一種直流供電母線浮地安全系統(tǒng)

創(chuàng)新者：尹華橋

一種直流供電母線浮地安全系統(tǒng)

創(chuàng)新者：尹華橋

本文在電力系統(tǒng)的安全接地規(guī)范的基礎上，提出了一種高電壓直流供電條件下的正負傳輸母線浮地安全系統(tǒng)，分析了這種安全系統(tǒng)的工作機理，通過模擬試驗對此系統(tǒng)的安全性進行驗證，并提出了相應的安全防護措施。

用電安全防護的基本要求

用電安全防護的參考要素

用電安全防護一般有以下四個參考要素。

電氣絕緣。保持配電線路和電氣設備的絕緣良好，是保證人身安全和電氣設備正常運行的最基本要素。電氣絕緣的性能是否良好，可以通過測量其絕緣電阻、耐壓強度、泄漏電流和介質(zhì)損耗等參數(shù)來衡量。

防直接接觸。指防止人體、物體等好、直接接觸帶電體而發(fā)生危險的措施或留有足夠安全可靠的距離。

安全載流量。導線的安全載流量，是指允許持續(xù)通過導體內(nèi)部的電流量。持續(xù)通過導體的電流如果超過安全載流量，導體的發(fā)熱將超過允許值，導致絕緣損壞，甚至引起漏電和發(fā)生火災。因此，根據(jù)導體的安全載流量確定導體界面和選擇設備是十分重要的。

電擊防護。當系統(tǒng)因絕緣損壞等異常情況下，人體可能發(fā)生接觸帶電而采取的防護措施。如過載、漏電保護等措施。

只要在供電系統(tǒng)設計時，對以上規(guī)定的幾個方面都有符合規(guī)范的應對措施，不論電壓的高低，一般情況下，系統(tǒng)就可以認為是安全的。

GB14050-2008對于我國供電系統(tǒng)接地方式的規(guī)定

GB14050規(guī)定了我國交流供電系統(tǒng)可以采取的IT、TT、TN三種接地方式，以及不同接地方式應采用的相對應保護措施。TT又稱保護接地系統(tǒng)，可以降低設備外殼帶電帶來的危險性，但是自動開關不一定能夠跳閘，造成漏電設備的外殼對地電壓高于安全電壓。TN在設備外殼帶電時，接零保護系統(tǒng)能將漏電流上升為短路電流，使斷路器脫扣，從而使故障設備斷電。TN-C使用工作零線兼作接零保護線，只適用于三相負載基本平衡的用電場合；TN-S把工作零線和專用保護線PE線分開；供電現(xiàn)場前部分使用TN-C、后部分使用TN-S，并在系統(tǒng)后半部分總配電箱分出PE線，統(tǒng)稱TN-C-S供電系統(tǒng)。IT在短距離供電時，安全性高、可靠性高，長距離送電時，考慮到分布電容的影響，不適用IT方式。

對應于GB14050規(guī)定的交流系統(tǒng)接地方式，直流系統(tǒng)也可以采用相對應的三種接地方式，如圖1所示：IT系統(tǒng)即電源端直流母線對地絕緣、用電設備端外殼絕緣；TT系統(tǒng)即電源端直流母線負端接地、用電設備端外殼接地；TN系統(tǒng)即電源端直流母線負端接地、用電設備外殼接地且母線負端接外殼。

直流供電系統(tǒng)接地方式選擇

系統(tǒng)接地方式的選擇是系統(tǒng)安全的重要保障，一直以來，在廣大技術人員中一直存在著這樣的誤區(qū)：一、認為將設備金屬外殼接地，就安全了；二、外殼接地了，如果發(fā)生相線或直流正端碰殼，短路電流可以使開關跳閘保護。

圖1　500V直流系統(tǒng)三種接地方式

事實上某些接地方式下，如IT和TT系統(tǒng)，由于接地電阻的存在，外殼接地產(chǎn)生的短路電流無法使前端開關產(chǎn)生跳閘保護，設備外殼會長期處于帶電狀態(tài)。IT系統(tǒng)（即中心點或直流負端對地絕緣系統(tǒng)）發(fā)生接地故障（俗稱碰殼）時，接觸電壓低，對人身不構成傷害，供電持續(xù)性不受影響，是供電要求持續(xù)性要求較高場所首選的接地方式，如醫(yī)院手術臺、重要裝備等。而TT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，接觸電壓高，對人身安全構成威脅。在TN系統(tǒng)中，由于直流負端接設備外殼，當發(fā)生接地故障時，相當于正負之間直接短路，短路電流可以使開關跳閘保護，但TN系統(tǒng)會給復雜裝備的電磁兼容設計帶來相應的難題。

一般來說，對于低于36V的直流系統(tǒng)，可采用圖1中的TN系統(tǒng)；高于100V的場所建議采用圖1中的IT系統(tǒng)，可兼顧設備供電持續(xù)性和人身安全防護要求。直流供電的IT方式也俗稱為直流供電母線浮地系統(tǒng)。

圖2　直流供電母線浮地系統(tǒng)示意圖

直流供電母線浮地系統(tǒng)的模型

直流供電母線浮地系統(tǒng)的模型

在直流大功率場合（如圖2所示）中，供電系統(tǒng)要求與電網(wǎng)隔離，電網(wǎng)電壓經(jīng)過隔離變壓器，整流濾波后，由500V供電母線送到分布式供電單元，給終端供電。采用隔離變壓器的目的是使直流系統(tǒng)的接地方式不受市電接地方式的影響，接地方式相對獨立。在電網(wǎng)側，采用普通電力系統(tǒng)的安全保護方式，低壓直流側采用負端接地方式，確保設備和使用人員的安全性；中間母線供電采用對地絕緣的浮地系統(tǒng)。適用于系統(tǒng)規(guī)模相對較小、輸電距離限于一定區(qū)域的場合。

直流供電母線浮地系統(tǒng)的安全性分析

圖3模擬了直流供電母線浮地系統(tǒng)正端接殼現(xiàn)象，其中，Rb為人體電阻，Re為安全接地電阻，取10Ω，Z+、Z-。供電母線正端發(fā)生意外，搭碰負載外殼時，存在接觸電阻，即正端搭殼故障電阻Rm。當Rm=0時，稱供電母線正端完全搭殼。等效電路如圖4所示。

按GB13870中的直流500V大面積接觸情況下的測試結果，95％的人體電阻為1125Ω，5％的人體電阻為625Ω，人體電阻Rb取625Ω，Re為安全接地電阻，取10Ω，Z+、Z-為對地絕緣阻抗，極端惡劣情況下，按0.01MΩ計算。Rb、Re和Z+的并聯(lián)等效電阻記為R，則通過人體的電流為：

根據(jù)以上公式，人體接觸帶電殼體時，通過人體的電流約為7.87mA，遠低于人體可以承受的電流，對人體不構成傷害。可見，直流供電浮地系統(tǒng)是個相對安全的系統(tǒng)。

圖3　直流供電母線浮地系統(tǒng)供電示意圖

圖4　直流供電母線浮地系統(tǒng)等效電路圖

圖5　直流供電母線浮地系統(tǒng)模擬試驗圖

直流供電母線浮地系統(tǒng)的安全性驗證

為研究和驗證直流供電母線浮地系統(tǒng)的安全性，模擬在整流輸出母線（負端）接地和不接地兩種情況下，分別考察正負端對地絕緣下降和正端發(fā)生接地故障，通過改變?nèi)梭w（模擬）電阻值，測量通過人體（模擬）電流值和所承受的電壓值，如圖5。

據(jù)此，可以搭建如圖4所示試驗電路。

為了比較直流供電母線浮地系統(tǒng)與端接地系統(tǒng)的安全性，試驗分為五項，依次改變正負端對地絕緣阻抗Z+、Z-和搭殼故障電阻Rm與模擬人體電阻Rb，比較各項試驗條件下通過人體的電流值。

圖6　直流供電母線浮地系統(tǒng)試驗模擬電路

母線正負端對地絕緣， 正端（搭接機殼）搭殼故障

此項試驗，要求母線正、負端對地分別為理想絕緣和絕緣下降兩種情況。理想絕緣時，模擬供電系統(tǒng)絕緣最優(yōu)情形，正/負端對地絕緣阻抗為無窮大；絕緣下降時，模擬供電系統(tǒng)絕緣惡劣情形，正/負端對地絕緣阻抗為0.01MΩ。在正端搭殼，接觸電阻為0時，進行試驗，測得試驗數(shù)據(jù)，見表1。

表1　母線正負端對地絕緣，正端搭殼故障數(shù)據(jù)表

母線負端不接地，正、負端對地絕緣下降，正端（搭接機殼）搭殼故障

此項試驗，要求母線正、負端對地絕緣下降，正端500Vdc +意外搭殼。正端搭殼處有接觸電阻，模擬在接觸電阻Rm為不同數(shù)值時，觀察人體安全性指標（Ib，Rb=625Ω時），測得試驗數(shù)據(jù)，見表2。

表2　母線負端不接地，正、負端對地絕緣下降，正端搭殼故障數(shù)據(jù)表

母線負端不接地，正、負端對地絕緣下降，正端（搭接機殼）搭殼故障

此項試驗，要求正、負端對地絕緣下降，正端500 Vdc +意外搭殼。正端搭殼處有接觸電阻，模擬在接觸電阻為不同數(shù)值時，觀察人體安全性指標（Ib，Rb=1125Ω時），測得試驗數(shù)據(jù)，見表3。

表3　母線負端不接地，正、負端對地絕緣下降，正端搭殼故障數(shù)據(jù)表

母線負端接地，正、端對地絕緣下降，正端（搭接機殼）搭殼故障

此項試驗，要求正端對地絕緣下降、負端接地。正端搭殼處有接觸電阻，模擬在接觸電阻為不同數(shù)值時，觀察人體安全性指標（Ib，Rb=625Ω時），測得試驗數(shù)據(jù)，見表4。

表4　母線負端接地，正、端對地絕緣下降，正端搭殼故障數(shù)據(jù)表

母線負端接地，正端對地絕緣下降，正端（搭接機殼）接地故障

此項試驗，要求母線正端對地絕緣下降、負端接地。正端搭殼處有接觸電阻，模擬在接觸電阻為不同數(shù)值時，觀察人體安全性指標（Ib，Rb=1125Ω時），測得試驗數(shù)據(jù)，見表5。

表5　母線負端接地，正端對地絕緣下降，正端接地故障數(shù)據(jù)表

試驗結論

通過模擬試驗對直流供電母線浮地系統(tǒng)進行了驗證，得出以下結論試驗。

供電系統(tǒng)應做好設備的電氣絕緣、防直流接觸、安全載流量、電擊防護，要求操作人員按規(guī)范作業(yè)，設備及操作人員的都是安全的。在現(xiàn)場操作中，可能會發(fā)生一些偶然事件，增大設備的危險性，使人員可能受到電擊，對于這種情況 ，在進行安全性設計時，應考慮到采用合適的接地方式。

由表1、表2、表3可以看出，在直流供電母線浮地系統(tǒng)中，正、負端對地絕緣良好時，人體意外接觸機殼，通過人體的電流最大不超過7mA，遠遠小于安全規(guī)范所要求的150mA。此時在生理感覺上，通常無反應，只有在開關接通或斷開時，可能會有輕微針扎痛感。

由表4、表5可以看出，在直流供電母線浮地系統(tǒng)中，正端對地絕緣良好時，人體意外接觸機殼，通過人體的電流隨著正端碰殼接觸電阻的減小而增大（如圖6所示）。在接觸電阻減小到32Ω時，通過人體的電流會超過150mA（此時Rb=625Ω），達到危險指標。此時，人體通常不會發(fā)生器質(zhì)性損傷，但是隨著電流和時間增加，可能發(fā)生心臟內(nèi)心電沖動的形成和傳導有可以恢復的紊亂。當電源正端完全搭接在外殼上（即接觸電阻為0時），通過人體的電流將大大超過300mA，會出現(xiàn)致命危險。

因而，直流供電母線浮地系統(tǒng)，負載端外殼安全接地，此接地方式允許電源正端長期碰殼，即使人體意外接觸負載外殼時，通過人體的電流遠小于人體允許的安全電流。此接地方式相對于負端接地系統(tǒng)安全性高，可以用在直流500V以上的供電系統(tǒng)中。

直流供電浮地系統(tǒng)防護措施

通過以上分系統(tǒng)可知，在采用直流供電母線浮地系統(tǒng)時，保持正常的電源正負端對地絕緣電阻是系統(tǒng)安全運行的保證。

因此，直流供電浮地系統(tǒng)中必須加裝絕緣狀態(tài)監(jiān)視告警裝置，用以監(jiān)測系統(tǒng)中母線的絕緣情況，便于及時排除絕緣下降或母線意外碰殼故障。同時增加直流漏電保護裝置，避免絕緣下降帶來的漏電危險。

絕緣監(jiān)測系統(tǒng)

圖7　Ib（Rb分別為625Ω、1125Ω）隨Rm變化圖

可選取ABB絕緣監(jiān)測模塊CM-IWN-1。CM-IWN-1用于對地隔離系統(tǒng)母線安全性的檢測，通過互相獨立地測量正負母線對地絕緣阻抗的大小，判斷系統(tǒng)絕緣狀態(tài)。工作原理如圖8所示：絕緣監(jiān)測器CM-IWN-1檢測端分別直接連接在兩根母線和大地上，對母線對地絕緣電阻值進行實時監(jiān)測，并與參考值--絕緣響應門限比較；CM-IWN-1可以設置多種絕緣響應門限（10Ω～110KΩ），當母線對地電阻小于設定的門限電阻值時，繼電器動作，同時LED指示燈示紅。

圖8　絕緣檢測儀原理和配置

圖9　漏電保護原理圖

直流漏電保護

通過檢測直流輸出端共模電流來判斷是否有漏電流，當500V直流線間存在漏電阻時，圖9所示電路可實時監(jiān)測漏電流大小，當漏電流超過人體安全電流30mA時，指示燈亮報警，關斷直流側斷路器。

結束語

本文分析供電系統(tǒng)已有的安全接地方式，提出了一種直流供電條件下的正負母線浮地系統(tǒng)以及直流母線浮地系統(tǒng)的安全防護措施，并通過模擬試驗驗證了系統(tǒng)的安全性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.024