半電壓接地檢測分析及應(yīng)用

龔毅 黃啟釗 邱文俊

摘 要：首先介紹了半電壓接地檢測的基本原理，及主電路共模干擾對半電壓檢測的影響進(jìn)行了簡要的分析。然后針對半電壓接地檢測分別在IT系統(tǒng)和TN系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了Simulink仿真分析，為半電壓檢測方法的應(yīng)用范圍提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： IT;TN系統(tǒng);接地檢測回路

Abstract：First ，the basic principle of half voltage grounding detection is presented ，? and the effect on voltage of grounding detection loop caused by common mode interference in main circuits was analyzed..Then that using Simulink software analy half voltage grounding detection in IT system and TN system to provide guidance to the application scope of half voltage grounding detection .

Keywords：IT;TN system;grounding detection circuit

目前三相電網(wǎng)大多采用IT供電系統(tǒng)（中性點(diǎn)不接地）以提高供電安全性，當(dāng)電網(wǎng)的絕緣阻值符合規(guī)范要求時(shí)，即使發(fā)生單相接地故障，短路電流仍較小，短時(shí)間內(nèi)無需跳閘，從而保證了供電的可靠性。隨著時(shí)代發(fā)展，電力網(wǎng)絡(luò)越來越密集，同時(shí)，變流產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，電氣設(shè)備受鹽霧、濕度影響從而導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣

較低，若不及時(shí)處理，由此可能引發(fā)火災(zāi)等事故，輕則損壞設(shè)備，重則對人員生命構(gòu)成安全。由此可見，對電力系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)持續(xù)在線監(jiān)測具有重大意義【1】。

本文主要以目前礦用變流器上使用的半電壓檢測方法為對象，闡述了目前測量方法的原理，了解其優(yōu)缺點(diǎn)，然后針對其應(yīng)用范圍進(jìn)行了初步的仿真分析。

1 接地檢測電路原理

1.1絕緣故障產(chǎn)生原因

在初始階段留下的電力系統(tǒng)安全隱患，在使用初期可能不宜發(fā)現(xiàn)，但隨著使用的時(shí)間增加，出現(xiàn)絕緣故障的可能性就越大：

1、使用的電纜質(zhì)量不合要求;2、礦車上設(shè)備比較多，線路復(fù)雜，而且環(huán)境較惡劣，在一些潮濕、鹽堿、振動的環(huán)境中可能會造成電纜的老化而產(chǎn)生絕緣故障。3、運(yùn)輸和安裝過程中對電纜造成的擠壓、磨損，造成絕緣下降。

1.2檢測電路構(gòu)成及原理

目前某礦用變流器主電路接地檢測裝置如圖1所示，由連接在直流母排上的2個(gè)串聯(lián)電阻和2個(gè)電壓傳感器組成，電阻的連接處與變流器的公共地相連。當(dāng)主電路出現(xiàn)單點(diǎn)接地故障時(shí)，電壓傳感器檢測到的電壓數(shù)值將發(fā)生變化，傳感器將信息傳遞給相應(yīng)的判斷機(jī)構(gòu)，采取封脈沖、跳開主電路輸入端電源來保護(hù)變流器設(shè)備。

電阻R1、R2阻值相等，VH2電壓Ug表達(dá)式為：

發(fā)生接地故障時(shí)，根據(jù)接地點(diǎn)出現(xiàn)的不同位置，則接地電壓為0或Udc。具體情況如下所示：

1、網(wǎng)側(cè)接地，當(dāng)網(wǎng)側(cè)輸入端三相電源中任意一相接地時(shí)，接地電壓Ug電壓在0和Udc之間交替變換;

2、中間直流環(huán)節(jié)正母排接地，接地電壓Ug為0;

3、中間直流環(huán)節(jié)負(fù)母排接地，接地電壓Ug為Udc;

4、逆變輸出端接地，當(dāng)逆變輸出端任意一相接地時(shí)，接地電壓Ug電壓在0和Udc之間交替變換;

1.3接地干擾簡要分析

理論上在變流器正常運(yùn)行時(shí)，接地半電壓和直流母線中間電壓應(yīng)是平穩(wěn)的【2】，且接地半電壓Ug為中間直流電壓的一半。實(shí)際運(yùn)行中，半橋電壓處于高頻波動狀態(tài)，這是由于IGBT開關(guān)器快速的關(guān)、斷產(chǎn)生較大的du/dt【3】，通過寄生電容對大地構(gòu)成了共模干擾回路。

兩電平逆變器共模電壓【4】為： ，其中Va、Vb、Vc為逆變器輸出相電壓，Vcm為以直流母線中點(diǎn)為參考點(diǎn)的共模電壓;當(dāng)輸入直流電壓為1000V時(shí)，其輸出線電壓及共模電壓波形如下圖2所示：

2. 半電壓接地檢測仿真分析

IT系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)對地電壓可看著為0V，當(dāng)C相接地故障時(shí)，C相對地電壓【5】為：

則中性點(diǎn)對地電壓為：

A、B兩相對地電壓分別為：

其中Uag、Ubg、Ucg為各相對地電壓，Ua、Ub、Uc為相電壓，Un為中性點(diǎn)對地電壓。

設(shè)Ca=Cb=Cc=C ，則各相對地電容電流為

可知故障電流為非故障相對地電容電流的3倍。線電壓與正常時(shí)相同，設(shè)備可以正常短期運(yùn)行。

基于以上分析，為了在理論上驗(yàn)證半電壓檢測方法在IT（中性點(diǎn)不接地）系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，本文基于Matlab軟件進(jìn)行Simulink仿真分析。其中直流電壓為1000V，接地檢測電阻為10kΩ，逆變器開關(guān)頻率為500Hz。

在IT（中性點(diǎn)不接地）系統(tǒng)中，分別進(jìn)行了網(wǎng)側(cè)單相接地、直流母排接地、逆變器輸出側(cè)單相接地仿真分析。

2.2s啟逆變，2.3s出現(xiàn)接地故障。

綜合上述仿真分析，在IT系統(tǒng)中當(dāng)出現(xiàn)單相接地時(shí)，系統(tǒng)可以短時(shí)正常運(yùn)行。當(dāng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，接地電壓出現(xiàn)明顯的變化，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確判斷接地故障。

為進(jìn)一步驗(yàn)證半電壓檢測方法的應(yīng)用條件范圍，在TN（中性點(diǎn)接地）系統(tǒng)中，分別進(jìn)行網(wǎng)側(cè)接地、直流母排接地、逆變輸出端接地仿真分析。

當(dāng)出現(xiàn)輸入側(cè)接地時(shí)，半點(diǎn)壓值在0到Udc之間變動，理論上是可以檢測出接地故障，同時(shí)網(wǎng)側(cè)電流瞬間達(dá)到2000A，而半橋電壓檢測在實(shí)際應(yīng)用中增加了濾波等延遲了判斷，因此實(shí)際應(yīng)用中可能先報(bào)過流而未報(bào)接地故障。

當(dāng)出現(xiàn)直流母排DC-接地時(shí)，半電壓值為Udc，直流電流和網(wǎng)側(cè)電流瞬間增大，而半橋電壓檢測在實(shí)際應(yīng)用中增加了濾波等延遲了判斷，因此實(shí)際應(yīng)用中可能先報(bào)過流而未報(bào)接地故障。且目前檢測策略為，網(wǎng)側(cè)電流瞬間增大至104A級時(shí)將中間電壓拉低，當(dāng)設(shè)置的M值不合理時(shí)也可能不會報(bào)接地故障。

直流母排DC+接地與母排DC-接地情況一致。

根據(jù)仿真結(jié)果，半電壓檢測方法在IT系統(tǒng)和TN系統(tǒng)中，理論上均可以檢測電路接地故障。但是在實(shí)際檢測環(huán)節(jié)，對接地檢測電壓進(jìn)行濾波處理，延遲了判斷的時(shí)間，因此在TN系統(tǒng)中，半橋電壓檢測可能并不適用，在應(yīng)用中可能先報(bào)過流分主斷，而未報(bào)接地故障。

3.結(jié)語

本文對半電壓檢測原理進(jìn)行了研究，并對其干擾進(jìn)行了簡要的分析，最后對半電壓測量方法分別在IT系統(tǒng)和TN系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真分析。通過仿真為半電壓檢測方法的應(yīng)用范圍提科學(xué)指導(dǎo)。

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