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直流系统如何接地?“实地”还是“浮地”?
日期:2018/7/25 访问:

2018年5月9日中美中心直流配电施工图审查会上各位专家针对这个问题各抒己见,进行了激烈的讨论。一方认为浮地能够更好的发挥直流系统的安全特性,在高性能隔离、绝缘技术和监测技术的配合下能够实现用电安全性的本质提升;另一方认为实地系统应用广泛,故障检测、保护技术简单成熟,至少能够保证同交流系统相同的安全程度。并且,接地还有防雷、防静电和电磁干扰等多方面的作用,不能简单的将直流母线悬浮。

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接地是配电中最基本的问题,同时也是最难说清楚的问题。2017年IEC开展了一次直流系统最佳的接地方式问卷调查,调查结果也显示了出了该问题的复杂性和不同认知角度的差异性: IT、TN和TT三种接地方式都有专家认为适合,几乎平分秋色,没有倾向性的结论。至于选择哪种接地方式,更多的需要通过应用场景特点分析确定。

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直流系统最佳接地方式问卷调研结果

(来源:IEC技术报告:LVDC: electricity for the 21century,2017)

科普:TN、IT和TT是三类接地方式的简称,第一个字母代表电源侧,第二字母代表用电设备侧;“T”表示直接接地;“I”表示不接地或通过高阻接地,“N”表示电源侧和设备侧共用保护线接地。IT系统电源侧不做接地,也就是所谓“浮地”系统;TN和TT电源侧接地,也就是所谓“实地”系统,其中TN系统采用等电位的连接方式,在建筑中应用最为广泛。

当直流系统在建筑中应用具有哪些场景特点?从使用侧看,最大的特点就是故障一定会发生,但什么时间发生却不一定。其一,建筑直流配电面向非专业人群,用电安全意识和专业知识薄弱,加之设备、线路的施工安装、维护保养和运行环境存在较大差异和不确定性,与专用直流系统相比,风险隐患更大,需要更强的自主安全性能;其二,建筑直流用电电器数量大、类型多样,质量参差不齐,发生故障的可能性和风险较专用系统大,大概率的在使用过程中会发生接地和短路等故障。

从电源侧看,特点是故障情况会相对复杂,影响因素多。其一,建筑应用直流的驱动力之一就是分布式能源的在建筑上大规模接入,包括光伏系统和蓄电储能系统。有研究表明这些分布式电源在发生系统故障时,会脱离换流器控制,持续向故障点供电,增加了故障复杂性和严重性。其二,在可预见的未来,建筑中仍将是交流和直流并存的状态,直流电源仍需要通过交流整流获得,不可避免的需要考虑交、直流侧之间接地方式的配合。

基于以上两个特点,当采用“实地”系统,实际上是将人员的活动环境放到了电流的环路中,当故障发生时,故障电流通过人体和接地点形成回路,对人体构成电击。一般情况下认为在人体干燥的情况下,直流120V以下不会对人员造成致命伤害;在DC120V以上,伤害程度与故障电流大小、电流流向和持续时间相关。有研究表明,在目前作为优选的DC375V的电压等级下,当电流从上向下流动,电流强度在296mA以下,持续时间在250ms以内,依然不会对人体造成致命伤害。同时,采用TN和TT等“实地”的接地方式,人员的触电电压与设备侧的接地电阻成反比,即设备侧的接地做的越好,人员的触电电压越小,致命风险也越小。并且“实地”系统以“大地”作为基点,所有漏电电流都通过接地点流入大地,对于多个分布式电源接入复杂情况,不论是环网还是树干网形式都易于监测,因此基于交流系统保护经验,“实地”系统在理论上能够有效的保障建筑用电安全性。但缺点也同目前交流系统类似,系统的安全性依赖良好的接地和“合理”的漏电保护系统配置,从某种程度上讲是依赖施工和管理人员的责任心,没有充分的发挥直流系统本质安全性的优势。

而采用IT“悬浮”接地系统,能够从本质上将人员的活动环境从电流的环路中剥离出来,即使人员无保护接触单极也不会形成电流回路,特别是采用120V以下的电压等级,即使双极同时接触也不会产生致命危险。但问题也同样尖锐,一旦当“悬浮”的母线出现绝缘破损或下降情况,出现接地故障,实际上就是由悬浮的“IT”系统被动的转变成“TT”系统。当正负两极中的一极出现接地故障时,另外一极的电压会成倍上升,极大的考验系统的绝缘性能和负载电器瞬时过压耐受能力;当中性线出现接地故障时,虽然两极电压和电流都不会出现变化,系统可以带故障正常运行,但也这是表面“平静”为故障的发现和定位带来了困难,隐藏了更大的隐患。一旦出现第二个故障点,就会在两个故障点之间导通形成电流环路,并且其中一点会形成从下至上的电流,对人员安全构成更大的威胁。因此,当采用“悬浮”系统时,绝缘监测就成为安全保护的重点。目前直流系统的绝缘监测主要采用平衡电桥法通过监测母线对地电压、电阻变化来确定系统绝缘性能,在专用直流系统中已经得到广泛的应用,但建筑直流系统中应用依然具有挑战,例如如何在蓄电池、光伏等分布式电源和寄生电容存在的复杂条件下提高监测精确度和准确的故障定位能力?如何在几十年建筑寿命全过程中持续保证故障信号通讯的稳定可靠?

 直流系统应该“浮地”还是“实地”问题的讨论可能一直会伴随着直流建筑的发展。随着对建筑应用场景认识的不断深入、随着传感器和监测技术的发展,随着示范项目数据和经验的不断积累,相信我们会找到发挥直流安全优势的最佳路径!希望听到您的见解和观点,欢迎留言讨论!


本文作者:

珠海格力电器股份有限公司 院长 赵志刚

深圳市建筑科学研究院股份有限公司  研创中心助理总监 李雨桐