朱 林, 郭成燕

(蘇州西門子電器有限公司, 江蘇 蘇州 215129)

0 引 言

我國交流大電網(wǎng)非常普及,對(duì)于用戶側(cè)配電電網(wǎng)而言,低壓交流將是未來一段時(shí)期的主要供電形式。低壓交直流混合系統(tǒng)將是未來直流系統(tǒng)和可再生能源智能配電系統(tǒng)的主要系統(tǒng),因此配電系統(tǒng)的接地保護(hù)也需要考慮與其他電源系統(tǒng)的接地裝置間的聯(lián)系與配合[1-3]。

1 低壓直流系統(tǒng)與其他配電系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)

以交流供電為主的用戶端混合低壓配電系統(tǒng)中,可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能和直流用電設(shè)備的集中供電將是低壓直流系統(tǒng)存在的主要形式。直流配電系統(tǒng)將通過各類電能轉(zhuǎn)化設(shè)備(整流/逆變?cè)O(shè)備)與交流系統(tǒng)緊密相連,組成用戶端混合低壓配電系統(tǒng)[4-6]。用戶側(cè)交直流混合低壓配電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 用戶側(cè)交直流混合低壓配電系統(tǒng)

對(duì)于交直流混合的低壓配電系統(tǒng),直流系統(tǒng)可能是一個(gè)完整的配電系統(tǒng),也可能是發(fā)電、充電或儲(chǔ)能的直流部分(子系統(tǒng))。由于各類電源轉(zhuǎn)換裝置的存在和轉(zhuǎn)化裝置的不同結(jié)構(gòu),直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)在電源、接地和用電設(shè)備上均有交集和關(guān)聯(lián)。因此,為保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和人身安全,本文從接地、隔離和保護(hù)等不同的角度,對(duì)低壓交直流混合配電系統(tǒng)中接地故障保護(hù)進(jìn)行了分析。

2 低壓交直流混合配電系統(tǒng)的接地分析

低壓交直流混合配電系統(tǒng)的接地形式包含交流系統(tǒng)的接地形式和直流配電系統(tǒng)的接地形式兩部分,同時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)的接地間由于建筑物及周邊因素的限制,存在各類接地極的聯(lián)系和影響。

2.1 直流配電系統(tǒng)的接地形式

與交流配電系統(tǒng)的接地形式一樣,直流配電系統(tǒng)的接地形式也分為TT、TN、IT等。直流系統(tǒng)中可能存在通過變流器與交流系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò),系統(tǒng)的直流電壓值等因素也影響了直流配電接地系統(tǒng)的選擇?？紤]到電池效應(yīng)對(duì)接地極的電腐蝕作用,在低壓直流系統(tǒng)中不推薦使用TT系統(tǒng)。同時(shí)考慮到直流系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換的方便和系統(tǒng)的覆蓋范圍,低壓直流系統(tǒng)也采用二線和三線制的供電系統(tǒng)。常用的低壓直流接地系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 常用的低壓直流接地系統(tǒng)

根據(jù)IEC 60364-1:2005[1]的定義,直流浮地接地方式實(shí)際就是直流電源端不直接接地的直流IT系統(tǒng)。

2.2 交直流系統(tǒng)接地分析

對(duì)于低壓系統(tǒng)保護(hù),接地是有效的保護(hù)措施。IEC/TC 64電氣裝置委員會(huì)強(qiáng)烈建議,同一個(gè)電氣系統(tǒng)中應(yīng)采用同一個(gè)保護(hù)接地系統(tǒng),其優(yōu)點(diǎn)是減少電池效應(yīng)對(duì)接地極的腐蝕,鉗制電位,有利于電磁兼容。對(duì)于交流配電系統(tǒng)、獨(dú)立直流配電系統(tǒng)或交直流混合配電系統(tǒng),在同一配電系統(tǒng)內(nèi)都應(yīng)做成同一個(gè)接地系統(tǒng)。交流及直流供電部分均采用TN-S接地系統(tǒng)的交直流混合系統(tǒng)。AC/DC混合系統(tǒng)接地如圖3所示。

圖3 AC/DC混合系統(tǒng)接地

2.3 交直流系統(tǒng)間的隔離與接地

對(duì)于交直流混合系統(tǒng),如果各類變流器下游直流電源部分采用直接與任何系統(tǒng)保護(hù)接地相連,則變換器的交直間需要有電流分割,如果沒有分割,交流側(cè)電流會(huì)通過大地形成回路,變流器不能有正常的直流輸出。無電源隔離的接地電流影響如圖4所示。

圖4 無電源隔離的接地電流影響

根據(jù)IEC相關(guān)基本安全要求,電源端任何I類電氣設(shè)備本身的保護(hù)接地極必須與供電系統(tǒng)的保護(hù)接地相連,同時(shí)設(shè)備接地電阻滿足相關(guān)安全要求。常用直流接地系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 常用直流接地系統(tǒng)

對(duì)于交直流間未采用電氣分隔的變流設(shè)備后端,必須采用直流IT保護(hù)接地系統(tǒng),其接地故障保護(hù)由交流側(cè)接地故障保護(hù)設(shè)備負(fù)責(zé)。對(duì)于直流TN系統(tǒng),無論是在交流側(cè)的工頻電氣隔離還是變流設(shè)備內(nèi)的高頻電氣隔離,交直流系統(tǒng)間必須有電氣分隔。

2.4 系統(tǒng)的保護(hù)接地與功能接地

對(duì)于接地系統(tǒng),保護(hù)接地不等于功能接地。保護(hù)接地要求在系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時(shí)配電系統(tǒng)安全,而功能接地僅要求系統(tǒng)中設(shè)備正常運(yùn)行或故障判斷,不能用于系統(tǒng)保護(hù)接地。在工程設(shè)計(jì)及安裝中兩者應(yīng)有明顯的區(qū)別,功能接地可以接入保護(hù)系統(tǒng)中,但不能采用常用的保護(hù)地線標(biāo)識(shí)。光伏系統(tǒng)中的接地就是為了減少電壓振蕩引起電壓升高而進(jìn)行的功能接地。采用無電氣分隔變流器的光伏系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 采用無電氣分隔變流器的光伏系統(tǒng)

電氣隔離不等于電氣分隔,電流隔離需要采用機(jī)械隔離或采用符合IEC 61558系列標(biāo)準(zhǔn)要求的隔離變壓器。而電氣分隔僅需要采用雙繞組變壓器,變壓器可以安裝在變流器內(nèi)或系統(tǒng)外。圖6顯示的就是外置電氣分隔變壓器實(shí)例。

3 接地故障保護(hù)

配電系統(tǒng)的接地保護(hù)設(shè)置應(yīng)從接地系統(tǒng)特性及接地極電腐蝕、系統(tǒng)電壓水平等方面綜合考慮。TN系統(tǒng)中,對(duì)于有人身電擊風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所,必須使用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器(RCD);對(duì)于交直流混合配電系統(tǒng),RCD應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)安全選擇安裝位置,必要時(shí)可以在交直流側(cè)均安裝RCD進(jìn)行保護(hù),但直接與非專業(yè)人員接觸超過AC 50 V或DC 120 V安全電壓的配電系統(tǒng)中RCD應(yīng)是強(qiáng)制安裝的。對(duì)于直流IT接地系統(tǒng),必須進(jìn)行絕緣檢測(cè)。絕緣監(jiān)測(cè)可以采用有源的IMD,也可以選用無源的RCM。

3.1 絕緣監(jiān)控

IEC 61557-8:2014與我國目前等同采用的2007版的GB/T 18216.8—2015已經(jīng)做了較大的變更:考慮到IMD通常是在配電系統(tǒng)中疊加包括直流在內(nèi)的不同頻率測(cè)試電壓的監(jiān)測(cè)方式,在產(chǎn)品類型上強(qiáng)調(diào)了AC型IMD 在AC/DC系統(tǒng)中交流側(cè)絕緣監(jiān)測(cè)結(jié)果精度;新命名了用于直流IT系統(tǒng)的DC IMD和可用于交直流IT系統(tǒng)中的AC/DC IMD(所有通電元件的絕緣故障均可以監(jiān)控)。

對(duì)于用于安裝有交直流變流裝置的IMD,應(yīng)選用AC/DC型IMD或DC型IMD,其供電線與功能地間的內(nèi)置阻抗應(yīng)不小于100 kΩ,同時(shí)系統(tǒng)間的絕緣電阻應(yīng)不小于1 kΩ。

3.2 剩余電流保護(hù)

IEC對(duì)交流的研究和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)有了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系,其中IEC 60755:2017是AC系統(tǒng)RCD的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),IEC 62423:2009標(biāo)準(zhǔn)則是針對(duì)有變流設(shè)備的交直流混合系統(tǒng)交流側(cè)RCD的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)這兩個(gè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),目前已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)品及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系。目前交流系統(tǒng)的相關(guān)剩余電流保護(hù)設(shè)備如圖7所示。

圖7 交流剩余電流保護(hù)設(shè)備

3.3 直流剩余電流保護(hù)產(chǎn)品

隨著直流配電系統(tǒng)應(yīng)用的興起,各類直流配電系統(tǒng)對(duì)于剩余電流故障保護(hù)要求日益迫切,IEC發(fā)布了IEC/TS 63053:2017基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),用于指導(dǎo)后續(xù)直流剩余電流產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的編制和產(chǎn)品研發(fā)。

3.4 交直流混合系統(tǒng)中交流剩余電流防護(hù)

3.4.1 交流系統(tǒng)中直流剩余電流類型

IEC 60755:2017標(biāo)準(zhǔn)定義了針對(duì)不同交流負(fù)載故障電流波形,包括交直流變流設(shè)備及輸出回路產(chǎn)生的接地故障電流波形。根據(jù)不同變流設(shè)備型式,故障波形為波動(dòng)的直流或平滑直流波。

3.4.2 交流配電系統(tǒng)中的直流故障電流防護(hù)

對(duì)于交流系統(tǒng)中的剩余電流保護(hù),AC型RCD是較為常用的剩余電流保護(hù)產(chǎn)品,但此類RCD 產(chǎn)品不適于交流配電系統(tǒng)中的直流故障電流防護(hù),主要原因是波動(dòng)的直流或是平滑直流波故障電流疊加在交流系統(tǒng)中流過互感器一次回路時(shí),會(huì)使互感器出現(xiàn)磁飽和,繼而無法對(duì)交流系統(tǒng)的故障電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)輸出,保護(hù)功能失效。直流剩余電流對(duì)AC型RCD的作用如圖8所示,系統(tǒng)中產(chǎn)生的交流剩余電流III在互感器二次側(cè)產(chǎn)生的電流IV的幅值被極大地限制。

圖8 直流剩余電流對(duì)AC型RCD的作用

3.4.3 變流器開關(guān)頻率對(duì)RCD的影響

交直流混合系統(tǒng)中的變流設(shè)備在工作過程中也會(huì)出現(xiàn)800 Hz～50 kHz的時(shí)鐘電流,這些電流通過對(duì)地電容耦合到變流器前的工頻交流系統(tǒng)中,使標(biāo)準(zhǔn)的AC型RCD產(chǎn)生誤動(dòng),降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3.4.4 B型RCD的選用

B型RCD是針對(duì)交流配電系統(tǒng)中含有直流分量的交流剩余電流或直流剩余電流進(jìn)行保護(hù)的接地故障保護(hù)產(chǎn)品,可對(duì)各類直流剩余電流提供保護(hù)。IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)在含有交直流轉(zhuǎn)換的變流器交流側(cè)安裝B型RCD。在大功率混合系統(tǒng)中,考慮到大功率變流器工作中產(chǎn)生的高頻剩余電流值,不宜安裝用于人身保護(hù)的30 mA剩余電流保護(hù)產(chǎn)品,建議安裝用于接地故障防護(hù)的300 mA以上并具有延時(shí)功能的RCD產(chǎn)品,這類產(chǎn)品通常符合IEC 60947-2:2016附錄M的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 語

接地故障防護(hù)是低壓配電系統(tǒng)重要的系統(tǒng)保護(hù)之一,由于交直流混合系統(tǒng)中接地設(shè)置和變流設(shè)備結(jié)構(gòu)的不同,接地保護(hù)的選擇與設(shè)置也不相同。直流電源與交流電源相比較呈現(xiàn)更多的型式,其中負(fù)載特性和電流特性都在研究中,包括負(fù)載開斷或故障時(shí)的電弧特性均沒有形成完整數(shù)據(jù)積累,因此IEC專家們不斷地探索直流系統(tǒng)及設(shè)備的各種特性。