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(chǔ)上，提出了一種高電壓直流供電條件下的正負(fù)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(jī)理，通過(guò)模擬試驗(yàn)對(duì)此系統(tǒng)的安全性進(jìn)行驗(yàn)證，并提出了相應(yīng)的安全防護(hù)措施。

用電安全防護(hù)的基本要求

用電安全防護(hù)的參考要素

用電安全防護(hù)一般有以下四個(gè)參考要素。

電氣絕緣。保持配電線路和電氣設(shè)備的絕緣良好，是保證人身安全和電氣設(shè)備正常運(yùn)行的最基本要素。電氣絕緣的性能是否良好，可以通過(guò)測(cè)量其絕緣電阻、耐壓強(qiáng)度、泄漏電流和介質(zhì)損耗等參數(shù)來(lái)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(xiǎn)的措施或留有足夠安全可靠的距離。

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

電擊防護(hù)。當(dāng)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(hù)措施。如過(guò)載、漏電保護(hù)等措施。

只要在供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)以上規(guī)定的幾個(gè)方面都有符合規(guī)范的應(yīng)對(duì)措施，不論電壓的高低，一般情況下，系統(tǒng)就可以認(rèn)為是安全的。

GB14050-2008對(duì)于我國(guó)供電系統(tǒng)接地方式的規(guī)定

GB14050規(guī)定了我國(guó)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(yīng)采用的相對(duì)應(yīng)保護(hù)措施。TT又稱保護(hù)接地系統(tǒng)，可以降低設(shè)備外殼帶電帶來(lái)的危險(xiǎn)性，但是自動(dòng)開關(guān)不一定能夠跳閘，造成漏電設(shè)備的外殼對(duì)地電壓高于安全電壓。TN在設(shè)備外殼帶電時(shí)，接零保護(hù)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(shè)備斷電。TN-C使用工作零線兼作接零保護(hù)線，只適用于三相負(fù)載基本平衡的用電場(chǎng)合；TN-S把工作零線和專用保護(hù)線PE線分開；供電現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，安全性高、可靠性高，長(zhǎng)距離送電時(shí)，考慮到分布電容的影響，不適用IT方式。

對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)地絕緣、用電設(shè)備端外殼絕緣；TT系統(tǒng)即電源端直流母線負(fù)端接地、用電設(shè)備端外殼接地；TN系統(tǒng)即電源端直流母線負(fù)端接地、用電設(shè)備外殼接地且母線負(fù)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(lái)，在廣大技術(shù)人員中一直存在著這樣的誤區(qū)：一、認(rèn)為將設(shè)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(guān)跳閘保護(hù)。

圖1　500V直流系統(tǒng)三種接地方式

事實(shí)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(wú)法使前端開關(guān)產(chǎn)生跳閘保護(hù)，設(shè)備外殼會(huì)長(zhǎng)期處于帶電狀態(tài)。IT系統(tǒng)（即中心點(diǎn)或直流負(fù)端對(duì)地絕緣系統(tǒng)）發(fā)生接地故障（俗稱碰殼）時(shí)，接觸電壓低，對(duì)人身不構(gòu)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(chǎng)所首選的接地方式，如醫(yī)院手術(shù)臺(tái)、重要裝備等。而TT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，接觸電壓高，對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。在TN系統(tǒng)中，由于直流負(fù)端接設(shè)備外殼，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，相當(dāng)于正負(fù)之間直接短路，短路電流可以使開關(guān)跳閘保護(hù)，但TN系統(tǒng)會(huì)給復(fù)雜裝備的電磁兼容設(shè)計(jì)帶來(lái)相應(yīng)的難題。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)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(chǎng)所建議采用圖1中的IT系統(tǒng)，可兼顧設(shè)備供電持續(xù)性和人身安全防護(hù)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(chǎng)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(guò)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(duì)獨(dú)立。在電網(wǎng)側(cè)，采用普通電力系統(tǒng)的安全保護(hù)方式，低壓直流側(cè)采用負(fù)端接地方式，確保設(shè)備和使用人員的安全性；中間母線供電采用對(duì)地絕緣的浮地系統(tǒng)。適用于系統(tǒng)規(guī)模相對(duì)較小、輸電距離限于一定區(qū)域的場(chǎng)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(fù)載外殼時(shí)，存在接觸電阻，即正端搭殼故障電阻Rm。當(dāng)Rm=0時(shí)，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(cè)試結(jié)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(duì)地絕緣阻抗，極端惡劣情況下，按0.01MΩ計(jì)算。Rb、Re和Z+的并聯(lián)等效電阻記為R，則通過(guò)人體的電流為：

根據(jù)以上公式，人體接觸帶電殼體時(shí)，通過(guò)人體的電流約為7.87mA，遠(yuǎn)低于人體可以承受的電流，對(duì)人體不構(gòu)成傷害?？梢?jiàn)，直流供電浮地系統(tǒng)是個(gè)相對(duì)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(yàn)圖

直流供電母線浮地系統(tǒng)的安全性驗(yàn)證

為研究和驗(yàn)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(fù)端）接地和不接地兩種情況下，分別考察正負(fù)端對(duì)地絕緣下降和正端發(fā)生接地故障，通過(guò)改變?nèi)梭w（模擬）電阻值，測(cè)量通過(guò)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(yàn)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(yàn)分為五項(xiàng)，依次改變正負(fù)端對(duì)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(xiàng)試驗(yàn)條件下通過(guò)人體的電流值。

圖6　直流供電母線浮地系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)M電路

母線正負(fù)端對(duì)地絕緣， 正端（搭接機(jī)殼）搭殼故障

此項(xiàng)試驗(yàn)，要求母線正、負(fù)端對(duì)地分別為理想絕緣和絕緣下降兩種情況。理想絕緣時(shí)，模擬供電系統(tǒng)絕緣最優(yōu)情形，正/負(fù)端對(duì)地絕緣阻抗為無(wú)窮大；絕緣下降時(shí)，模擬供電系統(tǒng)絕緣惡劣情形，正/負(fù)端對(duì)地絕緣阻抗為0.01MΩ。在正端搭殼，接觸電阻為0時(shí)，進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1　母線正負(fù)端對(duì)地絕緣，正端搭殼故障數(shù)據(jù)表

母線負(fù)端不接地，正、負(fù)端對(duì)地絕緣下降，正端（搭接機(jī)殼）搭殼故障

此項(xiàng)試驗(yàn)，要求母線正、負(fù)端對(duì)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(shí)，觀察人體安全性指標(biāo)（Ib，Rb=625Ω時(shí)），測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

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

母線負(fù)端不接地，正、負(fù)端對(duì)地絕緣下降，正端（搭接機(jī)殼）搭殼故障

此項(xiàng)試驗(yàn)，要求正、負(fù)端對(duì)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(shí)，觀察人體安全性指標(biāo)（Ib，Rb=1125Ω時(shí)），測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

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

母線負(fù)端接地，正、端對(duì)地絕緣下降，正端（搭接機(jī)殼）搭殼故障

此項(xiàng)試驗(yàn)，要求正端對(duì)地絕緣下降、負(fù)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(shí)，觀察人體安全性指標(biāo)（Ib，Rb=625Ω時(shí)），測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4。

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

母線負(fù)端接地，正端對(duì)地絕緣下降，正端（搭接機(jī)殼）接地故障

此項(xiàng)試驗(yàn)，要求母線正端對(duì)地絕緣下降、負(fù)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(shí)，觀察人體安全性指標(biāo)（Ib，Rb=1125Ω時(shí)），測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

表5　母線負(fù)端接地，正端對(duì)地絕緣下降，正端接地故障數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)模擬試驗(yàn)對(duì)直流供電母線浮地系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論試驗(yàn)。

供電系統(tǒng)應(yīng)做好設(shè)備的電氣絕緣、防直流接觸、安全載流量、電擊防護(hù)，要求操作人員按規(guī)范作業(yè)，設(shè)備及操作人員的都是安全的。在現(xiàn)場(chǎng)操作中，可能會(huì)發(fā)生一些偶然事件，增大設(shè)備的危險(xiǎn)性，使人員可能受到電擊，對(duì)于這種情況 ，在進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(fù)端對(duì)地絕緣良好時(shí)，人體意外接觸機(jī)殼，通過(guò)人體的電流最大不超過(guò)7mA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于安全規(guī)范所要求的150mA。此時(shí)在生理感覺(jué)上，通常無(wú)反應(yīng)，只有在開關(guān)接通或斷開時(shí)，可能會(huì)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(duì)地絕緣良好時(shí)，人體意外接觸機(jī)殼，通過(guò)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(shí)，通過(guò)人體的電流會(huì)超過(guò)150mA（此時(shí)Rb=625Ω），達(dá)到危險(xiǎn)指標(biāo)。此時(shí)，人體通常不會(huì)發(fā)生器質(zhì)性損傷，但是隨著電流和時(shí)間增加，可能發(fā)生心臟內(nèi)心電沖動(dòng)的形成和傳導(dǎo)有可以恢復(fù)的紊亂。當(dāng)電源正端完全搭接在外殼上（即接觸電阻為0時(shí)），通過(guò)人體的電流將大大超過(guò)300mA，會(huì)出現(xiàn)致命危險(xiǎn)。

因而，直流供電母線浮地系統(tǒng)，負(fù)載端外殼安全接地，此接地方式允許電源正端長(zhǎng)期碰殼，即使人體意外接觸負(fù)載外殼時(shí)，通過(guò)人體的電流遠(yuǎn)小于人體允許的安全電流。此接地方式相對(duì)于負(fù)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(hù)措施

通過(guò)以上分系統(tǒng)可知，在采用直流供電母線浮地系統(tǒng)時(shí)，保持正常的電源正負(fù)端對(duì)地絕緣電阻是系統(tǒng)安全運(yùn)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(cè)系統(tǒng)中母線的絕緣情況，便于及時(shí)排除絕緣下降或母線意外碰殼故障。同時(shí)增加直流漏電保護(hù)裝置，避免絕緣下降帶來(lái)的漏電危險(xiǎn)。

絕緣監(jiān)測(cè)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(cè)模塊CM-IWN-1。CM-IWN-1用于對(duì)地隔離系統(tǒng)母線安全性的檢測(cè)，通過(guò)互相獨(dú)立地測(cè)量正負(fù)母線對(duì)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(cè)器CM-IWN-1檢測(cè)端分別直接連接在兩根母線和大地上，對(duì)母線對(duì)地絕緣電阻值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并與參考值--絕緣響應(yīng)門限比較；CM-IWN-1可以設(shè)置多種絕緣響應(yīng)門限（10Ω～110KΩ），當(dāng)母線對(duì)地電阻小于設(shè)定的門限電阻值時(shí)，繼電器動(dòng)作，同時(shí)LED指示燈示紅。

圖8　絕緣檢測(cè)儀原理和配置

圖9　漏電保護(hù)原理圖

直流漏電保護(hù)

通過(guò)檢測(cè)直流輸出端共模電流來(lái)判斷是否有漏電流，當(dāng)500V直流線間存在漏電阻時(shí)，圖9所示電路可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漏電流大小，當(dāng)漏電流超過(guò)人體安全電流30mA時(shí)，指示燈亮報(bào)警，關(guān)斷直流側(cè)斷路器。

結(jié)束語(yǔ)

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(fù)母線浮地系統(tǒng)以及直流母線浮地系統(tǒng)的安全防護(hù)措施，并通過(guò)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的安全性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.10.024