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摘要：智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势。智能电网未来发展方向主要集中在配电网，国际上正在积极开展配电网领域前瞻性研究。基于脉宽调制（pulsewidthmodulation，PWM）技术的直流配电系统具有电能质量高、传输容量大、可靠性高、系统结构简单、经济性好和电能损耗低等优点，尤其适应分布式电源多点接入，能大力促进直流家电和“直流生态住宅”的发展，因此，在未来智能配电系统中具有广阔的应用前景。
关键词：直流配电；系统；保护技术；分析
引言：将直流技术应用于城市中心供电，建设城市直流配电系统，解决城市电网负荷容量大、供电走廊紧张、亟需提升电能质量等问题[，是直流技术下一步发展的愿景。但没有成熟、经济的直流断路器及缺乏实际工程运行经验成为了这一技术发展的瓶颈。
1.直流配电保护的研究现状
1.1保护设备
一是熔断器。熔断器，俗称保险丝，相当于过电流继电保护装置与开断装置合为一体的开关设备。其价格优势明显；同时直流系统电感低，故障时电流变化率di/dt很高，特别适合用于直流系统。因此在早期直流配电保护中，主要应用熔断器构成过电流保护，应用在牵引系统、直流电动机、半导体器件、通讯开关站、不间断电源等场合。
二是隔离开关。隔离开关，俗称刀闸，其主要特点是无灭弧能力，只能在无负荷电流时进行分合闸操作，而不能切断任何直流电流，一般在考虑降低成本时使用。通过控制交流断路器和换流器，使用隔离开关实现隔离并清除直流故障。这种方法虽然经济，但保护系统速动性差、供电可靠性低，可作为直流配电保护系统发展过程中的过渡设备。
三是直流断路器。直流断路器是直流配电系统中的重要设备，起着故障跳闸和保护系统中其他电力设备的关键作用。基于直流断路器的直流配电系统，拓扑结构灵活多变，保护配置简单可靠。根据电流开断方式，可将直流断路器分为机械式直流断路器、固态直流断路器和基于二者结合的混合式直流断路器。机械式直流断路器是由导电回路、可分触头、灭弧装置、传动机构、操动机构等组成；在保护信号作用下，靠操动机构做功并经传动机构传递力来带动触头的分合；具有通态损耗低和开断故障电流能力强等优点。目前ABB公司已开发出一系列低电压等级的机械式直流断路器，有空气直流断路器、塑壳直流断路器以及微型直流断路器等；现已成为地铁、舰船等直流配电工程的关键设备。
固态直流断路器作为直流断路器中的新型成员，是由半导体器件构成的、具有微秒级中断故障电流能力的电力电子装置，近几年以分断速度快、无触点、分断不产生电弧、可靠性高、工作频率高、寿命长等优点得到广泛关注。目前有部分学者将固态直流断路器应用到直流系统保护中，如Boon-TeckOoi提出使用IGBT型固态直流断路器中断故障直流电流。与机械式直流断路器相比，固态直流断路器处理故障迅速，但功耗大、价格昂贵。混合式直流断路器用快速机械开关导通正常运行电流，固态电力电子器件分断短路电流；兼具机械式直流断路器良好的静态特性以及固态直流断路器无弧快速分断的动态特性。未来，随着半导体器件的快速发展和成本的降低，固态直流断路器和混合式直流断路器在直流配电系统中会得到应用。
1.2保护原理
一是地铁、舰船直流配电保护。目前直流配电技术在某些领域已获得应用，如地铁牵引系统、舰船系统、空间站、通信系统等；与直流配电系统相比，其供电规模和配电容量较小、供电对象单一，但二者都是基于电力电子换流技术，在系统控制特点和配电形式上相似。因此，研究地铁、舰船直流配电保护对直流配电系统保护研究具有重要借鉴意义，故本节首先介绍地铁、舰船直流配电保护，然后详细总结正在研究、探索中的直流配电系统保护。
二是直流配电系统保护。当前，国外专家正在积极开展直流配电系统保护的相关研究。针对直流配电系统故障类型和数量的增加，需要大量的试验检测直流网络可能存在的故障，Nuutinen等人开发出直流配电系统试验室平台，用于故障检测和保护研究，为直流配电系统保护的研究提供了重要试验依据；相关资料也是详细研究直流配电系统故障电流特征，为深入分析系统故障特征机制、探索动态响应特性打下基础。此外，涉及低压直流系统保护的欧盟2006/95/EC标准和芬兰SESKO标准先后制定，为保护方案的配置明确了方向。
2.直流系统故障隔离装置
直流配电系统直流线路发生故障时，故障电流上升迅速，可以在极短的时间内给系统设备造成热的或电的损害。VSC的过电流承受能力也非常低，仅为额定值的2倍。这都要求直流线路保护装置能够快速有效地切除故障，直流断路器无疑是最理想的选择。直流配电系统中应用直流断路器可以大大提高系统供电可靠性，在低压和中压等级已有可应用产品。但目前可商业应用的直流断路器容量有限，并且价格昂贵，因此，学者们提出了其他几种可以应用到直流配电系统中的隔离设备，如保险丝、交流断路器、快速隔离开关等。
2.1直流断路器
根据拓扑结构和灭弧原理的不同，直流断路器大体可以分为全固态断路器（fullsolidstateCB）、带机械隔离开关的混合固态断路器（hybridsolidstateCBwithmechanicaldisconnector）、混合式断路器（hybridmechanicalandsolidstateCB）、机械式有源或无源共振断路器（mechanicalpassiveoractiveresonanceCB）。整体来讲，全固态断路器开断时间和能量吸收时间短，但静态损耗很大；机械式有源或无源共振断路器静态损耗极小，但开断时间和能量吸收时间却很长。
2.2保险丝
保险丝基于热融化的原理，且电压、电流的额定值是以有效值的形式给出的，故对交、直流系统都适用。但在直流系统中使用保险丝时，必须考虑系统时间常数。系统时间常数决定了暂态电流的上升时间而非稳定值。小的时间常数（<2.5ms）可以使保险丝快速熔断，能量吸收材料也可以冷却电弧；但当时间常数较大时（>6ms），熔断材料的温度上升缓慢，当电弧最终形成时，不能被能量吸收材料充分冷却。另外，应用在直流系统中的保险丝还应能承受轻度过电流，以防止误动作。保险丝适用于需要快速保护响应且不需要自动重新供电的装置的保护，目前主要应用在铁路牵引、矿业、蓄电池保护系统、辅助低压电力供应系统等场合及直流配电系统负荷侧保护。
总结：直流配电系统的保护技术还有很大的研究空间，主要包括以下几个方面：一是低成本、大容量、可商业应用的直流断路器技术。二是故障电流限流装置与小容量直流断路器配合保护技术。三是具有故障电流限制或切断能力的换流器。四是快速的故障检测及实时通信技术。五是多端或多电压等级直流配电系统保护装置配合技术。
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