一种直流供电母线浮地安全系统

2015-11-02创新者尹华桥

中国科技信息 2015年10期

关键词：绝缘直流电阻

创新者：尹华桥

一种直流供电母线浮地安全系统

创新者：尹华桥

本文在电力系统的安全接地规范的基础上，提出了一种高电压直流供电条件下的正负传输母线浮地安全系统，分析了这种安全系统的工作机理，通过模拟试验对此系统的安全性进行验证，并提出了相应的安全防护措施。

用电安全防护的基本要求

用电安全防护的参考要素

用电安全防护一般有以下四个参考要素。

电气绝缘。保持配电线路和电气设备的绝缘良好，是保证人身安全和电气设备正常运行的最基本要素。电气绝缘的性能是否良好，可以通过测量其绝缘电阻、耐压强度、泄漏电流和介质损耗等参数来衡量。

防直接接触。指防止人体、物体等好、直接接触带电体而发生危险的措施或留有足够安全可靠的距离。

安全载流量。导线的安全载流量，是指允许持续通过导体内部的电流量。持续通过导体的电流如果超过安全载流量，导体的发热将超过允许值，导致绝缘损坏，甚至引起漏电和发生火灾。因此，根据导体的安全载流量确定导体界面和选择设备是十分重要的。

电击防护。当系统因绝缘损坏等异常情况下，人体可能发生接触带电而采取的防护措施。如过载、漏电保护等措施。

只要在供电系统设计时，对以上规定的几个方面都有符合规范的应对措施，不论电压的高低，一般情况下，系统就可以认为是安全的。

GB14050-2008对于我国供电系统接地方式的规定

GB14050规定了我国交流供电系统可以采取的IT、TT、TN三种接地方式，以及不同接地方式应采用的相对应保护措施。TT又称保护接地系统，可以降低设备外壳带电带来的危险性，但是自动开关不一定能够跳闸，造成漏电设备的外壳对地电压高于安全电压。TN在设备外壳带电时，接零保护系统能将漏电流上升为短路电流，使断路器脱扣，从而使故障设备断电。TN-C使用工作零线兼作接零保护线，只适用于三相负载基本平衡的用电场合；TN-S把工作零线和专用保护线PE线分开；供电现场前部分使用TN-C、后部分使用TN-S，并在系统后半部分总配电箱分出PE线，统称TN-C-S供电系统。IT在短距离供电时，安全性高、可靠性高，长距离送电时，考虑到分布电容的影响，不适用IT方式。

对应于GB14050规定的交流系统接地方式，直流系统也可以采用相对应的三种接地方式，如图1所示：IT系统即电源端直流母线对地绝缘、用电设备端外壳绝缘；TT系统即电源端直流母线负端接地、用电设备端外壳接地；TN系统即电源端直流母线负端接地、用电设备外壳接地且母线负端接外壳。

直流供电系统接地方式选择

系统接地方式的选择是系统安全的重要保障，一直以来，在广大技术人员中一直存在着这样的误区：一、认为将设备金属外壳接地，就安全了；二、外壳接地了，如果发生相线或直流正端碰壳，短路电流可以使开关跳闸保护。

图1　500V直流系统三种接地方式

事实上某些接地方式下，如IT和TT系统，由于接地电阻的存在，外壳接地产生的短路电流无法使前端开关产生跳闸保护，设备外壳会长期处于带电状态。IT系统（即中心点或直流负端对地绝缘系统）发生接地故障（俗称碰壳）时，接触电压低，对人身不构成伤害，供电持续性不受影响，是供电要求持续性要求较高场所首选的接地方式，如医院手术台、重要装备等。而TT系统发生接地故障时，接触电压高，对人身安全构成威胁。在TN系统中，由于直流负端接设备外壳，当发生接地故障时，相当于正负之间直接短路，短路电流可以使开关跳闸保护，但TN系统会给复杂装备的电磁兼容设计带来相应的难题。

一般来说，对于低于36V的直流系统，可采用图1中的TN系统；高于100V的场所建议采用图1中的IT系统，可兼顾设备供电持续性和人身安全防护要求。直流供电的IT方式也俗称为直流供电母线浮地系统。

图2　直流供电母线浮地系统示意图

直流供电母线浮地系统的模型

在直流大功率场合（如图2所示）中，供电系统要求与电网隔离，电网电压经过隔离变压器，整流滤波后，由500V供电母线送到分布式供电单元，给终端供电。采用隔离变压器的目的是使直流系统的接地方式不受市电接地方式的影响，接地方式相对独立。在电网侧，采用普通电力系统的安全保护方式，低压直流侧采用负端接地方式，确保设备和使用人员的安全性；中间母线供电采用对地绝缘的浮地系统。适用于系统规模相对较小、输电距离限于一定区域的场合。

直流供电母线浮地系统的安全性分析

图3模拟了直流供电母线浮地系统正端接壳现象，其中，Rb为人体电阻，Re为安全接地电阻，取10Ω，Z+、Z-。供电母线正端发生意外，搭碰负载外壳时，存在接触电阻，即正端搭壳故障电阻Rm。当Rm=0时，称供电母线正端完全搭壳。等效电路如图4所示。

按GB13870中的直流500V大面积接触情况下的测试结果，95％的人体电阻为1125Ω，5％的人体电阻为625Ω，人体电阻Rb取625Ω，Re为安全接地电阻，取10Ω，Z+、Z-为对地绝缘阻抗，极端恶劣情况下，按0.01MΩ计算。Rb、Re和Z+的并联等效电阻记为R，则通过人体的电流为：

根据以上公式，人体接触带电壳体时，通过人体的电流约为7.87mA，远低于人体可以承受的电流，对人体不构成伤害。可见，直流供电浮地系统是个相对安全的系统。

图3　直流供电母线浮地系统供电示意图

图4　直流供电母线浮地系统等效电路图

图5　直流供电母线浮地系统模拟试验图

直流供电母线浮地系统的安全性验证

为研究和验证直流供电母线浮地系统的安全性，模拟在整流输出母线（负端）接地和不接地两种情况下，分别考察正负端对地绝缘下降和正端发生接地故障，通过改变人体（模拟）电阻值，测量通过人体（模拟）电流值和所承受的电压值，如图5。

据此，可以搭建如图4所示试验电路。

为了比较直流供电母线浮地系统与端接地系统的安全性，试验分为五项，依次改变正负端对地绝缘阻抗Z+、Z-和搭壳故障电阻Rm与模拟人体电阻Rb，比较各项试验条件下通过人体的电流值。

图6　直流供电母线浮地系统试验模拟电路

母线正负端对地绝缘，正端（搭接机壳）搭壳故障

此项试验，要求母线正、负端对地分别为理想绝缘和绝缘下降两种情况。理想绝缘时，模拟供电系统绝缘最优情形，正/负端对地绝缘阻抗为无穷大；绝缘下降时，模拟供电系统绝缘恶劣情形，正/负端对地绝缘阻抗为0.01MΩ。在正端搭壳，接触电阻为0时，进行试验，测得试验数据，见表1。

表1　母线正负端对地绝缘，正端搭壳故障数据表

母线负端不接地，正、负端对地绝缘下降，正端（搭接机壳）搭壳故障

此项试验，要求母线正、负端对地绝缘下降，正端500Vdc +意外搭壳。正端搭壳处有接触电阻，模拟在接触电阻Rm为不同数值时，观察人体安全性指标（Ib，Rb=625Ω时），测得试验数据，见表2。

表2　母线负端不接地，正、负端对地绝缘下降，正端搭壳故障数据表

母线负端不接地，正、负端对地绝缘下降，正端（搭接机壳）搭壳故障

此项试验，要求正、负端对地绝缘下降，正端500 Vdc +意外搭壳。正端搭壳处有接触电阻，模拟在接触电阻为不同数值时，观察人体安全性指标（Ib，Rb=1125Ω时），测得试验数据，见表3。

表3　母线负端不接地，正、负端对地绝缘下降，正端搭壳故障数据表

母线负端接地，正、端对地绝缘下降，正端（搭接机壳）搭壳故障

此项试验，要求正端对地绝缘下降、负端接地。正端搭壳处有接触电阻，模拟在接触电阻为不同数值时，观察人体安全性指标（Ib，Rb=625Ω时），测得试验数据，见表4。

表4　母线负端接地，正、端对地绝缘下降，正端搭壳故障数据表

母线负端接地，正端对地绝缘下降，正端（搭接机壳）接地故障

此项试验，要求母线正端对地绝缘下降、负端接地。正端搭壳处有接触电阻，模拟在接触电阻为不同数值时，观察人体安全性指标（Ib，Rb=1125Ω时），测得试验数据，见表5。

表5　母线负端接地，正端对地绝缘下降，正端接地故障数据表

试验结论

通过模拟试验对直流供电母线浮地系统进行了验证，得出以下结论试验。

供电系统应做好设备的电气绝缘、防直流接触、安全载流量、电击防护，要求操作人员按规范作业，设备及操作人员的都是安全的。在现场操作中，可能会发生一些偶然事件，增大设备的危险性，使人员可能受到电击，对于这种情况，在进行安全性设计时，应考虑到采用合适的接地方式。

由表1、表2、表3可以看出，在直流供电母线浮地系统中，正、负端对地绝缘良好时，人体意外接触机壳，通过人体的电流最大不超过7mA，远远小于安全规范所要求的150mA。此时在生理感觉上，通常无反应，只有在开关接通或断开时，可能会有轻微针扎痛感。

由表4、表5可以看出，在直流供电母线浮地系统中，正端对地绝缘良好时，人体意外接触机壳，通过人体的电流随着正端碰壳接触电阻的减小而增大（如图6所示）。在接触电阻减小到32Ω时，通过人体的电流会超过150mA（此时Rb=625Ω），达到危险指标。此时，人体通常不会发生器质性损伤，但是随着电流和时间增加，可能发生心脏内心电冲动的形成和传导有可以恢复的紊乱。当电源正端完全搭接在外壳上（即接触电阻为0时），通过人体的电流将大大超过300mA，会出现致命危险。

因而，直流供电母线浮地系统，负载端外壳安全接地，此接地方式允许电源正端长期碰壳，即使人体意外接触负载外壳时，通过人体的电流远小于人体允许的安全电流。此接地方式相对于负端接地系统安全性高，可以用在直流500V以上的供电系统中。

直流供电浮地系统防护措施

通过以上分系统可知，在采用直流供电母线浮地系统时，保持正常的电源正负端对地绝缘电阻是系统安全运行的保证。

因此，直流供电浮地系统中必须加装绝缘状态监视告警装置，用以监测系统中母线的绝缘情况，便于及时排除绝缘下降或母线意外碰壳故障。同时增加直流漏电保护装置，避免绝缘下降带来的漏电危险。

绝缘监测系统

图7　Ib（Rb分别为625Ω、1125Ω）随Rm变化图

可选取ABB绝缘监测模块CM-IWN-1。CM-IWN-1用于对地隔离系统母线安全性的检测，通过互相独立地测量正负母线对地绝缘阻抗的大小，判断系统绝缘状态。工作原理如图8所示：绝缘监测器CM-IWN-1检测端分别直接连接在两根母线和大地上，对母线对地绝缘电阻值进行实时监测，并与参考值--绝缘响应门限比较；CM-IWN-1可以设置多种绝缘响应门限（10Ω～110KΩ），当母线对地电阻小于设定的门限电阻值时，继电器动作，同时LED指示灯示红。