配出中性導體的低壓IT系統綜述

楊濤 王金全 王巍 宋鵬超

（解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇南京 210007）

0 引言

我國的低壓電氣設計在很長一段時間曾大量采用 TN-C 系統。隨著國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）標準的不斷推廣，TN-S、TN-C-S和TT系統在設計中得到了更多的應用，電氣的安全性有了顯著提升。但具有高可靠性的IT系統在我國的應用仍然十分有限，僅在醫院、礦井、發電廠廠用供電等場所有所應用[1,2]。目前對于 IT系統的研究還不夠深入，且多數針對的是不配出中性導體的IT系統，涉及配出中性導體的 IT系統的很少。IT系統具有許多其他系統無法比擬的優勢，對其進行研究、推廣使用有重要意義。

1 IT系統的定義

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

2 IT系統的特性

2.1 IT系統的優點

2.1.1 供電連續性高

IT系統的電源端中性點不接地或者通過高阻抗接地，只有電氣裝置的外部可導電部分保護接地。因此在發生第一次相導體對外露可導電部分或對地故障時，故障回路的阻抗主要是非故障相導體與地間的容抗和外露可導電部分接地保護的接地電阻，能夠產生的故障電流非常小，不會導致電氣事故的發生，也不足以導致回路保護器動作切斷電源，IT系統在發生第一次單相接地故障后可持續運行。帶故障持續運行的優點是其他系統都不具有的，故IT系統非常適合在一些對供電連續性要求高的場合應用。

2.1.2 供電安全性高

由于 IT系統電源與地絕緣或經足夠高的阻抗接地，人體只要不同時觸及不同的導電部分就構不成故障回路，產生的故障電流極小，不會造成危險的病理生理反應。相對于其他接地型式，IT系統在供電安全性方面有很大的優勢。

2.2 IT系統存在的問題

IT系統的優越性明顯，但卻很少被采用，應用遠不如TN、TT系統廣泛。究其原因，主要有如下幾點：

2.2.1 不能提供220 V交流電源

由于IEC標準建議采用IT系統時只配出三根相導體而不配出中性導體[3]，長期以來IT系統都選擇不配出中性導體。國家標準中《系統接地的型式及安全技術要求》（GB14050-93）中第 3.3條對IT系統定義時也將IT系統的示意圖表示為不配出中性導體的系統[4]。缺少中性導體IT系統就不能引出220 V交流電直接為單相負荷供電，而需通過在相間裝設降壓變壓器220 V電源。對于有大量單相負荷的場合來說是很麻煩的。

2.2.2 保護相對復雜

國家標準中《建筑物的電氣裝置、電擊防護部分》（GB14821.1-93）規定IT系統需要采用的保護電器，除了TN、TT系統也具有的過電流動作保護器和剩余電流動作保護器之外，還有絕緣監測器[5]。發生第一次接地故障時，應由絕緣監測器發出聲響或燈光信號，同時如何保證絕緣監測器的可靠性也是一個問題。

2.2.3 對線路的絕緣要求高

當發生第一次相導體接地故障后，IT系統帶故障運行，另外兩相的對地電壓將上升到380 V。如果系統帶故障長時間運行，則電纜的電氣特性可能受到不同程度的損害。因此，IT系統內需要采用額定電壓為450/750 V的配電電纜，而TN、TT系統則采用300/500 V就可以滿足要求。

3 IT系統的中性導體問題

國家標準中《系統接地的型式及安全技術要求》（GB14050-2008）中第4.3條對IT系統的定義已經在圖示時將 IT系統描述為配出中性導體的系統[7]。配出中性導體的IT系統可以通過相導體與中性導體直接引出220 V交流電源，為單相負荷供電。這樣可以解決不配出中性導體的 IT系統配電時需要加裝降壓變壓器的問題。傳統觀點認為IT系統不宜配出中性導體，其原因主要是舊有的絕緣監視裝置不能監測到中性導體的接地故障。當中性導體接地后，絕緣監測器不能報警，操作人員不能及時排除故障。如果再一次發生接地故障，則會立即按照 TT系統或TN系統的保護方式切斷電源，失去IT系統供電連續性高的優勢。

一般情況下IT系統不配出中性導體，而低壓TN、TT系統則無需進行絕緣監測， 因此傳統的絕緣監視裝置都忽略了中性導體的絕緣問題。

當IT系統發生中性導體接地故障時，電路如圖 1所示。假設 A、B、C三相相導體及中性導體對地電容 CN、CC、CB、CA均等于 C，由于發生中性導體接地，系統三相對地電壓不改變，電容電流，（其中 K為 A、B、C）。設中性點對地電壓為，流經中性導體的電流為，則由節點電壓方程得：

根據以上分析可知當中性導體發生接地故障后，中性導體對地電壓、中性導體電流均為零。對于如直流法、電橋法、介質損耗角法、低頻法、局部放電法等[8][9]需要檢測系統本身故障電信號的傳統方法確實不能監測中性導體的接地故障。

但是隨著基于外加診斷信號的故障選線技術的提出，無需通過系統本身的故障信號就可檢測出接地故障。其中適合IT系統中性導體故障檢測的有從中性點注入交流信號或者直流信號的方法[10]。一種基于直流注入法的絕緣監測器動作原理如圖2所示，其中R1、R2、R3、RN分別為相導體和中性導體的對地絕緣電阻，RA為 IT系統內電氣裝置的外部可導電部分的接地電阻，R為絕緣監測電阻。絕緣監測器從中性點注入直流信號，通過R1、R2、R3、RN、RA和R構成回路。系統正常運行時，R1、R2、R3、RN阻值非常大，在R上的壓降極?。灰坏┲行詫w或者相導體發生接地故障，其對應的對地絕緣電阻必然大大降低，導致R上的壓降增大，超過整定值后報警。

圖2 直流注入法絕緣監測器原理

根據以上分析，傳統觀點認為由于不能監測到中性導體接地故障而選擇不配出 IT系統的中性導體已經不成立了。

4 配出中性導體的IT系統保護

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

4.1 第一次接地故障的保護

國家標準中系統接地的型式及安全技術要求（GB14050-2008）中第5.4.2條規定，“為了在盡可能短的時間內發現并進而消除相導體與外露可導電部分（或地）之間的第一次故障，系統中必須裝設能發出聲或光信號的絕緣監視裝置”[7]。因此，在IT系統內裝設絕緣監測器是一項必需的措施。絕緣監測器發現系統出現相導體或者中性導體第一次接地故障后，發出報警信號，操作人員根據報警信號開始進行故障排除。此時IT系統仍正常運行，不影響正常供電。另外，發生第一次故障時系統的預期接觸電壓不得超過50 V：

式中：RA——電氣裝置的外露可導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的電流，A

在設計時就必須注意到系統內線纜的長度以及電氣設備的數量，以減少第一次接地故障時的故障電流Id或降低保護接地的接地電阻RA，以滿足上述要求，使系統發生第一次故障后無需切斷電源。

系統發生第一次接地故障后，要馬上采取措施排除故障。若系統長期帶故障運行，會帶來一系列的問題，且發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，需切斷電源進行檢修，找到并清除故障。

為了避免盲目切斷供電擴大停電范圍，一種IT系統選擇性切除方法（已申請專利，專利申請號：201110199676.4）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最近的前三級斷路器，K為可變電抗器投切開關。IMD檢測到系統發生單相接地故障，控制器選擇合適的時刻閉合K，將可變電抗器接入系統，故障支路、故障相導體、可變電抗器構成故障回路，故障回路產生一個大的瞬時電流，通過選擇開關K的合閘時刻和可變電抗器的級數可以使該瞬時電流達到較為理想的值，并使離故障點最近的前級斷路器K3瞬時脫扣跳閘，而K1、K2不受影響。

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

圖3 IT系統選擇性切除原理圖

4.2 第二次接地故障的防護

若系統第一次接地故障沒有被排除且未達到選擇性切除的時間限制，發生了第二次異相接地故障，則需按照TN或者TT系統的保護方式立即切斷電源。

當 IT系統內的電氣裝置外露可導電部分為單獨接地，則故障回路的切斷應符合 TT系統接地故障保護的要求，一般采用剩余電流動作保護裝置作電擊保護，但當外露可導電部分的接地電阻非常小時需要用過電流保護電器兼做電擊保護。另外，也可安裝反時限特性的過電電流動作保護器、S-型剩余電流保護器等對電路進行保護。當 IT系統內的電氣裝置外露可導電部分為共同接地，則故障回路的切斷應符合TN系統接地故障保護的要求，主要由過電流保護器提供電擊防護。

IT系統對電氣裝置的切斷時間也有一定要求[5]，最長切斷時間如表 1所示，在選擇保護電器時應予以注意。

表1 第二次故障時的最長切斷時間

5 結論

傳統認為 IT系統不宜配出中性導體的觀點已經不成立。配出中性導體后IT系統依舊可以正常運行，通過注入外部診斷信號的方法可以檢測到中性導體的接地故障。系統發生第一次單相接地故障后絕緣監測器發出報警信號，若長時間無法人工排除故障，還可通過選擇性切除方法切除故障。配出中性導體的IT系統無需加裝變壓器即可獲得單相電源，同時還保留了其供電可靠性高、安全性好的優點，有許多其他低壓配電系統無法比擬的優勢，應該得到更為廣泛的應用，以彌補當前供配電系統中的一些不足。

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

[2]王厚余. 低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗[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準,系統接地的型式及安全技術要求, 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準, 建筑物的電氣裝置、電擊防護部分.1993.

[6]GB50054-95-2, Code for design of low voltage electrical installations [S]. 中華人民共和國國家標準, 低壓配電設計規范. 1996.

[7]GB14050-2008, Types and safety technical requirements of system earthing[S]. 中華人民共和國國家標準, 系統接地的型式及安全技術要求, 2009.

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

[9]孫紅梅. 交聯聚乙烯電力電纜絕緣故障在線監測系統的研究與開發[D]. 武漢大學電氣與信息工程學院, 2004.

[10]張慧芬. 配電網單相接地故障檢測技術研究[D]. 濟南： 山東大學, 2006..