低压直流双极供电系统的接地型式研究_李露露

Zd
接地故障wenku.baidu.com效电路
Equivalent circuit of grounding fault 表1 各接地形式等效电阻
Equivalent resister for each grounding type
TT 系统 RM+RE RE RM IT 系统 RH+RE RE RH TN 系统 ZPE +ZL ZPE ZL
基金项目：国家自然科学基金项目(51077138)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51077138).
地电阻取值范围及保护装置技术要求。 关键词：低压直流；双极供电系统；接地型式；电气安全
0 引言
图2 Fig. 2 Tab. 1
接地形式 Zd Zt Zx

RM
(c) TN 系统
图1 Fig. 1
直流双极系统的接地形式
电压平衡器
L
Grounding type of DC bipolar system
正常 负载
T1 L1 D1
C1 L2 C2
D2 M id
Us
Zx Zt
T2
L
Ut
电压平衡器 DC
L
Us/2 Zx
id Zt
Ut
图4
电压平衡器正常工作模式下的等效电路 Equivalent circuit when voltage balancer during normal operation
Fig. 4
此时，人体预期接触电压、接地电流可由如下 公式表述：
M L 保护设备 直流 设备 M
第 34 卷 第 13 期 2210 2014 年 5 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.34 No.13 May 5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 72
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.13.024
量与电感分量组成。 值得注意是， 直流电对人体的电击效应(发生电 击时人体的生理反应)与电流方向极其相关， 这与交
2212
中
国
电
机
工
程
学
报

第 34 卷

流系统有本质区别。如图 3，若通过人体的电流方 向为纵向向上(考虑人体竖直站立于地面)，对应的 安全电压限值为 90 V[20]； 若通过人体的电流方向为 纵向向下，危险性将为纵向向上的一半[21]，对应的 安全电压限值约为 180 V。因此，负极接地故障危 险性更大，在讨论系统各接地型式的电击防护性能 及保护设备要求时，应对正、负极碰壳接地的情况 分别讨论。
1 低压直流双极供电系统的接地故障模型
M
根据 IEC60364-1[19]对直流系统接地型式的定 义，与交流系统一样，也可分为 TT(T电源侧直接 接地；T用电设备外露导电部分直接接地)、IT、 TN 三种接地型式。如图 1 所示，对于直流双极系 统，系统电源侧接地点为电源中点(M 点)；RM 为系 统接地电阻；RE 为设备接地电阻；RH 为 IT 系统的 高阻抗接地电阻；L、L、PE 分别为正极、负极、 保护线。 低压供电系统接地形式的选择，主要考虑系统 的供电连续性与电击防护性能，尤以电击防护性能 为重点。系统电击防护性能主要由系统发生带电极 接地故障时，人体的“预期接触电压 Ut”能否满足 鉴于双极同时接地的概率 安全电压要求来衡量[16]。 很低，仅讨论单极接地的情况。为便于分析各接地 系统的故障参数，将直流 TT、IT、TN 系统的故障 电路统一用图 2 所示的等效模型表述，即在电压平 衡器的故障极串联等效故障阻抗 Zd 来表示(以负极 接地为例)。图中，Zt 为人体“预期接触电压 Ut” 的等效分压阻抗，Zx 为剩余阻抗。同时，针对不同 接地型式的故障电路特点，对各等效阻抗做了一定 的简化，具体含义见表 1。表中 ZL、ZPE 分别为 TN 系统的正极(负极)导线、保护线的阻抗，由电阻分
LI Lulu, YONG Jing, ZENG Liqiang, HE Leting
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University), Shapingba District, Chongqing 400030, China) ABSTRACT: For the civil low voltage DC distribution systems, selecting a suitable grounding type and improving electrical security is of significance. Using the DC bipolar distribution system based on DC micro-girds and voltage balancer as the research subject, this paper presented the grounding fault parameters and validated them with the aid of Matlab/Simulink software. On this basis, this paper discussed the power supply continuity, protection property against electric shock and protection requirement for each grounding type. It indicates that, compared with the traditional AC 220 V distribution system, the low voltage DC distribution system has a significant advantage in terms of electrical security. In addition, the power supply continuity and the electrical security of the DC TT system equipped with residual current device (RCD) can be improved as well, which is more suitable for this bipolar distribution system with voltage balancer than IT or TN system. Finally, the allowed range values of the grounding resistors and technical requirements are given to ensure the electrical security. KEY WORDS: low voltage DC; bipolar distribution systems; grounding type; electrical security 摘要： 针对民用低压直流供电系统的接地型式和电气安全问 题， 分析基于直流微网、 电压平衡器的直流双极供电系统的 接地故障参数，利用 Matlab/Simulink 软件构建 DC 190 V 系统进行验证。 在此基础上， 讨论各接地型式的供电连续性、 电击防护性能与保护设备要求。 与传统交流 220 V 供电系统 的对比表明： 低压直流供电系统在电气安全方面有较明显的 优势；直流 TT 系统在配备剩余电流保护器的情况下，其供 电连续性和电气安全性能可以得到很好兼顾，相较直流 IT 和直流 TN 系统而言， 更适合作为该类含有电压平衡器的直 流双极供电系统的接地型式。 并给出了保证其电气安全的接
L
Ut
保护设备 直流 设备 M
L
Us 2(1 Z t / Z x )
(2)
Id
2.2
Us 2Z d
(3)
电压平衡器保护断开模式 若故障电流超过电压平衡器的过流保护设定
图3 Fig. 3
正、负极电击时的电流通路 Current direction when positive
值，则电压平衡器不能正常工作，满足该情况的判 据为
[18]
保护 设备 M RM RE
L
直流 设备
(a) TT 系统
电压平衡器
L
M DC
L
保护 设备 RH M L RE 直流 设备
。论文针对这种形式的 LVDC 系统，研究其在
(b) IT 系统
电压平衡器 L M DC L PE 保护 设备 L 直流 设备
不同接地型式下的电气安全问题，并与交流系统进 行比较， 提出保证该类 LVDC 系统电气安全的措施 及对保护装置的技术要求。
近年来，直流微网以及利用直流微网的低压直 流(low voltage direct current，LVDC)供电方式引起 越来越多研究者的关注[1-3]， 随着电力电子技术的成 熟与绿色分布式能源(如太阳能电池、燃料电池等) 的发展，LVDC 系统进一步向民用建筑等常规领域 推广势在必行。目前，低压直流供电系统设计缺乏 统一的工程规范和标准[4]，尤其在电气安全方面。 虽然直流牵引、船舶直流配电、通信直流配电等系 统有一些可以借鉴的设计经验[5-7]， 但这些作业场所 均为专业场所，从电气安全的角度考虑，上述直流 系统并不适用于使用者为非专业人员的民用供电 场所。而传统交流系统的设计要求对直流系统也不 再适用，为此，IEC 正在组织工作组开展对直流系 统电气安全方面相关标准的制定[8]。LVDC 供电系 统在常规民用领域应用时的电气安全问题亟待进 行深入研究，提出解决方案。 据已有文献报道， 学者们对 LVDC 电气安全问 题中的过流保护、直流电弧灭弧问题等方面研究已 取得部分研究成果[9-12]，但对 LVDC 的接地型式却 鲜有深入研究报道。由系统接地型式决定的电击防 护性能是衡量一个系统电气安全的重要指标，文 献[13]讨论了日本用于通信数据中心的直流系统的 接地型式，并给出 IT(I电源侧不接地或经高阻抗 接地，T用电设备外露导电部分直接接地)系统为 最佳选择的建议，现有低压直流系统中也大多采用 无中线的 IT 系统[14-15]。研究表明，对于不存在对 地电容的直流系统而言， IT 系统的一次接地故障监
or negative electric shocks occur
文章编号：0258-8013 (2014) 13-2210-09
低压直流双极供电系统的接地型式研究
李露露，雍静，曾礼强，何乐婷
(输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市 沙坪坝区 400030)
Researches on Grounding Types of Low-voltage DC Bipolar Distribution Systems
第 13 期
李露露等：低压直流双极供电系统的接地型式研究
电压平衡器
L
2211
测十分困难，用户也无法用电笔测试出该系统直流 电的极性
[4,9,15]
。而我国传统交流系统中广泛使用
DC
M
L
的 TN 系统(T电源侧直接接地，N用电设备外露 导电部分经保护线与电源侧共地)， 其优点在于能将 接地故障转化为短路故障从而增大故障电流、利于 保护设备的动作[16]， 但由电力电子变换装置提供电 源的直流系统中，一般均含有大量对过电流敏感的 电力电子器件，该特性能否在直流系统中发挥同样 的优势需作进一步的探讨。 直流微网一般采用两根线传输电能，不存在 0 V 电压点，因此通常在直流微网接入末端系统的前 端设置电压平衡器[17]，构造电压为 0 V 的中线以实 现不同的接地型式(电源侧可接地)，并形成直流双 极供电方式。直流双极供电可降低母线对地电压等 级，用户可根据需要选择单级、双极供电，还能满 足电网 中不 同负载 变换 器对输 入电 压平衡 的要 求