城市微電網(wǎng)接地系統(tǒng)選擇與設計

袁東明

【摘 要】無論是在偏遠的邊疆無人地區(qū)還是離岸的海島、抑或是在人群密集的都市樓宇、社區(qū)、工廠，人們越來越多的看到分布式能源應用的場景。例如，分布式光伏、風力發(fā)電搭配柴油發(fā)電機組成的微電網(wǎng)，保障遙遠小島上漁民的全部用能需求；又如，天然氣冷熱電三聯(lián)供（CCHP）、分布式可再生能源技術被集成到城市社區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，為居民和企業(yè)提供本地生產(chǎn)經(jīng)濟高效的電力、熱水以及制冷服務。而這一切很大程度上需要歸功于微電網(wǎng)技術，它使人們選擇的用能服務不再局限于市政電網(wǎng)集中供能的模式。

【關鍵詞】城市；微電網(wǎng)；接地系統(tǒng)；選擇；設計

引言

“微電網(wǎng)”，是相對傳統(tǒng)“大電網(wǎng)”而言的一個概念，是指采用先進的控制技術以及電力電子裝置，把分布式能源和它所供能的負荷以及儲能等設備連接形成一個微型的完整電網(wǎng)。按照是否與大電網(wǎng)聯(lián)接，微電網(wǎng)可以分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類。離網(wǎng)型微電網(wǎng)的應用場景包括解決海島和偏遠地區(qū)的用電問題，并網(wǎng)型則為用戶的供能安全添加了一份保障，聯(lián)網(wǎng)運行也可以改善系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

1城市微電網(wǎng)概述

微電網(wǎng)是由美國CERTS提出，以應對大量分布式電源并網(wǎng)對電網(wǎng)及用戶造成沖擊影響，美國、日本及歐洲對于微電網(wǎng)的研究日趨成熟，中國近幾年對微電網(wǎng)的研究越來越多，主要集中在微電網(wǎng)控制、保護、并網(wǎng)以及可靠性評估，然而對微電網(wǎng)接地的研究相對較少。城市微電網(wǎng)不同接地方式影響到故障回路阻抗，故障時各接地系統(tǒng)故障電流不同，進而影響到微電網(wǎng)電流保護的靈敏性。

2城市微電網(wǎng)常見保護裝置

2.1過流保護裝置在微電網(wǎng)中的應用

微電網(wǎng)運行中需滿足用戶供電質(zhì)量及保障人身安全兩大重要指標，在任何情況下出現(xiàn)故障時，微電網(wǎng)保護均要快速、可靠和有選擇的動作。城市微電網(wǎng)通常配置過流保護裝置，常見裝置包括熔斷器及低壓斷路器。過流保護根據(jù)動作時間劃分為定時限過流保護和反時限過流保護，前者保護動作時間是預先整定的，不隨短路電流的大小變化而變化；后者保護動作時間隨故障電流的變化而變化，故障電流越大，動作時間越短。要實現(xiàn)過流保護裝置的快速可靠動作，需滿足短路故障電流足夠大，否則保護靈敏度太低無法快速切除故障。

2.2剩余電流動作保護裝置在微電網(wǎng)中應用

剩余電流動作保護裝置（簡稱RCD）作為一種低壓安全保護電器具有高靈敏性及高可靠性的特點，并且可用于單相配電線路等。文中以剩余電流動作保護和零序電流保護的原理比較分析剩余電流動作保護的優(yōu)點。RCD及零序電流保護原

理圖見圖2。圖2中TA1為零序電流保護電流互感器，此時保護測量值為零序電流I0（I0=IA+IB+IC），保護整定時需躲過系統(tǒng)最大不平衡電流。剩余電流動作保護器（RCD）的電流互感器（圖2中TA2）穿過三相導線及N線，保護測量值為IA+IB+IC+IN，保護的整定僅需躲過較小的正常泄漏電流。顯然，RCD保護的整定值小于零序電流保護的整定值，在實際運行中具有較高的靈敏性。除三相供電系統(tǒng)外，RCD同樣可用于單相供電系統(tǒng)中，零序電流保護由其結構特點顯然無法用于單相供電系統(tǒng)。單相供電系統(tǒng)中，RCD保護互感器穿過火線和零線，保護測量流過火線的電流Ir及流過零線的電流In矢量和即Ir+In，正常運行時該矢量和為0（流出和流回相抵消），故障時為故障電流，RCD可以快速可靠動作。

3總等電位聯(lián)接在接地系統(tǒng)中的應用

3.1總等電位聯(lián)接概述

總等電位聯(lián)接是指將總保護導體、總接地導體或總接地端子、建筑物內(nèi)的金屬管道和可利用的建筑物金屬結構等可導電部分連接到一起，使電位均衡，降低接觸電壓，并消除電源線路引入建筑物的危險電壓。結合圖3所示總等電位聯(lián)接示意圖進行理論分析。圖3為TT接地系統(tǒng)下的總等電位聯(lián)接下的結構示意圖，電氣設備發(fā)生絕緣碰殼故障時，短路電流Ig流入大地。當人體接觸到電氣設備外殼時，在非等電位聯(lián)接下其接觸電壓為Ut2=IgZPE+IgRE。（1）而采用總等電位聯(lián)接時接觸電壓則變?yōu)閁t1=IgZPE。（2）式（1）、（2）中：ZPE為PE線阻抗，其值非常小；RE為接地電阻，取4Ω。GB14050—2008《系統(tǒng)接地的型式及安全技術要求》規(guī)定超過交流50V的接觸電壓不能持續(xù)存在（不超過5s），以免對人體造成傷害，并且規(guī)定系統(tǒng)中應盡量采用總等電位聯(lián)接。后續(xù)部分會對各接地系統(tǒng)進行仿真驗證是否滿足標準要求。

3.2不同接地方式安全性分析

GB50065—2011中規(guī)定：建筑物內(nèi)低壓電氣采用TN接地系統(tǒng)（不采用總等電位聯(lián)接）、TT及IT接地系統(tǒng)時，低壓系統(tǒng)電源中性點不可與變壓器保護接地公用接地裝置。當前建筑物為降低建設成本，只設置公用接地裝置，并且建筑物中采用總等電位聯(lián)接。出于成本考慮，TN接地系統(tǒng)適于建筑物中，而TT及IT接地系統(tǒng)不適于建筑物中。由于IT接地系統(tǒng)發(fā)生絕緣碰殼故障時，并網(wǎng)及孤島運行下故障接觸電壓均小于50V安全電壓，可以不切斷電源，但需要安裝絕緣監(jiān)視裝置，IT接地系統(tǒng)僅適用于連續(xù)不停電的礦井、醫(yī)院等場所。TT接地系統(tǒng)在發(fā)生絕緣碰殼故障時，故障接觸電壓雖超過標準要求的50V安全電壓，但通過對系統(tǒng)加裝RCD保護裝置，可以保證系統(tǒng)發(fā)生絕緣碰殼故障時保護迅速動作切除故障，使其滿足GB14050—2008中切斷時間不超過5s的要求。戶外不具備總等電位聯(lián)接條件下的電氣設備可以采用TT接地系統(tǒng)加RCD保護裝置，保證人身安全。

3.3城市微電網(wǎng)混合接地系統(tǒng)

城市微電網(wǎng)混合接地系統(tǒng)TN-C接地系統(tǒng)僅有PEN線，受外來故障影響較大且可靠性差。IT接地系統(tǒng)在第1次故障時采取不切斷電源的策略，僅適用于特殊不停電場合。通過仿真分析知，建筑物電氣裝置采用TN-C-S及TN-S接地系統(tǒng)，而不具備鋪設總等電位聯(lián)接條件下的戶外電氣裝置采用TT接地系統(tǒng)并配合使用RCD保護裝置。案例中的城市微電網(wǎng)在具體施工時，負荷及儲能裝置可以位于總等電位聯(lián)接下的建筑物中，微源位于不具有總等電位聯(lián)接下的戶外場所，在不同場合下配置不同接地系統(tǒng)，以發(fā)揮各接地系統(tǒng)獨有優(yōu)勢，獲得城市微電網(wǎng)混合接地系統(tǒng)。

3.4微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的運用展望

面獨當前飛速發(fā)展電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)在滿足國家、社會及人民的用電需求的同時，也擔負著較大的壓力，不管是城市還是偏遠地區(qū)，一旦發(fā)生停電問題，波及的范圍較大，給居民生活造成極大的影響。為了迎合時代的發(fā)展趨勢，積極利用現(xiàn)代化儲能技術，對微電網(wǎng)提供有力支持，通過將其合理的加入至微電網(wǎng)中，能夠有效處理分布式電源及負荷波動產(chǎn)生的輸出電能間歇性問題，對相應的運行狀態(tài)提供可靠穩(wěn)定的支持。當前儲能成為了微電網(wǎng)中不可或缺的組成部分，憑借著優(yōu)良的特性，成功解決了用電過程中出現(xiàn)的各種難題，為其更好的運行和實現(xiàn)有效控制研究創(chuàng)造了條件，在適當?shù)慕Ｅc仿真中，證實了儲能系統(tǒng)對微電網(wǎng)的積極影響。縱觀其發(fā)展的歷程和應用價值，相信儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中還會越走越遠，并且會逐步拓寬應用領域，更好的解決現(xiàn)實生活中的難題。

結語

文中通過搭建微電網(wǎng)不同接地系統(tǒng)的PSCAD仿真模型，仿真比較了各接地系統(tǒng)故障電流水平，并對各接地系統(tǒng)安全性進行分析，最終獲得適合微電網(wǎng)的混合接地系統(tǒng)，得到以下結論。（1）微電網(wǎng)故障時各接地方式提供的故障回路阻抗不同，使得故障電流表現(xiàn)各異。TN接地系統(tǒng)故障電流較大，過流保護靈敏度較高，而TT及IT接地系統(tǒng)故障電流相對較小，TT接地系統(tǒng)可配置RCD保護，IT接地系統(tǒng)采用絕緣監(jiān)視裝置保證安全性。（2）微電網(wǎng)TN接地系統(tǒng)在總等電位聯(lián)接下明顯可以降低接觸電壓，適用于具有總等電位聯(lián)接下的建筑物中；非等電位聯(lián)接下的電氣設備可采用TT接地系統(tǒng)并配置RCD保護裝置。

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（作者單位：天津天大求實電力新技術股份有限公司）