致命危险的最低电压，它是民用低压供电系统保护设计的一个重要参数。需注意的是，直流电对人体的电击效应与发生电击时流过人体的电流方向有着极为密切的关系，这与交流系统有着本质的区别。当发生正、负极电击事故时，通过人体的电流方向正好相反（考虑人体竖直站立于地面）。IEC 60479指出，当人体通过直流电时，向上流动造成致命危险的概率约为向下流动的两倍。
根据IEC标准，通过人体纵向向上直流电的安全电压为120vt261，但考虑的直流电不含纹波的纯直流电。在实际工程中，当前所能获得的直流电一般通过电力电子装置变换而来，并含有一定的纹波。对此进行了修正，给出了更为保守的90V直流安全电压。因此，对于通过人体的纵向下行电流，安全电压限值可适当放宽至180V，也可根据负电击情况进行最保守的估计。
2、各接地形式的电击防护性能。接地形式决定的电击防护性能是保证系统电气安全的重要因素之一。根据IEC 60364-1对直流系统接地形式的定义，与交流系统类似，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;T=用电设备外壳直接接地）、TN（T=电源侧接地;N=用电设备外壳经保护线与电源接地点连接）三种形式，其中电源接地点可为正极、负极和中点。
现有的低压直流供电系统大多采用无中线的IT系统，IT系统发生电击事故时，人体预期接触电压可有效控制在1V内，对人体几乎无伤害，电击防护性能优异。然而，系统的接地故障很难监测，易导致多点接地而演变为短路故障，用户无法用电笔探测直流电极性。相比之下，虽然TT和TN系统的PTV往往无法满足安全电压限值的要求，但通过配置适当的保护设备仍能保证人身安全。在我国传统的交流系统中，TN系统由于能将接地故障转化为短路故障，有利于保护设备动作而得到广泛应用。然而，在民用低压直流供电系统中，接地故障的发生频率远高于极间短路故障，TN系统的这一特性将不利于系统中大量过电流敏感的电力电子器件，同时也对保护设备提出了更为严格的要求。因此，今后直流供电系统推荐采用TT系统接地形式。
3、接地故障保护。接地故障的监测和保护取决于接地形式的选择。对于TT系统，根据交流系统的接地保护整定，可采用剩余电流保护器（RCD）实现，但需注意的是，直流系统中使用的RCD动作原理与交流系统不同，恒定直流电不能形成可变磁通，因此不能产生动作信号。有学者提出将磁通量监测技术集成到直流RCD中，但目前还未商业化的直流RCD，这需各界制造商和同行的共同努力。对于IT系统，尤其是电源侧不接地时，系统接地时分布电容对地产生的漏电流几乎为零。因此，学者们在这一领域开展了大量的研究工作，但要研制出经济实用的直流绝缘监测装置还有很长的路要走。对于TN系统，由于它将接地故障转化为短路故障，直流系统的过电流保护设备易动作，此时应结合具体情况考虑接地故障的监测和定位。
四、LVDC系统的末端过电流保护
1、保护设备的选择。在LVDC终端配电系统中，断路器或熔断器仍是当前商业化可用的保护设备。其中，有专门为直流系统设计的设备，但交流系统中使用的大部分设备也适用于直流系统，只需调整额定参数的选择。
1）断路器。断路器中的脱扣装置是断开短路故障的主要部件，对于瞬时磁脱扣装置，其感应电流为瞬时值，直流系统的额定电流应为交流系统的倍;对于长延时动作的热脱扣装置，其感应电流为有效值，直流和交流额定电流相同。此外，在直流系统中，断路器的多级触点可串联使用，以提高灭弧和分断能力，若仍不能满足要求，可通过加装故障限流器或带人工零点的谐振混合直流断路器等来解决。
2）熔断器。熔断器的额定电流和电压参数以有效值的形式给出，适用于交、直流系统。但在直流系统的应用中，应注意系统的时间常数，时间常数决定了故障电流的上升速率，并影响熔断器的动作。较小的时间常数（<2.5ms）可使熔断器动作迅速且灭弧顺利，当时间常数大于6ms时，其分断和灭弧变得较困难。另外，为了可靠性及灵敏度，熔断器不是过电流保护的最佳选择，但可作为后备式保护，也可用于只需快速响应而无需系统自动恢复的场合，如发电机换流器出线处的保护。
2、保护配合。低压直流系统的过电流保护应相互配合，以满足选择性要求。在整定各级保护装置的动作值时，应遵循自下而上的设计方法，例如，先选择负荷端断路器的动作值，然后选择电源侧断路器的保护动作值，最后整定作为后备式保护的熔断器。同时，也可参照低压交流系统设计的三段式动作方式，实现电流速断保护-限时电流速断-定（反）时限过电流保护相配合的保护策略，并设置不同支路的变换电源互为备用，以保证供电连续性。但需注意的是，对具有限流功能的直流系统，若仍沿用交流系统过电流保护整定方法，此时故障电流可能达不到整定值，保护设备不能动作。因此，应重新考虑断路器等过电流保护动作值的整定倍数。
参考文献
[1]曾礼强.低压直流供电系统研究综述[J].中国电机工程学报，2015（07）.
[2]梁仕斌.民用低压直流供电系统保护综述[J].电工技术学报，2015（22）.
包头供电局 内蒙古 包头市 014030