再論IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體問題

文│ 解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院 王 巍 王金全 楊 濤

1 引言

隨著我國(guó)低壓供配電系統(tǒng)的發(fā)展，很多建筑電氣行業(yè)的設(shè)計(jì)、施工人員逐漸認(rèn)識(shí)到了片面強(qiáng)調(diào)減小TN系統(tǒng)中性點(diǎn)接地電阻阻值并不意味著絕對(duì)安全，電源中性點(diǎn)浮空的IT系統(tǒng)開始得到認(rèn)可，國(guó)內(nèi)很多廠家都推出了醫(yī)療IT系統(tǒng)的成套解決方案即是一例。但I(xiàn)T系統(tǒng)的應(yīng)用仍然過少，且尚存很多亟待解決的問題，特別是關(guān)于IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體的疑慮，還是集中在為什么過去普遍認(rèn)為IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體上的絕緣損壞無法監(jiān)測(cè)，以及IEC標(biāo)準(zhǔn)為什么強(qiáng)烈建議IT系統(tǒng)不配出中性導(dǎo)體。筆者曾撰寫《IT系統(tǒng)配出中性導(dǎo)體問題簡(jiǎn)析》（以下簡(jiǎn)稱《簡(jiǎn)析》）一文發(fā)表在《建筑電氣》雜志上，對(duì)上述兩個(gè)問題進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單探討，本文則對(duì)這兩個(gè)問題做進(jìn)一步的說明并補(bǔ)充《簡(jiǎn)析》一文的部分觀點(diǎn)。

2 IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體絕緣監(jiān)測(cè)問題

在低壓IT系統(tǒng)中，絕緣監(jiān)測(cè)裝置（insulation monitoring device，IMD）所 監(jiān)測(cè)的對(duì)象不僅是線纜上的絕緣劣化、損壞，還應(yīng)包括電氣設(shè)備的絕緣損壞和設(shè)備的碰外殼接地，甚至某些時(shí)候還要對(duì)人身觸碰帶電體造成的接地有所反應(yīng)?？梢哉J(rèn)為，IMD在IT系統(tǒng)中發(fā)揮的作用實(shí)際上是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)任意處的第一次接地故障實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體上的絕緣損壞不能被監(jiān)測(cè)的說法，在低壓供配電的發(fā)展過程中是有其實(shí)踐基礎(chǔ)的?！逗?jiǎn)析》一文中提到的基于注入信號(hào)的絕緣監(jiān)測(cè)方法并非近幾年才有，比如繼電保護(hù)中常用的零序電壓和疊加電源構(gòu)成發(fā)電機(jī)100%定子繞組單相接地保護(hù)，就是這種監(jiān)測(cè)手段的早期體現(xiàn)[1]。至于這一手段為何長(zhǎng)期沒有在IT系統(tǒng)線纜絕緣監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用，導(dǎo)致設(shè)計(jì)施工人員普遍認(rèn)為IMD無法對(duì)IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體上的接地故障正常預(yù)警，使IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體問題懸而未決，筆者揣測(cè)，是源于舊有的一些絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限性。其中一種最常見的IMD形式如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置1

在三根相導(dǎo)體上裝設(shè)一臺(tái)三相五芯式電壓互感器，在其星型連接的二次繞組接上電壓表；另一組二次繞組接成開口三角形，接入電壓繼電器。正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)三相對(duì)地電壓對(duì)稱，各相對(duì)地電壓等于相電壓，也沒有零序電壓，當(dāng)有一相接地時(shí)，該相對(duì)地電壓為零，另兩相電壓升為380V，通過電壓表檢測(cè)數(shù)值即可判斷出接地故障相。在故障時(shí)出現(xiàn)零序電壓U0，電壓繼電器接通信號(hào)電源可提供報(bào)警，也可使電壓表接入位置替換為燈泡，直接通過燈泡的亮滅來判斷接地。這種方式確實(shí)無法監(jiān)測(cè)N相上的接地，中性導(dǎo)體未發(fā)生接地故障時(shí)，如果三相負(fù)載平衡，中性導(dǎo)體對(duì)地電壓應(yīng)該為0V，中性導(dǎo)體發(fā)生接地后對(duì)地電壓被鉗制到0V，前后沒有改變，監(jiān)測(cè)線纜上電壓變化的方法達(dá)不到報(bào)警的效果。

20世紀(jì)我國(guó)曾提出一種380V、660V絕緣系統(tǒng)漏電保護(hù)器，綜合采用了國(guó)家“七五”期間一項(xiàng)科技攻關(guān)成果“帶人為旁路接地檢漏繼電器”和一些新型元器件，對(duì)中性點(diǎn)不接地運(yùn)行的低壓電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]，其工作原理如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置2

這種方法的思路是人為構(gòu)造一個(gè)較大的接地電流，改變IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)不存在短路電流（或短路電流極小，僅是為兩非故障相對(duì)地電容電流的相量和）的特性。其裝置由一個(gè)選線電阻R0（一般380V時(shí)為76Ω左右，660V時(shí)為120Ω左右）、一個(gè)接觸器和若干電流檢測(cè)元件（可采用零序電流互感器）組成，其基本原理如圖2所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)接觸器斷開，中性點(diǎn)不接地，如需檢測(cè)絕緣故障，則閉合接觸器使中性點(diǎn)經(jīng)R0接地，若此時(shí)第n路出線C相接地，則會(huì)有一個(gè)3A左右的故障電流流過該路互感器CT，即可通過該CT感應(yīng)出電壓，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。但這種裝置仍然無法對(duì)中性導(dǎo)體的接地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因?yàn)楫?dāng)中性導(dǎo)體發(fā)生接地時(shí)，雖然通過大地也構(gòu)成了故障回路，但該回路是無源回路，無電流通過，故障前后也沒有電氣量變化可供對(duì)比。具體原因如圖3所示。

圖3 第二種絕緣監(jiān)測(cè)裝置無法反映中性導(dǎo)體絕緣損壞的原理

早期IT系統(tǒng)所用的絕大部分絕緣監(jiān)測(cè)裝置是根據(jù)圖1的原理構(gòu)造的，這種做法相對(duì)簡(jiǎn)便易行，僅靠硬件即可實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的檢測(cè)設(shè)備和算法，但檢測(cè)精度不夠，某些時(shí)候非金屬性接地時(shí)相對(duì)地電壓下降不明顯，而個(gè)別用燈泡指示的做法又過度依靠人的感官，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，且無法對(duì)中性導(dǎo)體進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但這種方法直到今天還是有現(xiàn)實(shí)意義的，因?yàn)樵摲椒擅鞔_指示出到底是哪一相發(fā)生了故障。對(duì)于發(fā)生在埋地三芯電纜或四芯電纜上的第一次接地故障來說，指示出哪一相意義不大，因?yàn)槿嗍枪袒谝粭l電纜中的，挖開電纜溝排查故障或撤換電纜時(shí)，即使知道了故障相也不會(huì)減少工作量，但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中絕緣下降很有可能發(fā)生在出線柜內(nèi)的母排等三相分設(shè)的環(huán)節(jié)，例如母排過流發(fā)熱導(dǎo)致復(fù)合絕緣的外層熱縮套管劣化等，這時(shí)IMD能夠指示到具體哪一相，就會(huì)方便故障排查。

圖2所示的IMD原理相比第一種有所改善，不再依靠系統(tǒng)本身的故障特征而是人為制造故障特征，實(shí)現(xiàn)的不僅是絕緣監(jiān)測(cè)，更重要的是具備了選線功能，可明確指出是哪一路出線發(fā)生接地，如果妥善處理這種思路，對(duì)于故障定位能夠起到極大的作用。

綜上所述，依靠現(xiàn)有的技術(shù)，一套完善的IMD可以該做到：絕緣監(jiān)測(cè)報(bào)警、定位故障回路、指示故障相。

圖4是一種集成了這三種功能的裝置示意圖，該種裝置已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的IMD，而是一種綜合診斷裝置，此處仍以IMD代指。

圖4 綜合式IMD

圖4中環(huán)節(jié)1為上位機(jī)（工控機(jī)或基于單片機(jī)的處理顯示裝置），環(huán)節(jié)2為注入信號(hào)源、采樣電阻和電壓表集成的一體機(jī)，環(huán)節(jié)3為IMD投切開關(guān)，環(huán)節(jié)4為每一路出線上套的電流互感器，2、3、4環(huán)節(jié)可通過現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)連接到環(huán)節(jié)1，在上位機(jī)綜合顯示檢測(cè)結(jié)果。圖中所示的故障電流回路為第n路出線的中性導(dǎo)體發(fā)生接地故障時(shí)的電流走向。裝置工作具體方法如下：

（1）絕緣故障報(bào)警和定位故障回路。絕緣故障報(bào)警可通過兩種途徑實(shí)現(xiàn)，一是檢測(cè)采樣電阻R的端電壓，端電壓突然上升則說明某處接地導(dǎo)致了故障電流的產(chǎn)生，流經(jīng)R時(shí)產(chǎn)生了電壓從而判定系統(tǒng)絕緣故障；二是檢測(cè)每一路出線上的電流互感器CT是否感應(yīng)出故障電壓，當(dāng)某一路CT對(duì)應(yīng)的出線發(fā)生接地時(shí)，故障電流流經(jīng)該CT，即可感應(yīng)出故障電壓從而判定該路故障，原理與剩余電流保護(hù)的檢測(cè)類似。相比第一種，第二種途徑能夠更進(jìn)一步指示出故障回路，但第一種無需大量裝設(shè)互感器，如果只需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)報(bào)警的話，第一種途徑經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較好。

（2）指示故障相。該項(xiàng)功能通過三個(gè)電壓表實(shí)現(xiàn)，發(fā)生單相接地時(shí)，電壓表測(cè)量數(shù)值升高的相即為故障相。需要特別說明的是，如果第一步已經(jīng)檢測(cè)出系統(tǒng)存在接地故障，而三個(gè)電壓表數(shù)值均未爬升，則可判定接地故障發(fā)生在中性導(dǎo)體上。

需要對(duì)這種裝置進(jìn)一步說明的有以下幾點(diǎn)：

（1）IMD最好做成時(shí)間離散的巡檢模式，即每隔一個(gè)很小的固定時(shí)間（3分鐘或5分鐘）投入檢測(cè)一次，檢查無故障后即行退出，也就是圖4中的開關(guān)3應(yīng)處于常開狀態(tài)，每次投入時(shí)再閉合。這樣做有兩項(xiàng)好處，一是注入信號(hào)源時(shí)無論信號(hào)幅值多大，畢竟人為抬高了中性點(diǎn)對(duì)地電位，造成了三相對(duì)地電壓不平衡，對(duì)系統(tǒng)整體絕緣不利，采用離散的檢測(cè)可有效降低不平衡的時(shí)間；二是IT系統(tǒng)需要較好的對(duì)地絕緣，注入信號(hào)源和電壓表均有內(nèi)阻，這些設(shè)備內(nèi)阻相當(dāng)于并聯(lián)后接在系統(tǒng)帶電部分與地之間，極大降低了IT系統(tǒng)的絕緣性能。對(duì)于IMD來說，三個(gè)電壓表并聯(lián)后的內(nèi)阻阻值很可能已經(jīng)低于絕緣損壞的報(bào)警閾值導(dǎo)致IMD誤報(bào)；對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，三個(gè)電壓表加上一個(gè)電源內(nèi)阻并聯(lián)接入系統(tǒng)后，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障電流必然大于完全浮空的IT系統(tǒng)單相接地時(shí)微小的電容電流，很可能燒壞注入電源設(shè)備，也有可能對(duì)人體觸碰造成威脅，甚至觸發(fā)過流保護(hù)動(dòng)作。系統(tǒng)做成離散的巡檢模式后，發(fā)生這種危險(xiǎn)的幾率就大為降低了。如果為了更進(jìn)一步防止IMD誤報(bào)，還可以先閉合注入信號(hào)的開關(guān)，判斷出絕緣故障回路后，再斷開注入信號(hào)的開關(guān)并閉合三個(gè)電壓表的開關(guān)，把選線和定相拆分成兩個(gè)步驟。

（2）注入信號(hào)的電源和CT選型時(shí)需要注意配合，如果選用直流源，CT需要選取能夠檢測(cè)直流信號(hào)的霍爾傳感器；如果選用交流源，則CT需要選取零序互感器。

（3）注入信號(hào)源和電壓表應(yīng)盡可能選取內(nèi)阻大的，最好是兆歐級(jí)以上的產(chǎn)品，防止裝置投入后浮空的IT系統(tǒng)變?yōu)榻?jīng)大電阻接地導(dǎo)致的絕緣水平大幅下降。

我國(guó)國(guó)內(nèi)尚未有這類針對(duì)低壓IT系統(tǒng)的綜合性產(chǎn)品的報(bào)道，施耐德曾推出過可用于IT系統(tǒng)的固定式XM100和移動(dòng)式GR10X兩種尋找故障的裝置，方法與圖4中的注入信號(hào)加CT檢測(cè)的模式基本類似，但無法指示到故障相，價(jià)格也很昂貴。事實(shí)上這種技術(shù)在實(shí)施上并沒有太大的難點(diǎn)，成本也不高，不僅能對(duì)配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)做出全面監(jiān)測(cè)，也可以對(duì)普通的中性點(diǎn)不接地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是一種較好的手段。希望國(guó)內(nèi)盡快有該類產(chǎn)品問世，全面提高IT系統(tǒng)的建設(shè)水平。

3 IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體問題的說明

IEC 60364-4-473標(biāo)準(zhǔn)不建議IT系統(tǒng)配出中性導(dǎo)體，但并未解釋具體原因。國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為是中性導(dǎo)體上的絕緣損壞不能被監(jiān)測(cè)，但《簡(jiǎn)析》一文和上文所述說明該問題已不存在。1996年的第一版IEC1200-413：TECHNICAL Report.Electrical installation guide-Part 413:Protection against indirect contact-Automatic disconnection of supply曾對(duì)中性導(dǎo)體問題做了若干說明[3]，該文件 提 到，“In effect,if a neutral conductor is distributed in an IT installation,a fault to earth effectively negates the advantages attached to systems in which the neutral is not directly connected to the earth.” 這種提法無可厚非，當(dāng)IT系統(tǒng)中性導(dǎo)體接地時(shí)，確實(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變成TT或TN系統(tǒng)，也不再具有第一次接地故障不跳閘和人體觸碰帶電部分相對(duì)安全的優(yōu)勢(shì)，也正因如此，IT系統(tǒng)才必須裝設(shè)IMD應(yīng)對(duì)該類情況的發(fā)生。但I(xiàn)EC 1200-413還做了以下幾點(diǎn)論述：

Otherwise，the distribution of a neutral conductor，when it is not connected to earth，necessitates making arrangements：

—to avoid，in case of two faults arising in the same installation in two circuits of different cross-sectional areas，the neutral conductor of the smaller cross-section carrying magnitudes of current greater than its current-carrying capacity；

—to ensure that equipment is not subjected to voltages greater than its rated voltage。

以上條文說明了IEC建議IT系統(tǒng)不配出中性導(dǎo)體的兩點(diǎn)初衷，一是擔(dān)心中性導(dǎo)體的截面積小，載流量有限，同一設(shè)備內(nèi)發(fā)生兩次故障時(shí)會(huì)在中性導(dǎo)體上發(fā)生過流；二是擔(dān)心設(shè)備存在過壓。這兩種說法令人費(fèi)解：如果擔(dān)心中性導(dǎo)體載流量不夠，適當(dāng)增大截面積甚至采用與三條相導(dǎo)體相同的截面積完全可以實(shí)現(xiàn)，且花費(fèi)有限，較之加裝降壓變壓器帶單相負(fù)載的方法，還是有很高的經(jīng)濟(jì)性。而設(shè)備的過壓無論是產(chǎn)生原因，還是防范手段，筆者認(rèn)為與IT系統(tǒng)是否配出中性導(dǎo)體沒有太大關(guān)系，比如突然甩負(fù)荷造成的操作過壓，無論IT系統(tǒng)還是TN、TT系統(tǒng)都同樣存在，并不會(huì)因?yàn)槎喑鲆粭l中性導(dǎo)體導(dǎo)致過壓保護(hù)更加困難。

IEC 1200-413在論述中還提到很關(guān)鍵 的 一 條，“Finally.the absence of the neutral conductor facilitates the devices for protection against overcurrent and the locating of the faults.”意指IT不配出中性導(dǎo)體，會(huì)使過流保護(hù)和故障定位更容易。故障定位問題如前文所述，圖4中的故障選線方法可很容易地定位到某一路出線，且不會(huì)因?yàn)榕涑鲋行詫?dǎo)體而受到影響，這種顧慮似已不再必要。至于過流問題，保護(hù)整定的計(jì)算確實(shí)會(huì)受到中性導(dǎo)體配出的影響，我國(guó)多數(shù)涉及到IT系統(tǒng)保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中一般都沿襲了IEC標(biāo)準(zhǔn)，分別列寫了不配出中性導(dǎo)體和配出中性導(dǎo)體兩種條件下的過流保護(hù)動(dòng)作要求，雖然表達(dá)方式和參數(shù)定義都不盡相同，但計(jì)算公式的含義是一致的，如《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 16-2008第7.7.8條所描述的[4]，IT系統(tǒng)發(fā)生第二次異相接地故障時(shí)，應(yīng)由過電流保護(hù)電器或剩余電流動(dòng)作保護(hù)器切斷故障電路，并符合下列要求：

（1）當(dāng)IT系統(tǒng)不引出N導(dǎo)體，且線路標(biāo)稱電壓為220/380V時(shí)，保護(hù)電器應(yīng)在0.4s內(nèi)切斷故障回路，并符合下式要求：

（2）當(dāng)IT系統(tǒng)引出N導(dǎo)體，且線路標(biāo)稱電壓為220/380V時(shí)，保護(hù)電器應(yīng)在0.8s內(nèi)切斷故障回路，并符合下式要求：

公式（1）、（2）中 ：

Ia保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流（A）；

U0相導(dǎo)體與中性導(dǎo)體之間的標(biāo)稱交流電壓（V）。

上述條文說明當(dāng)IT系統(tǒng)配出中性導(dǎo)體后，計(jì)算用的電壓值應(yīng)取相電壓220V，相比不配出時(shí)取線電壓380V，Ia的計(jì)算結(jié)果變小了，也就是說保護(hù)要求的靈敏度提高了，IEC所說的過流保護(hù)困難可能指的就是這方面。如果配電線路過長(zhǎng)或用電設(shè)備分設(shè)接地極導(dǎo)致地阻過大，普通過流保護(hù)電器無法可靠動(dòng)作，完全可以使用高靈敏度的剩余電流保護(hù)電器替代普通的斷路器，在現(xiàn)今的建筑電氣設(shè)計(jì)和設(shè)備選型中使用剩余電流保護(hù)也不難解決該問題。

4 結(jié)束語

雖然當(dāng)下斷言IT系統(tǒng)能夠配出中性導(dǎo)體的理由還并不充分，但在現(xiàn)有的電氣檢測(cè)、保護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)條件下，確實(shí)已經(jīng)可以解答和解決部分問題。IT系統(tǒng)如果能夠配出中性導(dǎo)體，在低壓配電領(lǐng)域的發(fā)展前景還是相當(dāng)可觀的，該系統(tǒng)安全可靠、施工便捷的優(yōu)點(diǎn)也使其確實(shí)值得推廣。希望這一問題能夠得到業(yè)內(nèi)的關(guān)注，通過廣泛的討論乃至小范圍的工程實(shí)踐，為IT系統(tǒng)的中性導(dǎo)體問題尋找更多的答案。

1 張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].中國(guó)電力出版社，2005

2 蘇云峰.380、660V絕緣系統(tǒng)漏電保護(hù)器[J].煤礦機(jī)電，1995，6：37-38

3 IEC 1200-413：TECHNICAL Report.Electrical installation guide-Part 413：Protection against indirect contact-Automatic disconnection of supply

4 JGJ 16-2008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范.中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院