配出中性導(dǎo)體的低壓IT系統(tǒng)綜述

楊濤 王金全 王巍 宋鵬超

（解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

0 引言

我國的低壓電氣設(shè)計(jì)在很長一段時(shí)間曾大量采用 TN-C 系統(tǒng)。隨著國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission, IEC）標(biāo)準(zhǔn)的不斷推廣，TN-S、TN-C-S和TT系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中得到了更多的應(yīng)用，電氣的安全性有了顯著提升。但具有高可靠性的IT系統(tǒng)在我國的應(yīng)用仍然十分有限，僅在醫(yī)院、礦井、發(fā)電廠廠用供電等場所有所應(yīng)用[1,2]。目前對(duì)于 IT系統(tǒng)的研究還不夠深入，且多數(shù)針對(duì)的是不配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)，涉及配出中性導(dǎo)體的 IT系統(tǒng)的很少。IT系統(tǒng)具有許多其他系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，對(duì)其進(jìn)行研究、推廣使用有重要意義。

1 IT系統(tǒng)的定義

目前低壓供配電系統(tǒng)的按照系統(tǒng)接地型式可分為TN、TT、IT種，其代號(hào)字母的含義為：第一個(gè)字母說明電源與地的關(guān)系，T表示電源的一點(diǎn)（一般為中性點(diǎn)）與大地直接連接、I表示電源與大地隔離或電源的一點(diǎn)經(jīng)高阻抗與大地連接；第二個(gè)字母說明了電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與地的關(guān)系，T表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地，且此接地點(diǎn)在電氣上獨(dú)立于電源端的接地點(diǎn)、N表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與電源端接地點(diǎn)有直接的電氣連接。所謂IT系統(tǒng)，就是指電源端中性點(diǎn)不接地或者經(jīng)高阻抗接地，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過與電源接地點(diǎn)的相獨(dú)立的接地點(diǎn)接地的系統(tǒng)。

2 IT系統(tǒng)的特性

2.1 IT系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 供電連續(xù)性高

IT系統(tǒng)的電源端中性點(diǎn)不接地或者通過高阻抗接地，只有電氣裝置的外部可導(dǎo)電部分保護(hù)接地。因此在發(fā)生第一次相導(dǎo)體對(duì)外露可導(dǎo)電部分或?qū)Φ毓收蠒r(shí)，故障回路的阻抗主要是非故障相導(dǎo)體與地間的容抗和外露可導(dǎo)電部分接地保護(hù)的接地電阻，能夠產(chǎn)生的故障電流非常小，不會(huì)導(dǎo)致電氣事故的發(fā)生，也不足以導(dǎo)致回路保護(hù)器動(dòng)作切斷電源，IT系統(tǒng)在發(fā)生第一次單相接地故障后可持續(xù)運(yùn)行。帶故障持續(xù)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)是其他系統(tǒng)都不具有的，故IT系統(tǒng)非常適合在一些對(duì)供電連續(xù)性要求高的場合應(yīng)用。

2.1.2 供電安全性高

由于 IT系統(tǒng)電源與地絕緣或經(jīng)足夠高的阻抗接地，人體只要不同時(shí)觸及不同的導(dǎo)電部分就構(gòu)不成故障回路，產(chǎn)生的故障電流極小，不會(huì)造成危險(xiǎn)的病理生理反應(yīng)。相對(duì)于其他接地型式，IT系統(tǒng)在供電安全性方面有很大的優(yōu)勢。

2.2 IT系統(tǒng)存在的問題

IT系統(tǒng)的優(yōu)越性明顯，但卻很少被采用，應(yīng)用遠(yuǎn)不如TN、TT系統(tǒng)廣泛。究其原因，主要有如下幾點(diǎn)：

2.2.1 不能提供220 V交流電源

由于IEC標(biāo)準(zhǔn)建議采用IT系統(tǒng)時(shí)只配出三根相導(dǎo)體而不配出中性導(dǎo)體[3]，長期以來IT系統(tǒng)都選擇不配出中性導(dǎo)體。國家標(biāo)準(zhǔn)中《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》（GB14050-93）中第 3.3條對(duì)IT系統(tǒng)定義時(shí)也將IT系統(tǒng)的示意圖表示為不配出中性導(dǎo)體的系統(tǒng)[4]。缺少中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)就不能引出220 V交流電直接為單相負(fù)荷供電，而需通過在相間裝設(shè)降壓變壓器220 V電源。對(duì)于有大量單相負(fù)荷的場合來說是很麻煩的。

2.2.2 保護(hù)相對(duì)復(fù)雜

國家標(biāo)準(zhǔn)中《建筑物的電氣裝置、電擊防護(hù)部分》（GB14821.1-93）規(guī)定IT系統(tǒng)需要采用的保護(hù)電器，除了TN、TT系統(tǒng)也具有的過電流動(dòng)作保護(hù)器和剩余電流動(dòng)作保護(hù)器之外，還有絕緣監(jiān)測器[5]。發(fā)生第一次接地故障時(shí)，應(yīng)由絕緣監(jiān)測器發(fā)出聲響或燈光信號(hào)，同時(shí)如何保證絕緣監(jiān)測器的可靠性也是一個(gè)問題。

2.2.3 對(duì)線路的絕緣要求高

當(dāng)發(fā)生第一次相導(dǎo)體接地故障后，IT系統(tǒng)帶故障運(yùn)行，另外兩相的對(duì)地電壓將上升到380 V。如果系統(tǒng)帶故障長時(shí)間運(yùn)行，則電纜的電氣特性可能受到不同程度的損害。因此，IT系統(tǒng)內(nèi)需要采用額定電壓為450/750 V的配電電纜，而TN、TT系統(tǒng)則采用300/500 V就可以滿足要求。

3 IT系統(tǒng)的中性導(dǎo)體問題

國家標(biāo)準(zhǔn)中《系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求》（GB14050-2008）中第4.3條對(duì)IT系統(tǒng)的定義已經(jīng)在圖示時(shí)將 IT系統(tǒng)描述為配出中性導(dǎo)體的系統(tǒng)[7]。配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)可以通過相導(dǎo)體與中性導(dǎo)體直接引出220 V交流電源，為單相負(fù)荷供電。這樣可以解決不配出中性導(dǎo)體的 IT系統(tǒng)配電時(shí)需要加裝降壓變壓器的問題。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為IT系統(tǒng)不宜配出中性導(dǎo)體，其原因主要是舊有的絕緣監(jiān)視裝置不能監(jiān)測到中性導(dǎo)體的接地故障。當(dāng)中性導(dǎo)體接地后，絕緣監(jiān)測器不能報(bào)警，操作人員不能及時(shí)排除故障。如果再一次發(fā)生接地故障，則會(huì)立即按照 TT系統(tǒng)或TN系統(tǒng)的保護(hù)方式切斷電源，失去IT系統(tǒng)供電連續(xù)性高的優(yōu)勢。

一般情況下IT系統(tǒng)不配出中性導(dǎo)體，而低壓TN、TT系統(tǒng)則無需進(jìn)行絕緣監(jiān)測， 因此傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)視裝置都忽略了中性導(dǎo)體的絕緣問題。

當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生中性導(dǎo)體接地故障時(shí)，電路如圖 1所示。假設(shè) A、B、C三相相導(dǎo)體及中性導(dǎo)體對(duì)地電容 CN、CC、CB、CA均等于 C，由于發(fā)生中性導(dǎo)體接地，系統(tǒng)三相對(duì)地電壓不改變，電容電流，（其中 K為 A、B、C）。設(shè)中性點(diǎn)對(duì)地電壓為，流經(jīng)中性導(dǎo)體的電流為，則由節(jié)點(diǎn)電壓方程得：

根據(jù)以上分析可知當(dāng)中性導(dǎo)體發(fā)生接地故障后，中性導(dǎo)體對(duì)地電壓、中性導(dǎo)體電流均為零。對(duì)于如直流法、電橋法、介質(zhì)損耗角法、低頻法、局部放電法等[8][9]需要檢測系統(tǒng)本身故障電信號(hào)的傳統(tǒng)方法確實(shí)不能監(jiān)測中性導(dǎo)體的接地故障。

但是隨著基于外加診斷信號(hào)的故障選線技術(shù)的提出，無需通過系統(tǒng)本身的故障信號(hào)就可檢測出接地故障。其中適合IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體故障檢測的有從中性點(diǎn)注入交流信號(hào)或者直流信號(hào)的方法[10]。一種基于直流注入法的絕緣監(jiān)測器動(dòng)作原理如圖2所示，其中R1、R2、R3、RN分別為相導(dǎo)體和中性導(dǎo)體的對(duì)地絕緣電阻，RA為 IT系統(tǒng)內(nèi)電氣裝置的外部可導(dǎo)電部分的接地電阻，R為絕緣監(jiān)測電阻。絕緣監(jiān)測器從中性點(diǎn)注入直流信號(hào)，通過R1、R2、R3、RN、RA和R構(gòu)成回路。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，R1、R2、R3、RN阻值非常大，在R上的壓降極??；一旦中性導(dǎo)體或者相導(dǎo)體發(fā)生接地故障，其對(duì)應(yīng)的對(duì)地絕緣電阻必然大大降低，導(dǎo)致R上的壓降增大，超過整定值后報(bào)警。

圖2 直流注入法絕緣監(jiān)測器原理

根據(jù)以上分析，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為由于不能監(jiān)測到中性導(dǎo)體接地故障而選擇不配出 IT系統(tǒng)的中性導(dǎo)體已經(jīng)不成立了。

4 配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)保護(hù)

IT系統(tǒng)配出中性導(dǎo)體后，其保護(hù)除了要滿足一般供配電系統(tǒng)的基本要求外，還可分為第一次接地故障的防護(hù)和第二次接地故障的防護(hù)。

4.1 第一次接地故障的保護(hù)

國家標(biāo)準(zhǔn)中系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求（GB14050-2008）中第5.4.2條規(guī)定，“為了在盡可能短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)而消除相導(dǎo)體與外露可導(dǎo)電部分（或地）之間的第一次故障，系統(tǒng)中必須裝設(shè)能發(fā)出聲或光信號(hào)的絕緣監(jiān)視裝置”[7]。因此，在IT系統(tǒng)內(nèi)裝設(shè)絕緣監(jiān)測器是一項(xiàng)必需的措施。絕緣監(jiān)測器發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)相導(dǎo)體或者中性導(dǎo)體第一次接地故障后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，操作人員根據(jù)報(bào)警信號(hào)開始進(jìn)行故障排除。此時(shí)IT系統(tǒng)仍正常運(yùn)行，不影響正常供電。另外，發(fā)生第一次故障時(shí)系統(tǒng)的預(yù)期接觸電壓不得超過50 V：

式中：RA——電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與大地間的電阻，Ω；Id——第一次阻抗可以忽略的接地故障時(shí)的電流，A

在設(shè)計(jì)時(shí)就必須注意到系統(tǒng)內(nèi)線纜的長度以及電氣設(shè)備的數(shù)量，以減少第一次接地故障時(shí)的故障電流Id或降低保護(hù)接地的接地電阻RA，以滿足上述要求，使系統(tǒng)發(fā)生第一次故障后無需切斷電源。

系統(tǒng)發(fā)生第一次接地故障后，要馬上采取措施排除故障。若系統(tǒng)長期帶故障運(yùn)行，會(huì)帶來一系列的問題，且發(fā)生第二次接地故障的可能性也很大。在人工不能很快排除故障的情況下，需切斷電源進(jìn)行檢修，找到并清除故障。

為了避免盲目切斷供電擴(kuò)大停電范圍，一種IT系統(tǒng)選擇性切除方法（已申請(qǐng)專利，專利申請(qǐng)?zhí)枺?01110199676.4）可以把停電控制在最小的范圍，減小故障排查難度。IT系統(tǒng)選擇性切除的原理如圖 3所示，其中 K3、K2、K1分別為離接地故障點(diǎn)最近的前三級(jí)斷路器，K為可變電抗器投切開關(guān)。IMD檢測到系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，控制器選擇合適的時(shí)刻閉合K，將可變電抗器接入系統(tǒng)，故障支路、故障相導(dǎo)體、可變電抗器構(gòu)成故障回路，故障回路產(chǎn)生一個(gè)大的瞬時(shí)電流，通過選擇開關(guān)K的合閘時(shí)刻和可變電抗器的級(jí)數(shù)可以使該瞬時(shí)電流達(dá)到較為理想的值，并使離故障點(diǎn)最近的前級(jí)斷路器K3瞬時(shí)脫扣跳閘，而K1、K2不受影響。

當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生第一次單相接地故障后，若長時(shí)間內(nèi)人工不能排除故障，則需采用選擇性切除方法將故障切除，以保證系統(tǒng)的絕緣不受損害、并提高供電的可靠性。

圖3 IT系統(tǒng)選擇性切除原理圖

4.2 第二次接地故障的防護(hù)

若系統(tǒng)第一次接地故障沒有被排除且未達(dá)到選擇性切除的時(shí)間限制，發(fā)生了第二次異相接地故障，則需按照TN或者TT系統(tǒng)的保護(hù)方式立即切斷電源。

當(dāng) IT系統(tǒng)內(nèi)的電氣裝置外露可導(dǎo)電部分為單獨(dú)接地，則故障回路的切斷應(yīng)符合 TT系統(tǒng)接地故障保護(hù)的要求，一般采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置作電擊保護(hù)，但當(dāng)外露可導(dǎo)電部分的接地電阻非常小時(shí)需要用過電流保護(hù)電器兼做電擊保護(hù)。另外，也可安裝反時(shí)限特性的過電電流動(dòng)作保護(hù)器、S-型剩余電流保護(hù)器等對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng) IT系統(tǒng)內(nèi)的電氣裝置外露可導(dǎo)電部分為共同接地，則故障回路的切斷應(yīng)符合TN系統(tǒng)接地故障保護(hù)的要求，主要由過電流保護(hù)器提供電擊防護(hù)。

IT系統(tǒng)對(duì)電氣裝置的切斷時(shí)間也有一定要求[5]，最長切斷時(shí)間如表 1所示，在選擇保護(hù)電器時(shí)應(yīng)予以注意。

表1 第二次故障時(shí)的最長切斷時(shí)間

5 結(jié)論

傳統(tǒng)認(rèn)為 IT系統(tǒng)不宜配出中性導(dǎo)體的觀點(diǎn)已經(jīng)不成立。配出中性導(dǎo)體后IT系統(tǒng)依舊可以正常運(yùn)行，通過注入外部診斷信號(hào)的方法可以檢測到中性導(dǎo)體的接地故障。系統(tǒng)發(fā)生第一次單相接地故障后絕緣監(jiān)測器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，若長時(shí)間無法人工排除故障，還可通過選擇性切除方法切除故障。配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)無需加裝變壓器即可獲得單相電源，同時(shí)還保留了其供電可靠性高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，有許多其他低壓配電系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，應(yīng)該得到更為廣泛的應(yīng)用，以彌補(bǔ)當(dāng)前供配電系統(tǒng)中的一些不足。

[1]王厚余. 論 IT系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 建筑電氣, 2008(11)：3-6.

[2]王厚余. 低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)[M], 北京：中國電力出版社, 2008.

[3]IEC60364-4-473, Electrical installations of buildings Part 4： Protection for safety Application of protective measures for safety： Measures of protection against overcurrent [S]. International Electrotechnical Commission. IEC Standard, First edition, 1977.

[4]GB14050-93, Types and safety technical requirements of system earthing[S]. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求, 1993.

[5]GB14821.1-93.Electrical installations of buildings,Protection against electric shock[S]1993.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn), 建筑物的電氣裝置、電擊防護(hù)部分.1993.

[6]GB50054-95-2, Code for design of low voltage electrical installations [S]. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn), 低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范. 1996.

[7]GB14050-2008, Types and safety technical requirements of system earthing[S]. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn), 系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求, 2009.

[8]王昌長, 李福祺, 高勝友. 電力設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社(第三版),2006.

[9]孫紅梅. 交聯(lián)聚乙烯電力電纜絕緣故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 武漢大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 2004.

[10]張慧芬. 配電網(wǎng)單相接地故障檢測技術(shù)研究[D]. 濟(jì)南： 山東大學(xué), 2006..