李博通，李 斌，李永麗，姚 創(chuàng)

（天津大學 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引言

作為未來智能電網(wǎng)的重要組成部分，微網(wǎng)為綠色清潔型能源的有效利用提供了可靠、完善的運行平臺[1-2]?，F(xiàn)有研究和實踐表明，將風能、太陽能等分布式發(fā)電裝置以微網(wǎng)形式接入大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，與大電網(wǎng)互為支撐，是發(fā)揮分布式發(fā)電供能系統(tǒng)效能的最有效方式[3]。

根據(jù)不同的用戶需求，微網(wǎng)容量通常在幾十千瓦到幾十兆瓦之間，其應用的電壓等級也隨容量的大小而變化，但一般都在35 kV以下[4-5]。考慮微網(wǎng)的實用性和可行性要求，位于配網(wǎng)終端的低壓小容量微網(wǎng)具有控制簡單、運行靈活、更容易滿足用戶需求等特點，成為當前的主要研究和發(fā)展方向。通過對美國、歐洲和日本微網(wǎng)建設情況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以看出，到目前為止，80%的微網(wǎng)實驗室和示范工程系統(tǒng)電壓等級都在380 V（三相）左右，容量在幾百千瓦以內[6-7]。在微網(wǎng)的實際應用領域中，完善的低壓微網(wǎng)供電系統(tǒng)是城市居民小區(qū)和農村分散用戶就地使用小型風能、太陽能發(fā)電和合理安排冷熱電聯(lián)產的根本途徑。

由于低壓電力網(wǎng)絡與用戶直接接觸，其接地技術的正確實施關系到人身和財產的安全保障以及電氣裝置和設備功能的正常發(fā)揮[8]。目前世界各國均已出臺了完善的國家標準和行業(yè)標準來對低壓配電網(wǎng)絡的接地方式進行規(guī)范[9-12]。對于微網(wǎng)而言，試用標準 IEEE1547—2008 8.1.2（2003 4.1.2）中對其接地方式進行了規(guī)范，其基本原則為：“分布式電源的接地方式不應造成微網(wǎng)系統(tǒng)內設備的過電壓及影響保護的協(xié)調運行”，與現(xiàn)已廣泛實施的IEC低壓配電網(wǎng)標準的基本原則一致[13]。標準中給出了中壓和低壓微網(wǎng)可應用的接地方式，但未明確提及其選用原則和適用場合。

對于目前已建成的國內外低壓微網(wǎng)實驗室，其主要作用是采用模擬的手段反映微網(wǎng)可能出現(xiàn)的運行狀態(tài)和問題，而不能直接再現(xiàn)真實的事故情況。一般實驗室中對地故障的模擬采用相線對中性線短路的形式（且?guī)в幸欢ǖ南蘖鞔胧侵苯咏拥?，因此對于接地問題的研究無法在微網(wǎng)實驗室中全部完成。對于目前已建成的國內外示范工程，盡管個別已經(jīng)能夠實現(xiàn)并網(wǎng)和孤島運行2種模式，但其運行方式一般都采用人為控制的方式，尚無法根據(jù)自身的需要自動完成2種運行方式的靈活切換，且由于其建設方案未考慮實際成本，接地方式大都沿用傳統(tǒng)低壓網(wǎng)絡的TT接地方式，未對接地方式的經(jīng)濟性、靈活性作出深入考慮。目前可查到的微網(wǎng)接地方式的研究出自希臘雅典國立大學通信與信息研究所（ICCS／NTUA）關于微網(wǎng)問題的一份研究報告，根據(jù)歐洲低壓配電網(wǎng)絡的傳統(tǒng)接地方式對低壓微網(wǎng)的接地方式問題進行了探討[14-16]。報告中介紹了接地方式在低壓微網(wǎng)中的實施情況，而未能根據(jù)不同結構低壓微網(wǎng)的運行特點及其設備的運行要求，分析采用符合實際情況的靈活的接地方式的可行性和必要性。

綜上所述，對低壓微網(wǎng)接地技術的研究是將傳統(tǒng)的用戶級低壓配電網(wǎng)絡過渡到清潔、可靠、高效的低壓微網(wǎng)的必要條件。本文對傳統(tǒng)接地方式在低壓微網(wǎng)中直接應用存在的問題進行了研究和探討，并結合微網(wǎng)設備的自身特點，提出了適用于低壓微網(wǎng)的接地技術。

1 傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)的接地方式

任何電壓等級的供電系統(tǒng)都需處理2個接地問題：一個是系統(tǒng)內電源端帶電導體的接地；另一個是負荷端電氣裝置外露導電部分的接地。就低壓供電系統(tǒng)而言，前者通常是指變壓器、發(fā)電機等中性點的接地，稱為系統(tǒng)接地；后者通常是指電氣裝置內設備金屬外殼、布線金屬管槽等外露導電部分的接地，稱為保護接地[17]。

我國低壓配電系統(tǒng)接地方式的劃分采用了IEC國際標準[15]。與高壓系統(tǒng)不同，由于大量單相負載甚至單相電源的存在，除相線以外，380 V低壓網(wǎng)絡中還需要有中性線作為三相不平衡電流的通道。IEC標準按接地形式劃分為TN（可細分為TN-S、TN-C、TN-C-S）、TT和IT 3種。其文字符號的含義是：第1個字母說明電源是直接接地（T），還是對地絕緣或阻抗接地（I）；第2個字母表示系統(tǒng)內外露導電部分（如設備外殼）是經(jīng)中性線在電源處接地（N），還是單獨接地（T）；第3、4個字母則說明中性線和保護線是合用一根線（C），還是用各自的導線（S）。實際的低壓配電系統(tǒng)設計中一般根據(jù)應用場合的不同選用其中的一種接地方式，下面分別進行介紹。

TN-S系統(tǒng)中PE線與N線是分開的，PE線不通過負荷電流，因此不會對接在PE線上的其他設備產生電磁干擾，由于N線與PE線分開，N線斷線也不會影響PE線的保護作用。如果供電設備和用電設備都在同一建筑物內，系統(tǒng)接地與保護接地只能設置為同一接地點，因此內設變電所的建筑物普遍使用TN-S系統(tǒng)。該接地方式如圖1所示。

圖1 低壓配電網(wǎng)TN-S接地方式Fig.1 TN-S earthing scheme of LV distribution network

TN-C系統(tǒng)的保護線與中性線是合二為一的，因此具有簡單、經(jīng)濟的優(yōu)點，該線稱為PEN線（三相四線系統(tǒng)）。但該類系統(tǒng)的不足之處在于，運行中的PEN線不僅要通過正常的負荷電流，有時還有諧波電流通過。因為節(jié)省了一條導線，TN-C系統(tǒng)曾廣泛應用于我國農村用電，但由于存在一系列安全問題，現(xiàn)在已很少采用。該接地方式如圖2所示。

TN-C-S系統(tǒng)在電源線路中用PEN線，進入建筑物后分為PE線和N線。由于建筑物內設有專門的PE線，因而消除了TN-C的一些不安全因素，又保證一定的安全水平，耗材也不是很多，因此適用于分散的民用建筑（小區(qū)建筑）。該接地方式如圖3所示。

TT系統(tǒng)的電源中性點直接接地，用電設備的金屬外殼直接接地，且與電源中性點的接地無關。由于采用單獨的接地體接地，它和電源的接地在電氣上沒有聯(lián)系，PE線間互不連通。TT系統(tǒng)具有多個保護接地點，增加了施工成本，因此一般用于建筑物外的分散型用電設備，如路燈、廣告牌等。該接地方式如圖4所示。

IT系統(tǒng)的電源中性點與大地隔離或經(jīng)高阻抗接地，設備的外露可導電部分均經(jīng)各自的接地裝置單獨接地。由于無法提供單相穩(wěn)定電壓供電，因此這種接地方式一般僅用于某些電氣危險大、供電可靠性高的特殊場合，如醫(yī)院、鋼廠和礦山等。該接地方式如圖5所示。

圖2 低壓配電網(wǎng)TN-C接地方式Fig.2 TN-C earthing scheme of LV distribution network

圖3 低壓配電網(wǎng)TN-C-S接地方式Fig.3 TN-C-S earthing scheme of LV distribution network

圖5 低壓配電網(wǎng)IT接地方式Fig.5 IT earthing scheme of LV distribution network

2 低壓微網(wǎng)的系統(tǒng)接地方式

傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)絡是輻射狀網(wǎng)絡，功率由系統(tǒng)側單向流入負荷側；降壓變壓器的低壓側是其唯一的系統(tǒng)接地點，其系統(tǒng)接地方式即為第1節(jié)所述的中性點接地（T）和不接地（I）2種形式。由于用戶級低壓網(wǎng)絡一般都采用電源中性點直接接地方式，本文對中性點不接地方式不作討論。

分布式電源（DG）的接入使低壓微網(wǎng)變?yōu)槎嚯娫聪到y(tǒng)，系統(tǒng)接地點除變壓器低壓側外，各DG的中性點也可作為系統(tǒng)接地點；由于微網(wǎng)有并網(wǎng)和孤島2種運行方式，不同運行方式可能會改變系統(tǒng)接地方式。參考IEC標準對低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)接地的要求，微網(wǎng)中的系統(tǒng)接地方式主要考慮以下3個方面：

a.盡量減小中性線的不平衡電流，使中性點電壓偏移滿足單相負荷要求；

b.防止在同一建筑物內出現(xiàn)雜散電流；

c.保證運行方式變化時系統(tǒng)接地的可靠。

下面對中性點接地的低壓微網(wǎng)進行研究。

2.1 DG中性線接入方式的研究

380 V的電力用戶中有大量的單相負荷存在，三相負荷分布不平衡，因此中性線（PEN線或N線）中會有不平衡電流流過。不平衡電流在中性線上形成壓降導致單相負荷上所加電壓會偏離額定電壓。因此，低壓配電系統(tǒng)中中性線的壓降越小，可以使單相負載電壓越接近于額定電壓，有利于單相用電設備的長期穩(wěn)定運行。以低壓微網(wǎng)采用TN-C系統(tǒng)為例，變壓器的中性點接地，DG采用無N線接入方式如圖6所示，DG采用有N線接入方式如圖7所示。

圖6 DG采用無N線接入方式Fig.6 Grid-connection scheme of DG without conductor N

圖7 DG采用有N線接入方式Fig.7 Grid-connection scheme of DG with conductor N

經(jīng)計算可知，在同樣的網(wǎng)絡結構下，對于DG有N線接入的形式，由于其對不平衡電流的分流作用，使得從變壓器的系統(tǒng)接地點到負荷段的N線上流過的電流比DG無N線時要小，因此其上壓降也小，使得負載上所加電壓與額定電壓偏移較小，有利于用電設備的穩(wěn)定運行。

此外，當變壓器低壓側因檢修或孤島運行等原因導致N線斷開時，DG有N線接入是再次實現(xiàn)系統(tǒng)接地的必要條件。

2.2 低壓微網(wǎng)中系統(tǒng)接地點個數(shù)的選擇

與傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)相比，低壓微網(wǎng)中的DG也可作為電源點而接地。如圖8所示，除變壓器低壓側中性點外，DG1的中性點亦直接接地，中性線與系統(tǒng)PEN線連接。

圖8 微網(wǎng)中變壓器和DG中性點均接地Fig.8 Grounded neutral points of transformer and DG in microgrid

這種接地方式由于存在2個接地點，如在同一建筑物內將會產生雜散電流，可能引起電氣火災、地下金屬管道被腐蝕、干擾信息技術設備等不良后果，其雜散電流的示意圖如圖9所示。

圖9 多系統(tǒng)接地點產生的雜散電流Fig.9 Stray current caused by multiple system earthing spots

由此可見，如果DG和系統(tǒng)變壓器位于同一建筑物內，這種多電源中性點同時接地的方式是違反低壓配電系統(tǒng)設計標準的。因此，在同一建筑物內，僅允許有唯一系統(tǒng)接地點存在。當變壓器和DG不在同一建筑物內放置時，才允許DG與變壓器低壓側中性點同時接地。

2.3 低壓微網(wǎng)運行方式變化時系統(tǒng)接地點的選擇

如果所有DG的中性點都沒有接地，當變壓器低壓側因檢修或孤島運行等原因導致N線斷開時，將無法實現(xiàn)低壓微網(wǎng)的系統(tǒng)接地，其接地方式將由TN或TT方式變?yōu)镮T方式，由于不平衡電流的存在，將無法保證單相電壓在允許范圍內，進而導致設備損壞、保護誤動等一系列嚴重的問題。因此，對于中性點直接接地系統(tǒng)而言，無論是并網(wǎng)運行還是孤島運行，上述情況都是不允許的。對于孤島運行時無需切斷變壓器處的系統(tǒng)接地點與N線之間聯(lián)系的接地方式，可不考慮系統(tǒng)接地點的切換；但對于孤島時需切除變壓器的系統(tǒng)接地點與N線之間聯(lián)系的接地方式，必須考慮采用在孤島時能夠保證微網(wǎng)系統(tǒng)中的N線有效接地的方法。

3 低壓微網(wǎng)的保護接地方式

對于用戶級低壓配電網(wǎng)的保護接地方式，標準規(guī)定所有的電氣設備的外露導電部分均需可靠接地。一般每個系統(tǒng)只采用一種保護接地方式，以常用的中性點直接接地方式為例，其采用TT接地方式或TN接地方式。

與傳統(tǒng)低壓配網(wǎng)一樣，低壓微網(wǎng)保護接地設計的主要目標是：保證在系統(tǒng)正常運行和故障時不存在人身安全和設備安全隱患。由于DG的接入必然會對故障電流流向和系統(tǒng)電壓分布產生較大的影響，因此，需對傳統(tǒng)的保護接地方式在低壓微網(wǎng)中的適用性進行深入討論和研究。

3.1 TN保護接地方式在低壓微網(wǎng)中的適用性

在低壓用電設備中，相線碰殼故障是發(fā)生幾率最大的故障類型，其造成的設備外殼電壓的升高直接威脅到人身安全，因此后果也最嚴重。接觸電壓是造成電擊事故的主要原因。

人站在發(fā)生接地短路故障設備旁邊，手觸及設備外殼而造成的手與腳2點之間呈現(xiàn)的電位差稱為接觸電壓。微網(wǎng)采用TN接地方式時（以TN-C為例），若發(fā)生單相碰殼故障，此時的故障電流和接觸電壓的示意圖如圖10所示。故障電流通過相線流向設備外殼，再分別通過變壓器低壓側和DG的PEN線返回電源，形成回路。計算可知，與傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)相比，由于DG的PEN線對故障電流起到了分流的作用，使故障設備外殼與中性點（大地電位）之間的電壓更低，即故障設備的接觸電壓變小，有利于防止電擊事故的發(fā)生。因此，TN-C的保護接地方式可直接應用于低壓微網(wǎng)中。同理，TN-S、TN-C-S的保護接地方式也可直接應用于低壓微網(wǎng)。

圖10 低壓微網(wǎng)采用TN-C接地方式設備相線碰殼故障時的接觸電壓Fig.10 Touch voltage of electric equipment with phase-case short circuit fault in LV microgrid with TN-C earthing scheme

3.2 TT保護接地方式在低壓微網(wǎng)中的適用性

低壓微網(wǎng)采用TT接地方式時，若發(fā)生單相碰殼故障，則故障電流會通過相線流向設備外殼，再依次通過PE線和保護接地的接地電阻RA和系統(tǒng)接地的接地電阻RB返回電源，形成回路，此時的故障電流和接觸電壓的示意圖如圖11所示?？梢钥闯?，此時的人體接觸電壓與低壓配電網(wǎng)（無DG接入）完全一樣，因此，TT的保護接地方式也可直接應用于低壓微網(wǎng)。

圖11 低壓微網(wǎng)采用TT接地方式設備相線碰殼故障時的接觸電壓Fig.11 Touch voltage of electric equipment with phase-case short circuit fault in LV microgrid with TT earthing scheme

在TN接地方式中，發(fā)生短路故障時，接地故障電流通過PE線或PEN線金屬通路返回電源，故障回路中電阻很小，短路電流幅值較大，過電流保護會動作切斷電源。因此，當微網(wǎng)采用TN接地方式時，不需要裝設剩余電流保護器（RCD）。而對于低壓微網(wǎng)中的TT接地方式，由IEC60364標準可知，一般接地點的電阻會達到3 Ω左右，當采用TT接地方式的設備發(fā)生相線碰殼故障時，故障回路中設備外殼接地和變壓器中性點接地的接地電阻使接地短路電流較小，線路中過電流保護無法動作。故障電流在設備的接地阻抗上的壓降直接導致設備外殼上出現(xiàn)危險電壓。因此，采用TT接地方式的低壓微網(wǎng)中的設備（包括DG）出口側必須裝設RCD以切除接地故障，避免電擊事故的發(fā)生，如圖11所示。

低壓微網(wǎng)采用TT接地方式時，因中性線不與PE線以及總等電位聯(lián)結相連通，在電氣檢修的時候可能會出現(xiàn)中性線帶危險電位Uf而設備周圍地面及其外殼為大地零電位的情況。危險的電位差難免引起檢修時的電擊事故，所以TT接地方式中電氣裝置在需要處（如電源進線處）應裝用四極開關，在故障或檢修時將N線與相線一并斷開，如圖11中的QF1和QF2所示。

3.3 低壓微網(wǎng)混合接地方式

對于低壓微網(wǎng)而言，除用電設備外，DG、儲能裝置等同樣需要實現(xiàn)保護接地。DG安裝位置具有一定的局限性和分散性，例如，居民用戶的光伏發(fā)電系統(tǒng)需部分安裝在屋頂，燃氣輪機需單獨的空間配置等。另外，考慮低壓微網(wǎng)供電系統(tǒng)的特點，比如微網(wǎng)對一個小區(qū)供電時，建筑物內的電氣設備都在總等電位聯(lián)結作用范圍內，不易發(fā)生電擊事故。但建筑物外的設備，如路燈、宣傳牌、露天電視設備等，均處于總等電位聯(lián)結作用之外，當發(fā)生單相碰殼故障時，沿線路傳來的大于接觸電壓限值的故障電壓將會引起電擊事故。

因此，考慮低壓微網(wǎng)中DG和用電設備的特殊性，可采用如圖12所示的多種保護接地方式混合使用的方式。對于微網(wǎng)中位于建筑物內的用電設備，采用TN接地方式的保護接地方式。發(fā)生單相碰殼故障時，由于等電位聯(lián)結的作用，設備外殼的接觸電壓很小，不會發(fā)生電擊事故。對于低壓微網(wǎng)中分散的DG和處于建筑物外的電氣設備，可以采用TT接地方式的保護接地方式，另外設置獨立的接地極，并引出另一根保護接地線（圖12中PE3線和PE4線）來作為這部分電氣裝置的保護接地，此保護接地與系統(tǒng)變壓器低壓側的系統(tǒng)接地在電氣上無聯(lián)系，符合TT接地方式的規(guī)定。

低壓微網(wǎng)中采用TN和TT混合接地方式后，由于采用TT接地方式的設備外殼直接就地接地，TN系統(tǒng)的危險電壓不會通過PEN線傳導過來，因此TN系統(tǒng)的內部故障不會對TT部分造成影響。

對于采用TT接地方式的設備（包括DG），在發(fā)生相線碰殼故障時，故障回路中設備外殼接地和變壓器中性點接地的接地電阻使接地短路電流較小，線路中過電流保護無法動作。故障電流在設備接地電阻上的壓降使得TT部分的設備外殼帶有危險電壓；故障電流在變壓器中性點的接地電阻上的壓降使變壓器的中性點電壓升高，直接導致與之相連的PEN線或PE線電壓升高。因此，對于采用TT接地方式的設備（包括DG），其出口側必須裝設RCD以快速切除接地故障，避免電擊事故的發(fā)生，如圖12所示。

微網(wǎng)采用TN和TT的混合接地方式時，此時四極開關的裝設需要從3個方面綜合考慮，即TN部分中設備檢修、TT部分中設備檢修以及DG的檢修。

當TN接地方式中設備檢修時，由于建筑物內設置了總等電位聯(lián)結，使金屬結構、管道等與PE線、中性線互相連通，都處于高電壓水平上，即使電氣維修時中性線導入了對地危險電壓，因維修人員觸及中性線時不存在電位差，不會發(fā)生電擊事故，也不會打出電火花而引起爆炸和火災事故，因此圖12中的QF1開關無需采用四極開關。

圖12 低壓微網(wǎng)采用TN和TT混合接地方式Fig.12 LV microgrid with mixed earthing scheme of TN and TT

當TT接地方式中設備檢修時，此時若三相斷電后中性線帶對地危險電壓，由于沒有總等電位聯(lián)結的作用，維修人員觸碰中性線便會發(fā)生電擊事故。因此對于TT接地方式，應該在電源進線處裝設四極開關，如圖12中QF3所示。

當采用TT接地方式的DG需要檢修時，若三相斷電后中性線帶對地危險電壓，采用三極開關將DG隔離，中性線仍然會帶危險電壓，維修人員觸碰中性線也會發(fā)生電擊事故。因此DG出口必須裝設四極開關，如圖12中的QF4所示。

4 結論

本文對低壓微網(wǎng)的接地問題進行了詳細的探討和分析，并針對低壓微網(wǎng)的特點提出了有效的接地方案。針對低壓微網(wǎng)的系統(tǒng)接地結論如下：

a.DG的接入方式推薦采用四線接入形式；

b.在同一建筑物內，不允許出現(xiàn)多電源中性點同時接地；

c.在運行方式變化時，要確保系統(tǒng)內電源中性點的可靠接地。

針對低壓微網(wǎng)的保護接地結論如下：

a.將低壓微網(wǎng)中的DG與用電設備等同，傳統(tǒng)的低壓配電網(wǎng)的TN和TT接地方式中的保護接地方式可直接應用于低壓微網(wǎng)；

b.針對低壓微網(wǎng)的特點，提出了其適用的混合接地方式，針對其中采用不同接地方式的部分，提出了RCD和四極開關的合理使用方法。