城市微电网接地系统选择与设计

袁东明

【摘 要】无论是在偏远的边疆无人地区还是离岸的海岛、抑或是在人群密集的都市楼宇、社区、工厂，人们越来越多的看到分布式能源应用的场景。例如，分布式光伏、风力发电搭配柴油发电机组成的微电网，保障遥远小岛上渔民的全部用能需求；又如，天然气冷热电三联供（CCHP）、分布式可再生能源技术被集成到城市社区微电网系统中，为居民和企业提供本地生产经济高效的电力、热水以及制冷服务。而这一切很大程度上需要归功于微电网技术，它使人们选择的用能服务不再局限于市政电网集中供能的模式。

【关键词】城市；微电网；接地系统；选择；设计

引言

“微电网”，是相对传统“大电网”而言的一个概念，是指采用先进的控制技术以及电力电子装置，把分布式能源和它所供能的负荷以及储能等设备连接形成一个微型的完整电网。按照是否与大电网联接，微电网可以分为离网型和并网型两类。离网型微电网的应用场景包括解决海岛和偏远地区的用电问题，并网型则为用户的供能安全添加了一份保障，联网运行也可以改善系统的经济效益。

1城市微电网概述

微电网是由美国CERTS提出，以应对大量分布式电源并网对电网及用户造成冲击影响，美国、日本及欧洲对于微电网的研究日趋成熟，中国近几年对微电网的研究越来越多，主要集中在微电网控制、保护、并网以及可靠性评估，然而对微电网接地的研究相对较少。城市微电网不同接地方式影响到故障回路阻抗，故障时各接地系统故障电流不同，进而影响到微电网电流保护的灵敏性。

2城市微电网常见保护装置

2.1过流保护装置在微电网中的应用

微电网运行中需满足用户供电质量及保障人身安全两大重要指标，在任何情况下出现故障时，微电网保护均要快速、可靠和有选择的动作。城市微电网通常配置过流保护装置，常见装置包括熔断器及低压断路器。过流保护根据动作时间划分为定时限过流保护和反时限过流保护，前者保护动作时间是预先整定的，不随短路电流的大小变化而变化；后者保护动作时间随故障电流的变化而变化，故障电流越大，动作时间越短。要实现过流保护装置的快速可靠动作，需满足短路故障电流足够大，否则保护灵敏度太低无法快速切除故障。

2.2剩余电流动作保护装置在微电网中应用

剩余电流动作保护装置（简称RCD）作为一种低压安全保护电器具有高灵敏性及高可靠性的特点，并且可用于单相配电线路等。文中以剩余电流动作保护和零序电流保护的原理比较分析剩余电流动作保护的优点。RCD及零序电流保护原

理图见图2。图2中TA1为零序电流保护电流互感器，此时保护测量值为零序电流I0（I0=IA+IB+IC），保护整定时需躲过系统最大不平衡电流。剩余电流动作保护器（RCD）的电流互感器（图2中TA2）穿过三相导线及N线，保护测量值为IA+IB+IC+IN，保护的整定仅需躲过较小的正常泄漏电流。显然，RCD保护的整定值小于零序电流保护的整定值，在实际运行中具有较高的灵敏性。除三相供电系统外，RCD同样可用于单相供电系统中，零序电流保护由其结构特点显然无法用于单相供电系统。单相供电系统中，RCD保护互感器穿过火线和零线，保护测量流过火线的电流Ir及流过零线的电流In矢量和即Ir+In，正常运行时该矢量和为0（流出和流回相抵消），故障时为故障电流，RCD可以快速可靠动作。

3总等电位联接在接地系统中的应用

3.1总等电位联接概述

总等电位联接是指将总保护导体、总接地导体或总接地端子、建筑物内的金属管道和可利用的建筑物金属结构等可导电部分连接到一起，使电位均衡，降低接触电压，并消除电源线路引入建筑物的危险电压。结合图3所示总等电位联接示意图进行理论分析。图3为TT接地系统下的总等电位联接下的结构示意图，电气设备发生绝缘碰壳故障时，短路电流Ig流入大地。当人体接触到电气设备外壳时，在非等电位联接下其接触电压为Ut2=IgZPE+IgRE。（1）而采用总等电位联接时接触电压则变为Ut1=IgZPE。（2）式（1）、（2）中：ZPE为PE线阻抗，其值非常小；RE为接地电阻，取4Ω。GB14050—2008《系统接地的型式及安全技术要求》规定超过交流50V的接触电压不能持续存在（不超过5s），以免对人体造成伤害，并且规定系统中应尽量采用总等电位联接。后续部分会对各接地系统进行仿真验证是否满足标准要求。

3.2不同接地方式安全性分析

GB50065—2011中规定：建筑物内低压电气采用TN接地系统（不采用总等电位联接）、TT及IT接地系统时，低压系统电源中性点不可与变压器保护接地公用接地装置。当前建筑物为降低建设成本，只设置公用接地装置，并且建筑物中采用总等电位联接。出于成本考虑，TN接地系统适于建筑物中，而TT及IT接地系统不适于建筑物中。由于IT接地系统发生绝缘碰壳故障时，并网及孤岛运行下故障接触电压均小于50V安全电压，可以不切断电源，但需要安装绝缘监视装置，IT接地系统仅适用于连续不停电的矿井、醫院等场所。TT接地系统在发生绝缘碰壳故障时，故障接触电压虽超过标准要求的50V安全电压，但通过对系统加装RCD保护装置，可以保证系统发生绝缘碰壳故障时保护迅速动作切除故障，使其满足GB14050—2008中切断时间不超过5s的要求。户外不具备总等电位联接条件下的电气设备可以采用TT接地系统加RCD保护装置，保证人身安全。

3.3城市微电网混合接地系统

城市微电网混合接地系统TN-C接地系统仅有PEN线，受外来故障影响较大且可靠性差。IT接地系统在第1次故障时采取不切断电源的策略，仅适用于特殊不停电场合。通过仿真分析知，建筑物电气装置采用TN-C-S及TN-S接地系统，而不具备铺设总等电位联接条件下的户外电气装置采用TT接地系统并配合使用RCD保护装置。案例中的城市微电网在具体施工时，负荷及储能装置可以位于总等电位联接下的建筑物中，微源位于不具有总等电位联接下的户外场所，在不同场合下配置不同接地系统，以发挥各接地系统独有优势，获得城市微电网混合接地系统。

3.4微电网中储能系统的运用展望

面独当前飞速发展电力系统，电力系统在满足国家、社会及人民的用电需求的同时，也担负着较大的压力，不管是城市还是偏远地区，一旦发生停电问题，波及的范围较大，给居民生活造成极大的影响。为了迎合时代的发展趋势，积极利用现代化储能技术，对微电网提供有力支持，通过将其合理的加入至微电网中，能够有效处理分布式电源及负荷波动产生的输出电能间歇性问题，对相应的运行状态提供可靠稳定的支持。当前储能成为了微电网中不可或缺的组成部分，凭借着优良的特性，成功解决了用电过程中出现的各种难题，为其更好的运行和实现有效控制研究创造了条件，在适当的建模与仿真中，证实了储能系统对微电网的积极影响。纵观其发展的历程和应用价值，相信储能系统在微电网中还会越走越远，并且会逐步拓宽应用领域，更好的解决现实生活中的难题。

结语

文中通过搭建微电网不同接地系统的PSCAD仿真模型，仿真比较了各接地系统故障电流水平，并对各接地系统安全性进行分析，最终获得适合微电网的混合接地系统，得到以下结论。（1）微电网故障时各接地方式提供的故障回路阻抗不同，使得故障电流表现各异。TN接地系统故障电流较大，过流保护灵敏度较高，而TT及IT接地系统故障电流相对较小，TT接地系统可配置RCD保护，IT接地系统采用绝缘监视装置保证安全性。（2）微电网TN接地系统在总等电位联接下明显可以降低接触电压，适用于具有总等电位联接下的建筑物中；非等电位联接下的电气设备可采用TT接地系统并配置RCD保护装置。

参考文献：

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[2]卢文华，姚伟，罗吉，等.微电网接地方式比较研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（19）：103-109

[3]王成山，武震，李鹏.微电网关键技术研究[J].电工文摘，2014（2）：59-68.

（作者单位：天津天大求实电力新技术股份有限公司）