低压交直流混合配电系统中接地故障保护分析

朱 林, 郭成燕

(苏州西门子电器有限公司, 江苏 苏州 215129)

0 引 言

我国交流大电网非常普及,对于用户侧配电电网而言,低压交流将是未来一段时期的主要供电形式。低压交直流混合系统将是未来直流系统和可再生能源智能配电系统的主要系统,因此配电系统的接地保护也需要考虑与其他电源系统的接地装置间的联系与配合[1-3]。

1 低压直流系统与其他配电系统的关联

以交流供电为主的用户端混合低压配电系统中,可再生能源发电、储能和直流用电设备的集中供电将是低压直流系统存在的主要形式。直流配电系统将通过各类电能转化设备(整流/逆变设备)与交流系统紧密相连,组成用户端混合低压配电系统[4-6]。用户侧交直流混合低压配电系统如图1所示。

图1 用户侧交直流混合低压配电系统

对于交直流混合的低压配电系统,直流系统可能是一个完整的配电系统,也可能是发电、充电或储能的直流部分(子系统)。由于各类电源转换装置的存在和转化装置的不同结构,直流系统和交流系统在电源、接地和用电设备上均有交集和关联。因此,为保证系统的可靠运行和人身安全,本文从接地、隔离和保护等不同的角度,对低压交直流混合配电系统中接地故障保护进行了分析。

2 低压交直流混合配电系统的接地分析

低压交直流混合配电系统的接地形式包含交流系统的接地形式和直流配电系统的接地形式两部分,同时两个系统的接地间由于建筑物及周边因素的限制,存在各类接地极的联系和影响。

2.1 直流配电系统的接地形式

与交流配电系统的接地形式一样,直流配电系统的接地形式也分为TT、TN、IT等。直流系统中可能存在通过变流器与交流系统的联络,系统的直流电压值等因素也影响了直流配电接地系统的选择。考虑到电池效应对接地极的电腐蚀作用,在低压直流系统中不推荐使用TT系统。同时考虑到直流系统电压转换的方便和系统的覆盖范围,低压直流系统也采用二线和三线制的供电系统。常用的低压直流接地系统如图2所示。

图2 常用的低压直流接地系统

根据IEC 60364-1:2005[1]的定义,直流浮地接地方式实际就是直流电源端不直接接地的直流IT系统。

2.2 交直流系统接地分析

对于低压系统保护,接地是有效的保护措施。IEC/TC 64电气装置委员会强烈建议,同一个电气系统中应采用同一个保护接地系统,其优点是减少电池效应对接地极的腐蚀,钳制电位,有利于电磁兼容。对于交流配电系统、独立直流配电系统或交直流混合配电系统,在同一配电系统内都应做成同一个接地系统。交流及直流供电部分均采用TN-S接地系统的交直流混合系统。AC/DC混合系统接地如图3所示。

图3 AC/DC混合系统接地

2.3 交直流系统间的隔离与接地

对于交直流混合系统,如果各类变流器下游直流电源部分采用直接与任何系统保护接地相连,则变换器的交直间需要有电流分割,如果没有分割,交流侧电流会通过大地形成回路,变流器不能有正常的直流输出。无电源隔离的接地电流影响如图4所示。

图4 无电源隔离的接地电流影响

根据IEC相关基本安全要求,电源端任何I类电气设备本身的保护接地极必须与供电系统的保护接地相连,同时设备接地电阻满足相关安全要求。常用直流接地系统如图5所示。

图5 常用直流接地系统

对于交直流间未采用电气分隔的变流设备后端,必须采用直流IT保护接地系统,其接地故障保护由交流侧接地故障保护设备负责。对于直流TN系统,无论是在交流侧的工频电气隔离还是变流设备内的高频电气隔离,交直流系统间必须有电气分隔。

2.4 系统的保护接地与功能接地

对于接地系统,保护接地不等于功能接地。保护接地要求在系统出现接地故障时配电系统安全,而功能接地仅要求系统中设备正常运行或故障判断,不能用于系统保护接地。在工程设计及安装中两者应有明显的区别,功能接地可以接入保护系统中,但不能采用常用的保护地线标识。光伏系统中的接地就是为了减少电压振荡引起电压升高而进行的功能接地。采用无电气分隔变流器的光伏系统如图6所示。

图6 采用无电气分隔变流器的光伏系统

电气隔离不等于电气分隔,电流隔离需要采用机械隔离或采用符合IEC 61558系列标准要求的隔离变压器。而电气分隔仅需要采用双绕组变压器,变压器可以安装在变流器内或系统外。图6显示的就是外置电气分隔变压器实例。

3 接地故障保护

配电系统的接地保护设置应从接地系统特性及接地极电腐蚀、系统电压水平等方面综合考虑。TN系统中,对于有人身电击风险的场所,必须使用剩余电流动作保护器(RCD);对于交直流混合配电系统,RCD应根据系统安全选择安装位置,必要时可以在交直流侧均安装RCD进行保护,但直接与非专业人员接触超过AC 50 V或DC 120 V安全电压的配电系统中RCD应是强制安装的。对于直流IT接地系统,必须进行绝缘检测。绝缘监测可以采用有源的IMD,也可以选用无源的RCM。

3.1 绝缘监控

IEC 61557-8:2014与我国目前等同采用的2007版的GB/T 18216.8—2015已经做了较大的变更:考虑到IMD通常是在配电系统中叠加包括直流在内的不同频率测试电压的监测方式,在产品类型上强调了AC型IMD 在AC/DC系统中交流侧绝缘监测结果精度;新命名了用于直流IT系统的DC IMD和可用于交直流IT系统中的AC/DC IMD(所有通电元件的绝缘故障均可以监控)。

对于用于安装有交直流变流装置的IMD,应选用AC/DC型IMD或DC型IMD,其供电线与功能地间的内置阻抗应不小于100 kΩ,同时系统间的绝缘电阻应不小于1 kΩ。

3.2 剩余电流保护

IEC对交流的研究和相关产品开发已经有了完善的标准体系,其中IEC 60755:2017是AC系统RCD的基础标准,IEC 62423:2009标准则是针对有变流设备的交直流混合系统交流侧RCD的基础标准。依据这两个基础标准,目前已经形成了完整的产品及产品标准体系。目前交流系统的相关剩余电流保护设备如图7所示。

图7 交流剩余电流保护设备

3.3 直流剩余电流保护产品

随着直流配电系统应用的兴起,各类直流配电系统对于剩余电流故障保护要求日益迫切,IEC发布了IEC/TS 63053:2017基础标准,用于指导后续直流剩余电流产品标准的编制和产品研发。

3.4 交直流混合系统中交流剩余电流防护

3.4.1 交流系统中直流剩余电流类型

IEC 60755:2017标准定义了针对不同交流负载故障电流波形,包括交直流变流设备及输出回路产生的接地故障电流波形。根据不同变流设备型式,故障波形为波动的直流或平滑直流波。

3.4.2 交流配电系统中的直流故障电流防护

对于交流系统中的剩余电流保护,AC型RCD是较为常用的剩余电流保护产品,但此类RCD 产品不适于交流配电系统中的直流故障电流防护,主要原因是波动的直流或是平滑直流波故障电流叠加在交流系统中流过互感器一次回路时,会使互感器出现磁饱和,继而无法对交流系统的故障电流进行监测输出,保护功能失效。直流剩余电流对AC型RCD的作用如图8所示,系统中产生的交流剩余电流III在互感器二次侧产生的电流IV的幅值被极大地限制。

图8 直流剩余电流对AC型RCD的作用

3.4.3 变流器开关频率对RCD的影响

交直流混合系统中的变流设备在工作过程中也会出现800 Hz～50 kHz的时钟电流,这些电流通过对地电容耦合到变流器前的工频交流系统中,使标准的AC型RCD产生误动,降低系统运行的可靠性。

3.4.4 B型RCD的选用

B型RCD是针对交流配电系统中含有直流分量的交流剩余电流或直流剩余电流进行保护的接地故障保护产品,可对各类直流剩余电流提供保护。IEC相关标准均强调在含有交直流转换的变流器交流侧安装B型RCD。在大功率混合系统中,考虑到大功率变流器工作中产生的高频剩余电流值,不宜安装用于人身保护的30 mA剩余电流保护产品,建议安装用于接地故障防护的300 mA以上并具有延时功能的RCD产品,这类产品通常符合IEC 60947-2:2016附录M的标准要求。

4 结 语

接地故障防护是低压配电系统重要的系统保护之一,由于交直流混合系统中接地设置和变流设备结构的不同,接地保护的选择与设置也不相同。直流电源与交流电源相比较呈现更多的型式,其中负载特性和电流特性都在研究中,包括负载开断或故障时的电弧特性均没有形成完整数据积累,因此IEC专家们不断地探索直流系统及设备的各种特性。