ITN系統(tǒng)安全供電范圍分析及人身安全防護(hù)措施

陳 凱，王金全，嚴(yán) 鋆，凌雷鳴

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007； 2.江蘇鎮(zhèn)安電氣設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

ITN系統(tǒng)安全供電范圍分析及人身安全防護(hù)措施

陳 凱1，王金全1，嚴(yán) 鋆1，凌雷鳴2

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007； 2.江蘇鎮(zhèn)安電氣設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)(下文統(tǒng)稱(chēng)ITN系統(tǒng))由于其中性點(diǎn)不直接接地，因此人員觸碰單相電源不會(huì)發(fā)生觸電事故。但隨著系統(tǒng)供電距離的增加，對(duì)地電容也逐漸增加，當(dāng)觸碰到單相電源時(shí)，可能使得流過(guò)人體的電容電流超過(guò)人體安全電流30 mA，此時(shí)ITN系統(tǒng)不再是“絕對(duì)”安全。對(duì)該安全距離進(jìn)行了確定，同時(shí)對(duì)ITN系統(tǒng)的直接接觸電擊事故和間接接觸電擊事故提出了相應(yīng)的防護(hù)措施，從而能夠保證ITN系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

ITN系統(tǒng)；對(duì)地電容；安全距離；人身安全防護(hù)

0 引言

低壓供配電系統(tǒng)供給的對(duì)象是用戶(hù)，因此系統(tǒng)的安全問(wèn)題是首要大事。ITN系統(tǒng)由于其中性點(diǎn)不接地，當(dāng)人發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流很小，容易給人造成系統(tǒng)是“絕對(duì)”安全的錯(cuò)覺(jué)[1]。但是隨著系統(tǒng)供電范圍的增加，系統(tǒng)的對(duì)地電容增大[2]，導(dǎo)致電容電流的增加，ITN系統(tǒng)不再是“絕對(duì)”安全，因此需對(duì)系統(tǒng)的安全供電范圍進(jìn)行確定，同時(shí)還需要對(duì)人生安全防護(hù)設(shè)計(jì)合理的保護(hù)方案。

IEC60364-4-41[3]和《JGJ/T 16民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.6.4.15條[4]規(guī)定，采用ITN系統(tǒng)供電時(shí)，發(fā)生第一次單相接地故障時(shí)，如果滿(mǎn)足Id·RA≤UL的要求，則不會(huì)對(duì)設(shè)備和人身造成威脅，可不自動(dòng)切斷供電，僅需采用絕緣監(jiān)視電器進(jìn)行聲光報(bào)警，防止再發(fā)生異相接地形成相間短路即可。此外，IEC61140-2009中將系統(tǒng)的電擊防護(hù)分為基本防護(hù)和故障防護(hù)[5]：對(duì)于基本防護(hù)的定義為“處于無(wú)故障條件下的防觸電保護(hù)”，這一原則表明，系統(tǒng)處于無(wú)故障狀態(tài)時(shí)，同樣也需要進(jìn)行人身安全保護(hù)，這一標(biāo)準(zhǔn)在ITN系統(tǒng)供電范圍增加時(shí)，顯得尤其重要；對(duì)于故障防護(hù)的定義為“處于任意條件下的防觸電保護(hù)”，這一描述涵蓋了系統(tǒng)的所有可能的情況下的人生安全防護(hù)，這與ITN系統(tǒng)注重人生安全這一原則相一致。我國(guó)GB 16895.21-2012標(biāo)準(zhǔn)將直接防護(hù)與基本防護(hù)相對(duì)應(yīng)，間接防護(hù)與故障防護(hù)相對(duì)應(yīng)，同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)間接接觸定義為“人身在系統(tǒng)正常工作時(shí)不帶電，發(fā)生事故時(shí)由于絕緣損壞或其他原因可能與外露導(dǎo)電部分接觸”。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)IEC的標(biāo)準(zhǔn)更加完善，認(rèn)為只要發(fā)生以下幾種情況就被認(rèn)為是故障防護(hù)[6]：(1)觸碰到非危險(xiǎn)的帶電導(dǎo)體使之變?yōu)槲ｋU(xiǎn)的帶電導(dǎo)體；(2)觸碰到正常條件下不帶電的設(shè)備外殼使之變?yōu)閹щ娡鈿ぃ?3)觸碰到危險(xiǎn)的帶電部分。

IEC對(duì)于系統(tǒng)故障防護(hù)與人身安全的描述更加細(xì)致，這與ITN系統(tǒng)防護(hù)設(shè)計(jì)理念相一致，使用直接防護(hù)和間接防護(hù)來(lái)概括ITN系統(tǒng)的安全防護(hù)是不夠的。若系統(tǒng)處于故障的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出警報(bào)需要相關(guān)人員進(jìn)行故障排查，而國(guó)標(biāo)中間接防護(hù)的定義只包含了觸碰故障帶電外殼這一情況，而對(duì)維修人員直接觸碰帶電導(dǎo)體的保護(hù)也十分重要。因此，IEC的標(biāo)準(zhǔn)更適合于ITN系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)理念，建議國(guó)標(biāo)中也擴(kuò)大故障防護(hù)的范圍，使得系統(tǒng)在“任意”條件下都能保證人身安全。

1 ITN系統(tǒng)安全供電范圍分析

1.1 電流通過(guò)人體效應(yīng)分析

當(dāng)電流通過(guò)人體時(shí)，會(huì)對(duì)人體的肌肉收縮、神經(jīng)信號(hào)傳遞、內(nèi)臟功能、循環(huán)系統(tǒng)等產(chǎn)生影響[7]，其危險(xiǎn)程度取決于通過(guò)人體的電流強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。而人體發(fā)生觸電事故時(shí)，電流導(dǎo)致的心室纖維性顫動(dòng)是導(dǎo)致人發(fā)生致命事故的主要原因。

IEC60479-1標(biāo)準(zhǔn)將電流/時(shí)間對(duì)人體造成的病理效應(yīng)劃分成4塊區(qū)域，如圖1所示。

圖1 電流/時(shí)間對(duì)人體造成的病理效應(yīng)示意圖

電流對(duì)人體的影響如表1所示。

表1 交流15 Hz～100 Hz電流/時(shí)間對(duì)人體生理效應(yīng)

根據(jù)IEC60479-1的標(biāo)準(zhǔn)，將人體的安全電流定為30 mA作為系統(tǒng)電容電流的極限值，也是系統(tǒng)安全供電范圍的臨界值,此電流30 mA應(yīng)為峰值電流。

1.2 系統(tǒng)安全供電范圍計(jì)算

圖2 考慮ITN系統(tǒng)分布電容下人直接接觸電路圖

考慮系統(tǒng)的分布電容，畫(huà)出ITN系統(tǒng)的等效電路圖，如圖2所示。圖中CA、CB、CC、CN分別為系統(tǒng)對(duì)地電容，Rg變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電阻其值一般很大，Rbody為對(duì)人體電阻，ISC為系統(tǒng)的電容電流，Ibody為流過(guò)人體的電流，In為系統(tǒng)剩余電流。

(1)

系統(tǒng)理想情況下，三相電源對(duì)稱(chēng)，對(duì)地電容近似等于C，那么式(1)等于0，即中性點(diǎn)電壓等于0。進(jìn)而可以得到A、B、C三相的對(duì)地電壓為：

(2)

當(dāng)人體接觸單相帶電導(dǎo)體時(shí)，可得到ISC、Ibody、In之間的關(guān)系為：

In=ISC+Ibody

(3)

通常情況下變壓器對(duì)地絕緣水平非常好[9]，即Rg值很大，所以In值很小，約等于0，即式(3)等于0。那么：

ISC=-Ibody

(4)

(5)

那么可以得到:

(6)

進(jìn)一步可以得到流經(jīng)人體的電流為：

(7)

式(7)顯示了流進(jìn)人體電流與系統(tǒng)對(duì)地電容之間的關(guān)系。

人體電阻Rbody約為1 kΩ，變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電阻Rg約為200 kΩ。為分析隨著系統(tǒng)接地電容的變化與系統(tǒng)泄露電流和流經(jīng)人體電流變化規(guī)律，利用Origin軟件畫(huà)出式(6)和式(7)中In和Ibody隨電容C的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)對(duì)地電容變化時(shí)，In和Ibody變化曲線

從圖3中可以看出，隨著系統(tǒng)對(duì)地電容的變化，泄露電流In基本不變接近0，而流過(guò)人體的電流Ibody逐漸增大，人體極限的安全電流30 mA對(duì)應(yīng)的N點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)的對(duì)地電容為C=0.11 μF。查閱原型系統(tǒng)中0.6/1 kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜參數(shù)，型號(hào)為YJV22，橫截面積5×16 mm2，電纜外徑為23 mm，其分布電容參數(shù)為ρ=0.57 pF/m，那么系統(tǒng)安全運(yùn)行距離s計(jì)算公式為:

(8)

帶入C和ρ的數(shù)值可以計(jì)算出在該電纜條件下ITN系統(tǒng)的安全運(yùn)行距離為193 m。此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行條件為空載，求得的電容C為系統(tǒng)每一相電纜的對(duì)地電容數(shù)值。

1.3 仿真分析

為驗(yàn)證上文分析的正確性。在MATLAB/Simulink中搭建人接觸ITN系統(tǒng)單相電源的仿真模型。根據(jù)上文的分析設(shè)置仿真參數(shù)，得到流進(jìn)人體的電流如圖4所示。

圖4 流經(jīng)人體的電容電流仿真波形

從圖4中可以看出，在該工況下流經(jīng)人體電流的最大值為28 mA，小于30 mA，表明在這種條件下，人體觸碰ITN系統(tǒng)單相電源不會(huì)發(fā)生觸電事故，當(dāng)系統(tǒng)電容數(shù)值大于0.11 μF時(shí)，就有可能發(fā)生觸電事故，這與上文理論分析結(jié)果一致。

2 人身安全防護(hù)措施

ITN系統(tǒng)面對(duì)的是用戶(hù)，因此相關(guān)的人身安全是最先需要考慮的，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的防護(hù)措施，防止人身電擊事故的產(chǎn)生。下面針對(duì)ITN系統(tǒng)的特點(diǎn)分別對(duì)直接、間接接觸電擊防護(hù)進(jìn)行分析。

2.1 ITN系統(tǒng)的直接接觸電擊防護(hù)

在ITN系統(tǒng)正常工作時(shí)，人體由于誤觸到系統(tǒng)中帶電部分引起的觸電事故稱(chēng)為直接接觸電擊事故。ITN系統(tǒng)的中性點(diǎn)對(duì)地阻抗很大，單相接地故障電流很小，根據(jù)上文的分析可知，隨著系統(tǒng)供電范圍增加，系統(tǒng)的電容電流增加，當(dāng)人接觸單相電源時(shí)可能使得流經(jīng)人體的電容電流超過(guò)人體安全電流，引發(fā)觸電事故，ITN系統(tǒng)不再“絕對(duì)”安全。目前主要有以下三種方法來(lái)防止人身直接接觸電擊事故：

(1)大部分的觸電事故就是由于人接觸到系統(tǒng)中帶電部分，對(duì)這部分加強(qiáng)絕緣措施，能夠大大提高系統(tǒng)的絕緣水平，減小人身發(fā)生直接接觸電擊事故的可能。

(2)對(duì)于系統(tǒng)中部分無(wú)法裝設(shè)絕緣覆蓋的地方，如需要較好的散熱條件的用電器，可在這些帶電導(dǎo)體外加以阻隔設(shè)施或危險(xiǎn)警示牌來(lái)避免人身對(duì)其的觸碰。

(3)系統(tǒng)中裝設(shè)剩余電流保護(hù)器(RCD)進(jìn)行人身安全防護(hù)。

RCD目前是作為電力系統(tǒng)中防止人身安全電擊事故最重要的器件之一。國(guó)內(nèi)對(duì)于RCD的研究始于礦井電網(wǎng)的人身安全保護(hù)，現(xiàn)在已在電力系統(tǒng)行業(yè)得到了巨大的發(fā)展，目前在建筑電氣領(lǐng)域的TT、TN系統(tǒng)中多是針對(duì)人身安全防護(hù)。在ITN系統(tǒng)中發(fā)生故障狀態(tài)時(shí)的人身安全防護(hù)也可使用RCD，這對(duì)于保證ITN系統(tǒng)人身安全有著積極的意義。

2.2 ITN系統(tǒng)的間接接觸電擊防護(hù)

當(dāng)ITN系統(tǒng)中某個(gè)器件因絕緣層的破壞導(dǎo)致外殼與大地間直接或者經(jīng)過(guò)度電阻連接，人身觸碰到故障外殼引起觸電事故稱(chēng)為間接接觸電擊事故。此類(lèi)事故較直接接觸電擊事故發(fā)生概率更高。由于ITN系統(tǒng)發(fā)生單相一次接地故障時(shí)可繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，需要相關(guān)人員進(jìn)行排查，此時(shí)就有間接接觸電擊事故的產(chǎn)生的可能。目前主要有以下四種方法來(lái)防止人身間接接觸電擊事故：

(1)采用Ⅱ類(lèi)電氣設(shè)備。此類(lèi)設(shè)備的絕緣措施非常高，不必?fù)?dān)心因絕緣層損壞引起人身觸電事故，因此不需要額外安裝防護(hù)器件。

(2)在系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生觸電事故的設(shè)備附近設(shè)立隔離場(chǎng)所，避免人員的靠近，但有些設(shè)備難以設(shè)立隔離場(chǎng)所，所以該方法除特殊需要外，一般不使用。

(3)利用隔離變壓器將電源端和用電設(shè)備隔離開(kāi)。

(4)在可能發(fā)生觸電事故的用電設(shè)備端加裝RCD[10]。

在系統(tǒng)發(fā)生一次單相接地故障之后，維護(hù)人員需進(jìn)行故障排查，此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)存在風(fēng)險(xiǎn)，若維護(hù)人員操作不當(dāng)，就可能引起觸電事故。圖5為A相發(fā)生與設(shè)備的碰殼故障，從兩種類(lèi)型負(fù)載角度考慮，加裝RCD進(jìn)行分析。圖中M為單相負(fù)載，P為三相負(fù)載，發(fā)生了一次接地故障，兩種負(fù)載分別加裝了RCD1和RCD2，R1、R2分別為兩種負(fù)載的外殼對(duì)地電阻。

圖5 單相、三相負(fù)載發(fā)生一次接地故障后RCD的故障防護(hù)

對(duì)于負(fù)載M，人員觸碰了帶電外殼，系統(tǒng)中所有非故障相的電容電流從電阻R1上通過(guò)，若此時(shí)ITN系統(tǒng)滿(mǎn)足R1IC≤50 V，其中IC為電容電流，系統(tǒng)能保證安全，若R1數(shù)值為50 Ω，IC數(shù)值應(yīng)小于1 A，同時(shí)，根據(jù)上文人身安全電流的分析，可選用規(guī)格為30 mA的RCD進(jìn)行防護(hù)。

負(fù)載P為三相負(fù)載，人員觸碰了中性導(dǎo)體，故障回路阻抗較大，短路電流很小，因此主回路中過(guò)流保護(hù)裝置拒動(dòng)，但此時(shí)的電流有可能超過(guò)人體安全電流30 mA。此時(shí)可加裝30 mA的RCD2，當(dāng)電流超過(guò)30 mA時(shí)，RCD2動(dòng)作，切斷故障，實(shí)現(xiàn)人身安全防護(hù)。

3 結(jié)論

ITN系統(tǒng)的安全運(yùn)行關(guān)系到用戶(hù)的生命安全。通過(guò)考慮ITN系統(tǒng)分布電容情況下系統(tǒng)的安全供電范圍，分析了系統(tǒng)電容電流與系統(tǒng)供電范圍的直接關(guān)系，得出當(dāng)系統(tǒng)分布電容小于0.11 μF時(shí)，用戶(hù)觸碰單相電源不會(huì)發(fā)生觸電事故，當(dāng)系統(tǒng)供電范圍超過(guò)這一限定值，就需要加裝相應(yīng)的防護(hù)設(shè)施，同時(shí)對(duì)ITN系統(tǒng)的直接接觸電擊防護(hù)與間接接觸電擊防護(hù)提出了相關(guān)的措施。

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Analysis of ITNsystem safe power supply range and personal safety

Chen Kai1, Wang Jinquan1, Yan Jun1, Lin Leiming2

(1. PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China；2. Jiangsu Zhen’an Electrical Equipment Co., Ltd., Zhenjiang 212000, China)

Because the neutral point of IT system with neutral conductor (hereinafter referred to as ITNsystem) is not directly grounded, when people touch single-phase power supply, electric shock accident does not occur. But with the system power supply distance increases, the ground capacitance is gradually increased, and when people touch to single-phase power supply, the flow of electricity through the body may exceed the human body safety current 30 mA. Then ITNsystem is no longer ‘a(chǎn)bsolute’ security. This article will confirm the safety distance, at the same time, it will put forward the corresponding protective measures for ITNsystem direct contact accident and indirect contact electric shock accident, which can guarantee the ITNsystem safe and reliable operation.

ITNsystem; to-ground capacitance; safety distance; personal safety protection

TM726.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.029

陳凱，王金全，嚴(yán)鋆，等.ITN系統(tǒng)安全供電范圍分析及人身安全防護(hù)措施[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(20)：104-107.

2017-03-25)

陳凱(1992-),男，碩士，主要研究方向：小電流接地系統(tǒng)保護(hù)。

王金全(1964-),男，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)。

嚴(yán)鋆(1985-),男，博士，主要研究方向：新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)。