低壓交直流混合配電系統中接地故障保護分析

朱 林, 郭成燕

(蘇州西門子電器有限公司, 江蘇 蘇州 215129)

0 引 言

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

1 低壓直流系統與其他配電系統的關聯

以交流供電為主的用戶端混合低壓配電系統中,可再生能源發電、儲能和直流用電設備的集中供電將是低壓直流系統存在的主要形式。直流配電系統將通過各類電能轉化設備(整流/逆變設備)與交流系統緊密相連,組成用戶端混合低壓配電系統[4-6]。用戶側交直流混合低壓配電系統如圖1所示。

圖1 用戶側交直流混合低壓配電系統

對于交直流混合的低壓配電系統,直流系統可能是一個完整的配電系統,也可能是發電、充電或儲能的直流部分(子系統)。由于各類電源轉換裝置的存在和轉化裝置的不同結構,直流系統和交流系統在電源、接地和用電設備上均有交集和關聯。因此,為保證系統的可靠運行和人身安全,本文從接地、隔離和保護等不同的角度,對低壓交直流混合配電系統中接地故障保護進行了分析。

2 低壓交直流混合配電系統的接地分析

低壓交直流混合配電系統的接地形式包含交流系統的接地形式和直流配電系統的接地形式兩部分,同時兩個系統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系和影響。

2.1 直流配電系統的接地形式

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

圖2 常用的低壓直流接地系統

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

2.2 交直流系統接地分析

對于低壓系統保護,接地是有效的保護措施。IEC/TC 64電氣裝置委員會強烈建議,同一個電氣系統中應采用同一個保護接地系統,其優點是減少電池效應對接地極的腐蝕,鉗制電位,有利于電磁兼容。對于交流配電系統、獨立直流配電系統或交直流混合配電系統,在同一配電系統內都應做成同一個接地系統。交流及直流供電部分均采用TN-S接地系統的交直流混合系統。AC/DC混合系統接地如圖3所示。

圖3 AC/DC混合系統接地

2.3 交直流系統間的隔離與接地

對于交直流混合系統,如果各類變流器下游直流電源部分采用直接與任何系統保護接地相連,則變換器的交直間需要有電流分割,如果沒有分割,交流側電流會通過大地形成回路,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IEC相關基本安全要求,電源端任何I類電氣設備本身的保護接地極必須與供電系統的保護接地相連,同時設備接地電阻滿足相關安全要求。常用直流接地系統如圖5所示。

圖5 常用直流接地系統

對于交直流間未采用電氣分隔的變流設備后端,必須采用直流IT保護接地系統,其接地故障保護由交流側接地故障保護設備負責。對于直流TN系統,無論是在交流側的工頻電氣隔離還是變流設備內的高頻電氣隔離,交直流系統間必須有電氣分隔。

2.4 系統的保護接地與功能接地

對于接地系統,保護接地不等于功能接地。保護接地要求在系統出現接地故障時配電系統安全,而功能接地僅要求系統中設備正常運行或故障判斷,不能用于系統保護接地。在工程設計及安裝中兩者應有明顯的區別,功能接地可以接入保護系統中,但不能采用常用的保護地線標識。光伏系統中的接地就是為了減少電壓振蕩引起電壓升高而進行的功能接地。采用無電氣分隔變流器的光伏系統如圖6所示。

圖6 采用無電氣分隔變流器的光伏系統

電氣隔離不等于電氣分隔,電流隔離需要采用機械隔離或采用符合IEC 61558系列標準要求的隔離變壓器。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或系統外。圖6顯示的就是外置電氣分隔變壓器實例。

3 接地故障保護

配電系統的接地保護設置應從接地系統特性及接地極電腐蝕、系統電壓水平等方面綜合考慮。TN系統中,對于有人身電擊風險的場所,必須使用剩余電流動作保護器(RCD);對于交直流混合配電系統,RCD應根據系統安全選擇安裝位置,必要時可以在交直流側均安裝RCD進行保護,但直接與非專業人員接觸超過AC 50 V或DC 120 V安全電壓的配電系統中RCD應是強制安裝的。對于直流IT接地系統,必須進行絕緣檢測。絕緣監測可以采用有源的IMD,也可以選用無源的RCM。

3.1 絕緣監控

IEC 61557-8:2014與我國目前等同采用的2007版的GB/T 18216.8—2015已經做了較大的變更:考慮到IMD通常是在配電系統中疊加包括直流在內的不同頻率測試電壓的監測方式,在產品類型上強調了AC型IMD 在AC/DC系統中交流側絕緣監測結果精度;新命名了用于直流IT系統的DC IMD和可用于交直流IT系統中的AC/DC IMD(所有通電元件的絕緣故障均可以監控)。

對于用于安裝有交直流變流裝置的IMD,應選用AC/DC型IMD或DC型IMD,其供電線與功能地間的內置阻抗應不小于100 kΩ,同時系統間的絕緣電阻應不小于1 kΩ。

3.2 剩余電流保護

IEC對交流的研究和相關產品開發已經有了完善的標準體系,其中IEC 60755:2017是AC系統RCD的基礎標準,IEC 62423:2009標準則是針對有變流設備的交直流混合系統交流側RCD的基礎標準。依據這兩個基礎標準,目前已經形成了完整的產品及產品標準體系。目前交流系統的相關剩余電流保護設備如圖7所示。

圖7 交流剩余電流保護設備

3.3 直流剩余電流保護產品

隨著直流配電系統應用的興起,各類直流配電系統對于剩余電流故障保護要求日益迫切,IEC發布了IEC/TS 63053:2017基礎標準,用于指導后續直流剩余電流產品標準的編制和產品研發。

3.4 交直流混合系統中交流剩余電流防護

3.4.1 交流系統中直流剩余電流類型

IEC 60755:2017標準定義了針對不同交流負載故障電流波形,包括交直流變流設備及輸出回路產生的接地故障電流波形。根據不同變流設備型式,故障波形為波動的直流或平滑直流波。

3.4.2 交流配電系統中的直流故障電流防護

對于交流系統中的剩余電流保護,AC型RCD是較為常用的剩余電流保護產品,但此類RCD 產品不適于交流配電系統中的直流故障電流防護,主要原因是波動的直流或是平滑直流波故障電流疊加在交流系統中流過互感器一次回路時,會使互感器出現磁飽和,繼而無法對交流系統的故障電流進行監測輸出,保護功能失效。直流剩余電流對AC型RCD的作用如圖8所示,系統中產生的交流剩余電流III在互感器二次側產生的電流IV的幅值被極大地限制。

圖8 直流剩余電流對AC型RCD的作用

3.4.3 變流器開關頻率對RCD的影響

交直流混合系統中的變流設備在工作過程中也會出現800 Hz～50 kHz的時鐘電流,這些電流通過對地電容耦合到變流器前的工頻交流系統中,使標準的AC型RCD產生誤動,降低系統運行的可靠性。

3.4.4 B型RCD的選用

B型RCD是針對交流配電系統中含有直流分量的交流剩余電流或直流剩余電流進行保護的接地故障保護產品,可對各類直流剩余電流提供保護。IEC相關標準均強調在含有交直流轉換的變流器交流側安裝B型RCD。在大功率混合系統中,考慮到大功率變流器工作中產生的高頻剩余電流值,不宜安裝用于人身保護的30 mA剩余電流保護產品,建議安裝用于接地故障防護的300 mA以上并具有延時功能的RCD產品,這類產品通常符合IEC 60947-2:2016附錄M的標準要求。

4 結 語

接地故障防護是低壓配電系統重要的系統保護之一,由于交直流混合系統中接地設置和變流設備結構的不同,接地保護的選擇與設置也不相同。直流電源與交流電源相比較呈現更多的型式,其中負載特性和電流特性都在研究中,包括負載開斷或故障時的電弧特性均沒有形成完整數據積累,因此IEC專家們不斷地探索直流系統及設備的各種特性。