资讯

历史

科技

环境与自然

成长

游戏

财经

文学与艺术

美食

健康

家居

文化

情感

汽车

三农

军事

旅行

运动

教育

生活

星座命理

低压直流系统的特征及接地故障保护分析

创作时间:

作者:

@小白创作中心

低压直流系统的特征及接地故障保护分析

引用

来源

https://m.xianjichina.com/news/details_239242.html

随着通信、数据交换及新能源产业的快速发展，低压直流配电系统也得以较快的发展。这些直流配电系统的安全设计及相关产品的选用，日益引起工程设计人员的重视。本文将从直流配电系统接地设置、与其他系统的隔离和相应的接地故障保护等方面，对低压直流配电系统的接地故障保护做一简要分析。

一、低压直流系统特征

1、低压直流系统电压

根据国际IEC LVDC工作组2017年的技术报告《低压直流21世纪的电力》对目前全国低压直流系统应用的分析，目前世界范围内低压直流系统的电压有70%应用在大于48V，其中有55%以上的直流应用电压DC60-900V范围内。在用户端低压系统的配电网络，常用的网络电压是DC110V-DC400V，因此我们更应关注这一范围的保护设计安全。

图1 额定电压分布与电压带分析

2、常用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等不同的接地形式，同时直流系统中是否存在通过变流器与交流系统的联系，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，图2显示了IEC LVDC工作组对收到的成员国对直流配电应用接地系统的情况分析。

图2 低压直流装置中接地系统的选用

IEC/TC64技术委员会在其IEC/TS61200-102《电气安装指南第102部分不接入公共配电网的低压直流安装指南》文件中指出了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，图2所示了IEC60364-1标准展示的直流配电系统常用的TN，IT接地形式的系统简图。

a两线制TN系统
b两线制IT系统
图3 两线制直流配电常用的低压接地系统

3、直流电压与接地故障保护

根据IEC LVDC工作组的工作报告和IEC/TC64技术委员会的文件，直流电源的特低电压（ELV）最高为DC 120V,但在收集相关应用场景分析后，IEC/TC64技术委员会发布的IEC/TS61200-101《电气安装指南第101部分拟不连接公共配电网的特低压直流电气安装使用指南》中推荐的常用最高特低电压为DC60V。满足特低电压值的直流特低电压（SELV和PELV）的电源应能满足系列基本要求之一：

内部采用安全隔离变压器
内部结构保证故障时输出电压仍满足特低电压值

对于满足上述要求可以不做接地故障保护，其他直流电源系统均应根据系统的接地系统形式和与其他电源的连接状况，选用相关的接地故障监控和保护设备：

绝缘监测设备IMD
直流剩余电流保护器（DCRCD）

二、直流电源架构与接地系统的设置

1、直流电源架构的基本分类

直流电源架构与其他电源的联系的条件有关，基本可以分为三类：

1）直流电源与其他电源无联系；
2）直流电源通过电气隔离的变流器与其他电源联系；
3）直流电源通过无电气隔离的变流器与其他电源联系

对于前两类直流电源架构，直流电源自身与其他电源无电气上的直接联系。而第三类电源结构，电源自身与其他电源在电气上是有联系的，各电源的接地故障均会影响相关电源，图4所示了简单交流电源整流后直流电源配电系统，在这样的系统中，如果直流侧出现接地故障时，即使直流系统没有接地措施，直流电压仍可以通过交流电源的接地系统产生故障回路，形成接地故障电流。

图4 交流电源整流后直流电源配电系统接地故障分析

2、不同直流电源接地系统的设置

根据2.1对直流电源架构的分析，与其他电源无电气联系的直流电源，系统自身的接地设置均不受其他电源接地系统的影响，可以根据需求选用自身的接地系统和保护装置。而对于与其他电源有电气联系或中间能量传递装置不满足电气隔离的直流电源，其自身的接地系统选择和保护装置设置均要考虑其他电源的接地系统和保护设置的影响。

3、直流保护特低电压系统（PELV）的接地设置

保护特低电压系统（PELV）是正常条件下接地，且电压不超过特低电压的电源系统,根据IEC61140《电击防护装置和设备的通用部分要求》的要求，应防护由于其他电气回路发生接地故障对其电源的影响，因此直流PELV电源系统应与其他电气回路间进行保护分割，同时系统的接地装置也应与设备可导电部分进行可靠的等电位连接。

三、直流电源与其他电源间隔离分析

目前的各类直流电源网络，由于电源来源不同或是电压不同，是由若干电源系统组成或是与其他电源系统联系。因此这些电源间的隔离直接关系到直流电源的接地系统设计和电气安全。从图5的IEC/TC64技术委员会关于直流电气装置示意的展示可以看出，未来的用户端低压直流配电中需要与不同的电源系统连接，因此这些系统间的电源隔离直接关系到用户端低压直流配电的接地系统设计和保护装置的设置。

图5 低压直流电气装置示意

直流电源与其他电源间的转换常用的转换方式是采用AC/DC或DC/DC，在这些转换中，各类不同工作频率的交流变压器是基本的电压转换元件。图6展示低压直流配电常用的供电系统。该系统中虽然直流部分采用了电源的不接地的IT接地系统，但如果电源转换模块中的变压器二次侧发生对铁芯或外壳的绝缘故障，直流配电的电源侧将立即转为接地的TT系统，根据IEC/TC64的相关安全标准要求，TT系统必须采用分断故障电路的保护形式。

图6 交流转换的直流配电系统示意图

根据上述分析，如果要求各类电源系统间电气隔离，电源转换装置中是否具有满足隔离要求的变压器将是关键要素。因此如果要求直流配电满足IT接地系统的基本要求，或满足直流特低电压的使用要求，电源转换装置中的变压器也必须选用符合IEC 61558《电力变压器、电源装置和类似产品的安全》系列标准中相关的隔离变压器或安全隔离变压器的特殊隔离要求。除此以外的直流配电均不能按电气隔离的要全求进行接地故障保护设计。

四、直流电源的接地故障保护

直流电源的接地故障防护设计应符合IEC60364-4-41《建筑物电气装置第4-41部分安全防护电击防护》的基本要求。

1、绝缘检测

根据IEC60364-4-41《建筑物电气装置第4-41部分安全防护电击防护》的基本要求。对于系统不接地的直流电源应采用绝缘监测设备（IMD）监测设备并不需要自动分断故障电路。绝缘监测设备（IMD）产品标准应符合IEC61557-8的标准要求，且设备内对于工作地（FE）的内部直流阻抗满足≥30Ω/V额定系统电压和至少≥1.8kΩ的基本时间，其报警响应时间应小于10秒。

与交流IT接地系统一样，直流电源不接地系统使用的绝缘监测装置仅作为一次故障的报警，对于系统没有及时排除故障而产生的二次故障的后备保护，则需要直流断路器（DCMCB）和直流剩余电流保护装置（DCRCD）自动分断电路。

2、接地故障的自动分断

对于电源接地的直流配电系统，应采用直流剩余电流保护器（DCRCD）产品用于直流配电的接地故障保护。剩余电流保护应符合IEC/TS63053《用于直流系统剩余电流保护装置总则》基本要求,其中用于人身电击补充防护的直流剩余电流保护器DCRCD的额定剩余动作电流应不大85mA。

对于如前分析电源虽然采用不接地系统，但电源转换间不能满足隔离要求的直流电源，也应采用直流剩余电流保护器（DCRCD）产品作为后备保护，以保证系统安全。

3、直流配电相关的交流配电系统的防护

在没有完全实现系统隔离的直流配电系统中，接地故障会使一些直流分量或平滑的直流故障电流也有可能转移到相关的配电系统中，常见的是AC/DC转换系统间中对交流配电的影响，因此对于与直流配电相关的交流配电系统的接地故障防护尤为重要，满足IEC60755标准的普通的AC或A型交流剩余电流保护产品有可能不能可靠进行保护，甚至影响交流系统的接地故障保护，因此在交流系统中应考虑使用符合IEC62423标准的B型交流剩余电流保护装置。