半電壓接地檢測分析及應用

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行了簡要的分析。然后針對半電壓接地檢測分別在IT系統和TN系統中的應用進行了Simulink仿真分析，為半電壓檢測方法的應用范圍提供指導。

關鍵詞： IT;TN系統;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

目前三相電網大多采用IT供電系統（中性點不接地）以提高供電安全性，當電網的絕緣阻值符合規范要求時，即使發生單相接地故障，短路電流仍較小，短時間內無需跳閘，從而保證了供電的可靠性。隨著時代發展，電力網絡越來越密集，同時，變流產品應用環境比較惡劣，電氣設備受鹽霧、濕度影響從而導致系統絕緣

較低，若不及時處理，由此可能引發火災等事故，輕則損壞設備，重則對人員生命構成安全。由此可見，對電力系統的絕緣狀態持續在線監測具有重大意義【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，了解其優缺點，然后針對其應用范圍進行了初步的仿真分析。

1 接地檢測電路原理

1.1絕緣故障產生原因

在初始階段留下的電力系統安全隱患，在使用初期可能不宜發現，但隨著使用的時間增加，出現絕緣故障的可能性就越大：

1、使用的電纜質量不合要求;2、礦車上設備比較多，線路復雜，而且環境較惡劣，在一些潮濕、鹽堿、振動的環境中可能會造成電纜的老化而產生絕緣故障。3、運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個串聯電阻和2個電壓傳感器組成，電阻的連接處與變流器的公共地相連。當主電路出現單點接地故障時，電壓傳感器檢測到的電壓數值將發生變化，傳感器將信息傳遞給相應的判斷機構，采取封脈沖、跳開主電路輸入端電源來保護變流器設備。

電阻R1、R2阻值相等，VH2電壓Ug表達式為：

發生接地故障時，根據接地點出現的不同位置，則接地電壓為0或Udc。具體情況如下所示：

1、網側接地，當網側輸入端三相電源中任意一相接地時，接地電壓Ug電壓在0和Udc之間交替變換;

2、中間直流環節正母排接地，接地電壓Ug為0;

3、中間直流環節負母排接地，接地電壓Ug為Udc;

4、逆變輸出端接地，當逆變輸出端任意一相接地時，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行時，接地半電壓和直流母線中間電壓應是平穩的【2】，且接地半電壓Ug為中間直流電壓的一半。實際運行中，半橋電壓處于高頻波動狀態，這是由于IGBT開關器快速的關、斷產生較大的du/dt【3】，通過寄生電容對大地構成了共模干擾回路。

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為以直流母線中點為參考點的共模電壓;當輸入直流電壓為1000V時，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系統正常運行時，中性點對地電壓可看著為0V，當C相接地故障時，C相對地電壓【5】為：

則中性點對地電壓為：

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為中性點對地電壓。

設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。線電壓與正常時相同，設備可以正常短期運行。

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

在IT（中性點不接地）系統中，分別進行了網側單相接地、直流母排接地、逆變器輸出側單相接地仿真分析。

2.2s啟逆變，2.3s出現接地故障。

綜合上述仿真分析，在IT系統中當出現單相接地時，系統可以短時正常運行。當出現接地故障時，接地電壓出現明顯的變化，能夠及時、準確判斷接地故障。

為進一步驗證半電壓檢測方法的應用條件范圍，在TN（中性點接地）系統中，分別進行網側接地、直流母排接地、逆變輸出端接地仿真分析。

當出現輸入側接地時，半點壓值在0到Udc之間變動，理論上是可以檢測出接地故障，同時網側電流瞬間達到2000A，而半橋電壓檢測在實際應用中增加了濾波等延遲了判斷，因此實際應用中可能先報過流而未報接地故障。

當出現直流母排DC-接地時，半電壓值為Udc，直流電流和網側電流瞬間增大，而半橋電壓檢測在實際應用中增加了濾波等延遲了判斷，因此實際應用中可能先報過流而未報接地故障。且目前檢測策略為，網側電流瞬間增大至104A級時將中間電壓拉低，當設置的M值不合理時也可能不會報接地故障。

直流母排DC+接地與母排DC-接地情況一致。

根據仿真結果，半電壓檢測方法在IT系統和TN系統中，理論上均可以檢測電路接地故障。但是在實際檢測環節，對接地檢測電壓進行濾波處理，延遲了判斷的時間，因此在TN系統中，半橋電壓檢測可能并不適用，在應用中可能先報過流分主斷，而未報接地故障。

3.結語

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

參考文獻：

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[2] 倪大成，應婷，張宇.機車牽引主電路接地檢測回路共模電壓研究[J].機車電傳動，2016（10）：63-67.

[3] 楊德勇，支永健等.PWM逆變驅動系統傳導干擾分析及抑制[J].大功率變流，2007（3）：1-6.

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[5] IT系統接地故障防護 [J].建筑電氣， 2015（4）：30-33

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