ITN系統(tǒng)工程應(yīng)用

錢紅艷， 孫俊德， 李 潔， 李龍剛

(北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028)

1 工程概況

某機(jī)房大多數(shù)是電子、驅(qū)動、控制等用電設(shè)備，負(fù)荷等級為一級,其中重要電子設(shè)備，電壓等級380V，安裝容量總計(jì)4 450kW。本工程設(shè)計(jì)采用10kV市電電源供電，設(shè)10/0.4kV變壓器,變?yōu)?80V后向電子設(shè)備供電，同時設(shè)380V應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。電子設(shè)備按供電單元設(shè)置，共計(jì)26個供電單元，每個單元一路供電回路,共計(jì)26個供電回路。根據(jù)電子設(shè)備工作模式，供電單元必須96h采用連續(xù)運(yùn)行，最大工況為24個供電單元同時運(yùn)行，其余2個供電單元處于熱備份，期間沒有停機(jī)模式。在電子設(shè)備研制部門和使用部門的相關(guān)規(guī)定和技術(shù)要求中，電子設(shè)備供電連續(xù)性是一個非常重要的技術(shù)要求。由于電子設(shè)備用電量較大且供電回路較多，為滿足電子設(shè)備供電連續(xù)性，本工程設(shè)計(jì)低壓供電系統(tǒng)接地型式采用IT系統(tǒng)(IT系統(tǒng)供電連續(xù)性上的優(yōu)點(diǎn)是TN和TT系統(tǒng)無法比擬的)。

電子設(shè)備供電單元的控制電源是交流220V，傳統(tǒng)IT系統(tǒng)做法是設(shè)置變壓器產(chǎn)生交流220V，但電子設(shè)備的工藝要求不允許加裝變壓器，要求直接提供交流220V電源，即只有引出中性線的IT系統(tǒng)才能滿足本建筑物雷達(dá)電子設(shè)備的供電連續(xù)性的技術(shù)要求。根據(jù)電子設(shè)備的這一特殊要求，本工程設(shè)計(jì)采用引出中性線的IT系統(tǒng)，即ITN系統(tǒng)。

2 引出中性線的ITN系統(tǒng)

2.1 ITN系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

眾所周知，低壓供電系統(tǒng)接地形式分為TN、TT和IT三種系統(tǒng)。IT系統(tǒng)的電源中性點(diǎn)是不接地或經(jīng)高阻抗接地的，電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分通過保護(hù)接地線與接地極連接，如圖1所示。

圖1 IT系統(tǒng)故障電流走向示意圖

TN、TT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時可及時切斷電源防止電擊，而IT系統(tǒng)在發(fā)生接地故障時則不必要及時切斷電源，從圖1可看到，IT系統(tǒng)由于不具備故障電流返回電源的通路，其故障電流只能通過另兩個非故障相導(dǎo)體對地的電容返回電源，由于容抗甚大，電容電流甚小，對地故障電壓很低，不至于引發(fā)電擊危險，可僅報警而不切斷電源，所以它適用于供電不間斷、要求高的電氣裝置。我國有些企業(yè)故障停電后果非常嚴(yán)重，例如，礦井下因接地故障突然停電，井下瓦斯和地下水無法排除，將危及工人生命；又如鋼鐵企業(yè)如果因接地故障突然停電，將無法供應(yīng)冷卻水，煉鋼的爐體將被燒塌等等，因此類似場所都采用IT系統(tǒng)配電。

在正常環(huán)境條件下，當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生第一次接地故障時，需滿足式(1)的要求。

RAId≤50V

(1)

式中，RA為外露導(dǎo)電部分接地極的接地電阻，Ω；Id為相導(dǎo)體和外露可導(dǎo)電部分間第一次接地故障的故障電流，A。

在正常干燥環(huán)境條件下，IT系統(tǒng)發(fā)生第一次接地故障時，其接觸電壓不超過50V，這時供電回路的防護(hù)電器不切斷電源，但需要裝設(shè)絕緣監(jiān)測裝置來監(jiān)測接地故障，該裝置可發(fā)出聲、光信號報警，應(yīng)在盡量短的時間內(nèi)排除第一次接地故障以維持供電不間斷；如果第一次接地故障未及時排除又發(fā)生第二次接地故障，則按TN或TT系統(tǒng)的方式切斷電源，采取的措施通常通過供電回路斷路器的過流保護(hù)動作切斷電源，同時供電回路上的漏電保護(hù)器RCD動作，按接地故障防護(hù)切斷電源。整個過程在保障供電不間斷的條件下，給予用戶排除故障的時間，提高了供電的可靠性。

2.2 引出中性線的ITN系統(tǒng)

IEC和我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均不建議IT系統(tǒng)引出中性線。GB 50054-2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“《低規(guī)》”)的5.2.22條規(guī)定IT系統(tǒng)不宜配出中性導(dǎo)體。IT系統(tǒng)引出中性線會帶來以下問題：(1)當(dāng)一相發(fā)生接地故障時，另兩相對地電壓將升高至380V，中性線對地電壓將升至220V，人體的直接接觸和間接接觸電壓可高達(dá)380V，電擊死亡率增加；(2)IT系統(tǒng)引出中性線后，電氣設(shè)備的絕緣水平也需要適當(dāng)提高，增加了建設(shè)投資，如TN和TT系統(tǒng)可采用額定電壓為300/500V的電纜，而IT系統(tǒng)則需采用額定電壓為450/750V的電纜。(3)IT系統(tǒng)配出中性線后，發(fā)生第一次故障時，故障電流定位相對困難。介于以上原因，長期以來IT系統(tǒng)的應(yīng)用一直受到限制。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別IT系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，第一故障檢測準(zhǔn)確度和故障定位的精確度大大提高，特別是中性線故障監(jiān)測和定位都非常準(zhǔn)確，甚至可以確定是某個回路的某根電纜。在發(fā)達(dá)國家IT系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，如具有重大政治影響的集會場所和體育場館、大商場、高層建筑的消防電源等。

2.3 引出中性線的ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測及故障定位

絕緣監(jiān)測技術(shù)是ITN系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)測技術(shù)是利用系統(tǒng)本身故障信號，適用于故障前后系統(tǒng)本身電氣信號發(fā)生變化的線路，但是ITN系統(tǒng)中性導(dǎo)體發(fā)生接地故障前后通常不引起系統(tǒng)電氣信號變化，這也是傳統(tǒng)的線路絕緣故障診斷裝置難以監(jiān)測配出中性導(dǎo)體ITN系統(tǒng)絕緣狀況的主要原因。

目前國內(nèi)外ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測技術(shù)大多采用外加注入信號原理，并實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，通過漏電互感器實(shí)現(xiàn)故障線路定位，大大提高了ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的可靠性和安全性。在線式ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置外加注入信號法可分為注入直流電流法(也稱“直流疊加法”)和注入交流電流法(也稱“低頻疊加法”)，是在變壓器中性點(diǎn)和地之間施加一電壓，此電壓產(chǎn)生一小電流，其值與全電氣裝置對地絕緣電阻和所接用電器(具)對地絕緣電阻之和有關(guān)，包括中性線在內(nèi)，當(dāng)某一相發(fā)生單相接地故障時，此電流值就會發(fā)生變化，從而既可以實(shí)現(xiàn)絕緣監(jiān)測，也實(shí)現(xiàn)了中性線導(dǎo)體發(fā)生接地故障的監(jiān)測。下面以直流注入法為例，簡要說明引出中性線ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測及故障定位的原理。

所謂注入直流電流法，是指在IT系統(tǒng)中性點(diǎn)和地之間接入一直流電源，向系統(tǒng)注入直流電流信號，然后利用專用的直流電流測量裝置查找故障線路和故障點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 直流注入法原理圖

根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范和IEC的相關(guān)要求，ITN系統(tǒng)要求每個出線應(yīng)配置漏電流傳感器，用于線路故障診斷和漏電保護(hù)。采用直流疊加方法時，對多個出線回路的故障回路定位原理如圖3所示。

圖3 直流疊加多回路絕緣故障選線原理圖

直流電源經(jīng)電抗器SK和開關(guān)KS接至變壓器中性點(diǎn)，再經(jīng)變壓器三相繞組進(jìn)入電網(wǎng)，最后由電網(wǎng)的對地電容、絕緣電阻入地，與接地電阻構(gòu)成直流電流回路。通過在每一出線回路電纜上設(shè)置漏電流互感器，對各回路絕緣泄漏電流參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，當(dāng)某一回路絕緣值下降時，該回路泄漏電流Imesn將顯著增加，綜合分析直流注入源電壓UZ、總泄漏電流Imes和各回路泄漏電流Imesn關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)各個回路的故障定位功能。三相電路出現(xiàn)絕緣故障時很少出現(xiàn)三相絕緣參數(shù)等值下降，大多數(shù)情況是某一相較其他兩相率先下降，特別是當(dāng)電纜遭遇外力破壞或接頭異常情況，比較典型的是單相接地故障。當(dāng)某一回路出線單相接地故障時，配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)三相電壓向量如圖4所示。

圖4 B相接地故障時三相電壓向量

中性導(dǎo)體對地電壓計(jì)算公式為：

(2)

三根相線對地電壓計(jì)算公式為：

(3)

(4)

(5)

綜上分析，單相接地故障時，接地相對地電壓為零，其他兩相對地電壓為電源線電壓，而中性導(dǎo)體對地電壓等于電源相電壓，相位與接地相反相。由此可知，只要檢測出中性導(dǎo)體對地電壓，就能夠確定故障相。電量測量智能模塊能夠檢測交流電壓、電流和功率等電參數(shù)，在原絕緣監(jiān)測選線電路的基礎(chǔ)上添加電量測量智能模塊，檢測A、B、C、N和地之間的電壓，即可實(shí)現(xiàn)單相絕緣故障的相線診斷。

3 本工程引出中性線的ITN系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

本工程在設(shè)計(jì)過程中電子設(shè)備采用4臺容量為 2 500kVA 的10/0.4kV變壓器，即T1、T2、T3、T4，同時設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。變壓器和發(fā)電機(jī)組低壓供電系統(tǒng)的接地型式采用引出中性線的ITN系統(tǒng)，變壓器和對應(yīng)柴油發(fā)電機(jī)組的中性線不接地，其中T1和T2采用單母線分段接線方式如圖5所示。

T1、T2低壓主進(jìn)斷路器QF1、QF2和母聯(lián)斷路器QF3及油機(jī)進(jìn)線斷路器QF4之間設(shè)電氣聯(lián)鎖關(guān)系，QF1、QF2、QF3只能同時閉合兩個開關(guān)，當(dāng)QF1、QF2同時斷開時，QF4才允許閉合。根據(jù)《低規(guī)》的相關(guān)規(guī)定，QF1～QF4均采用四級斷路器。T3和T4變壓器接線方式相同。T1～T4變壓器低壓母線段各配一套在線式ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，具體接線方式如圖6所示。

圖5 T1、T2變壓器低壓母線段接地示意圖

本工程T1～T4變壓器低壓母線段配置的ITN絕緣監(jiān)測系統(tǒng)采用自動化程度較高的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

如圖7所示，每個變壓器低壓母線配置一個絕緣監(jiān)測信號注入模塊，信號注入模塊將直流或交流小信號注入IT系統(tǒng)中性點(diǎn)，同時檢測參考電阻電壓、泄露電流等參數(shù)，分析計(jì)算絕緣電阻。在出線柜配置絕緣故障診斷模塊，診斷模塊通過零序(泄露)電流傳感器檢測出線電纜狀態(tài)，將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至診斷層控制主機(jī)。測溫模塊監(jiān)測配電柜環(huán)境/濕度，同時監(jiān)測開關(guān)觸頭、電纜接頭的溫度，判斷配電柜內(nèi)開關(guān)設(shè)備的工作條件，進(jìn)行故障診斷。智能開關(guān)模塊使傳統(tǒng)開關(guān)智能化，實(shí)現(xiàn)“遙信”、“遙測”、“遙控”，可實(shí)現(xiàn)絕緣故障回路或電纜的自動切除。控制主機(jī)可以運(yùn)行管理軟件，實(shí)現(xiàn)畫面組態(tài)、設(shè)備操作、網(wǎng)絡(luò)測試、模塊診斷、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、曲線生存、歷史記錄存儲和報表、打印等高級功能，并可通過以太網(wǎng)接口將整個絕緣監(jiān)控系統(tǒng)與其他智能化系統(tǒng)或互聯(lián)網(wǎng)連接。

圖7 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

目前，該工程已投入使用近半年，期間沒有收到故障反饋信息。由T1～T4變壓器引出中性線的ITN系統(tǒng)在絕緣監(jiān)測裝置的監(jiān)測下運(yùn)行穩(wěn)定，負(fù)載側(cè)的電子設(shè)備運(yùn)行正常，滿足了電子設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的技術(shù)要求。該工程目前是一個引出中性線的ITN系統(tǒng)成功案例，為以后引出中性線的ITN系統(tǒng)工程應(yīng)用提供了實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語