低壓岸電ITN系統關鍵技術及應用保障

吳振飛，許 江，張健鵬，張群峰，王傳斌

應用研究

低壓岸電ITN系統關鍵技術及應用保障

吳振飛1，許 江2，張健鵬1，張群峰1，王傳斌1

（1.江蘇鎮安電力設備有限公司，江蘇 鎮江 212028， 2. 江蘇鎮江建設集團有限公司，江蘇 鎮江 212028）

介紹了常規岸電技術供船舶負荷的應用存在的問題，對系統接地型式、絕緣監測技術發展、信號源注入方法等方面進行理論分析，通過對ITN系統關鍵技術研發驗證，建議岸電行業規范采用系統接地型式。

系統接地 ITN系統 中性導體（N） 岸電 絕緣監測 直流注入法 交流注入法

0 引言

船舶電力系統采用IT系統向船舶負荷用電，文獻[1]5.5.2b)條款、文獻[2]4.3.8條款和文獻[3]4.3.3條款分別規定：“船舶岸電系統輸出側接地宜采用IT方式，也可采用經過隔離變壓器的TN-S方式”，但文獻[4]明文規定岸電系統電源接地型式應采用IT方式，軍民兩類標準存在嚴重的接地型式差異，經過隔離變壓器的TN-S方式對于岸電負載來說提供的還是直接接地方式，與前述的宜采用IT方式相左，實際上對于岸電的供電電源應提供不接地IT方式還是接地TN方式一直是應討論和統一規范使用的關鍵問題？文獻[5]通篇都將岸電管理范圍界定于“油氣化工碼頭除外”，其中主要一個因素則是TN接地型式供給岸電系統時一旦發生單相接地故障會形成電火花造成碼頭區域事故擴大，而IT不接地型式發生單相接地故障時因與大地未形成回路，不會產生電火花，形成了此接地型式的一大安全可靠獨有優勢。低壓岸電系統已大規模建設推廣，但使用則存在無法忽視的安全隱患，接地型式的正確選取對于低壓岸電標準的完善和規范化應用都值得業內高度重視。

1 船、岸電常規接地型式差異推動了ITN系統的技術發展

1.1 船舶電站和低壓岸電應用現狀

船舶電站低壓電源采用IT系統，發生單相接地故障時，故障電流通過非故障相對地電容返回電源，其值很小僅為非故障相對地電容電流的向量和，裝設的絕緣監視裝置自動監測系統絕緣水平及時報警，按照電力規程系統可帶故障繼續運行2 h，不必切斷電源側斷路器，避免因斷路器跳閘而導致大面積停電。船舶對低壓岸電的要求是交流380 V電源，不帶中性線。但碼頭上有裝卸機械、路燈、庫房、浴廁、值班室、維修等設施設備用電需要單相交流220 V電源。TN系統可限制中性點電位漂移，方便引出220/380 V同時給三相、單相負載供電。目前我國大多數碼頭供岸電低壓接地型式采用TN系統, 船載絕緣監測儀不能監測TN系統和TT系統的絕緣而必須解除，岸電TN系統供船電則帶來安全隱患，引發一些不明原因的電氣事故和設備絕緣擊穿現象。

1.2 TN系統與IT系統的保護差異

文獻[6]詳細描述了IT系統和TN系統供船舶使用岸電的安全性能比較，以及對岸電系統發生單相接地故障時所采取的保護方式不同而形成了低壓岸電推廣應用的瓶頸，在此簡略敘述一下兩種接地型式供給岸電系統的差異便于岸電合理應用。TN系統發生單相接地故障時采用三相電流不平衡電氣矢量和不為零，出現零序電流觸發斷路器動作的“漏電保護原理”來切斷電源進行負載和線路保護，但對于供電連續性則得不到保障會影響岸電正常使用。IT系統發生單相接地故障時因與大地未形成回路，僅產生微小的接地泄漏電流，系統采用監測絕緣電阻的下降變化進行聲光報警，其系統絕緣監測器動作原理如圖1所示，故IT系統較TN系統更優于應用到岸電領域中。

圖1 IT系統絕緣監測器動作原理圖

1.3 TN系統向船供電實則是TT系統

岸電采用TN系統給船舶供電時，岸電變壓器中性點直接接地，船舶用電設備由船體、海水與大地連接構成保護接地，電源中性點系統接地和負載端保護接地相互間沒有電氣聯系，實則是TT系統，見圖2。TT系統供電正常情況下，船舶用電設備外殼與供電線路間的對地絕緣將承受交流220 V，埋下了電擊、電氣火災、設備絕緣擊穿等等安全隱患，因TN系統設計未按照TT系統必備要求配置剩余電流動作保護器RCD來切斷幅值小的接地故障電流，所引發事故的原因往往很難查清。

圖2 岸電TN系統給船舶供電實際是TT系統

1.4 10 kV小電阻接地系統故障隱患

圖3 10 kV經小電阻接地引起暫時工頻過電壓

1.5 岸電ITN系統技術由來

傳統IT系統無法為碼頭附屬設施直接提供單相電源，為保證船舶和碼頭附屬設施同時供電就必須設置IT和TN兩套系統。但船舶離開后的IT系統長期閑置受惡劣鹽霧環境勢必影響電氣壽命，鑒于以上技術分析，TN系統供船電使用存在諸多安全隱患。采用配出中性導體的IT系統，既能滿足船舶電力系統不接地的要求，又能為港區附屬設施供電，特別是可以直接為單相負載提供電源，而不必增設專用的單相變壓器或單獨建設IT系統，但傳統的絕緣監測裝置無法監測中性導體(N)接地故障，ITN系統技術的可靠支撐依賴于中性導體(N)接地故障監測。

2 ITN接地型式關鍵技術

2.1 中性導體（N）對地故障檢測

2.1.1 中性導體接地故障檢測存在的問題

2.1.2直流注入法檢測中性導體接地故障

圖4 配出中性導體IT系統直流注入法絕緣監測動作原理圖

如圖4所示，從系統的中性點注入一個直流信號，該直流信號的獲取可通過本系統內取得，也可取自外電，如不間斷電源等。注入的直流信號沿中性導體對地絕緣電阻N和外露可導電部分接地電阻A，仍可構成閉合回路，當N變小時，中性導體上的直流電流I迅速增大，導致直流電流=劇增，采樣電阻上的電壓降超過預先設定值時，監測裝置同樣有反應，也就是說，配出中性導體后，IT系統的絕緣監測裝置仍然能夠正確反映系統的絕緣水平，中性導體的絕緣也可以正常監測[11]。利用這種外加信號的故障檢測方法確實可以解決中性導體上絕緣監測的問題。事實上，注入系統中性點的不僅可以是直流信號，還可以是交流信號；檢測對地絕緣電阻阻值的方法不僅可以通過裝置中的采樣電阻，也可以在線路中加裝各種形式的高精度電流互感器檢測線路流過的故障電流，通過計算獲取阻值；注入的信號不僅可用于絕緣損壞的報警，還可配合電流互感器對接地故障進行定位。

圖5 配出中性導體IT系統直流源絕緣監測界面顯示

2.1.3 交流注入法檢測中性導體接地故障

在變壓器的中性點處注入一個特定頻率的低頻交流信號，假設1、2、3、4和1、2、3、4分別為三相及N對地的等效絕緣電阻和分布電容，在系統絕緣下降之前，1、2、3、4遠大于負載電阻，所注入源的電流對絕緣電阻的影響非常微弱。其原理如圖6所示。

圖6 配出中性導體IT系統交流注入法絕緣監測原理圖

低頻交流注入源單獨作用于系統時，等效原理圖如圖7所示，其中R為限流電阻，，分別為供電系統三相和N對地絕緣電阻和分布電容的并聯值，對供電系統進行在線絕緣監測時，將對電路中的A，B，C三點的電壓進行取樣，分別為A，B,C。

圖7 配出中性導體IT系統交流注入法等效電路圖

C點和A點的電壓差除以0，就可以得到回路中的電流。

B點和C點的電壓差除以回路中的電流，就可以得到R和C并聯的阻抗。

最后根據R，C并聯的公式就可以解出R和C的值[12]。其中θ為R和C并聯阻抗的相位角。f為注入源信號的頻率。

式(3)計算的是三相和N對地絕緣電阻的并聯值=1//2//3//4。由式(2)可以看出，當限流電阻0一定時，等效回路中與注入電壓成正比，注入信號越大，越大，由此可以看出降低限流電阻阻值，增大注入電流，可提高絕緣電阻測量精度，在注入信號電壓與限流電阻值選定的情況下，分布電容測量值與注入信號頻率成反比，通過降低注入信號的頻率，提高分布電容測量范圍。

圖8 配出中性導體IT系統交流注入法絕緣監測人機界面顯示

圖9 配出中性導體IT系統交流絕緣監測模塊

2.2 多電纜并聯回路絕緣故障檢測

在多電纜并聯回路中，絕緣監測系統檢測到此回路的接地故障，但是如何精準判定接地故障發生在哪一根電纜、在哪一段？猶如解決絕緣監測技術最后一公里難題，可大大提升絕緣監測整體技術水平。絕緣監測裝置的作用是對系統電壓、電流以及絕緣電阻進行監測，在每一段并聯電纜中的每根電纜前端和末端分別套一個傳感器，用每一根電纜前端傳感器信號電壓反饋值與電纜末端的傳感器反饋值作差運算，通過差值的變化量來判斷故障電纜。當某根電纜出現絕緣或接地故障時，電纜首端傳感器信號電壓反饋值較無故障時增大，電纜末端傳感器信號電壓反饋值較無故障時減小，兩者差值較無故障時有明顯增大的變化量，隨著故障接地電阻值的增大，兩者傳感器的差值成減小變化的趨勢[13～15]。

圖10 基于現場總線結構的多電纜并聯回路絕緣監控系統方案

工廠實驗具體經過如下：在岸電箱1與岸電箱2之間的并聯電纜段，分別在1號電纜中間段和末端、2號電纜首端、3號電纜末端設置故障，分為：1）直接接地、2）經1 K電阻接地、3）經5 K電阻接地、4）經10 K電阻接地。分別記錄每根電纜收尾傳感器反饋值。

表1 1號電纜中間段接故障試驗情況

通過以上實驗數據得出電纜故障前后的首尾傳感器反饋值差值變化明顯，但隨接地電阻值增大，差值變化趨勢減小，然而并不影響對故障電纜的判斷。

表2 2號電纜后段接故障試驗情況

表3 3號電纜首端接故障試驗情況

表4 3號電纜末端接故障試驗情況

3 ITN系統應用技術保障

3.1 線纜和絕緣監測裝置的選用

對IT系統而言，發生一相接地后另兩相對地電壓將升高為線電壓380 V。因此在進行線纜選擇時，應注意IT系統須采用額定電壓為450/750 V以上的四芯或五芯電纜，筆者建議不論采用何種接地型式，低壓電纜額定電壓均選用0.6/1 kV，同理電氣設備的絕緣水平和體積也應相應提高和增大以策安全。ITN系統因輸出中性線，傳統的絕緣監測裝置因缺乏對N線，故應選用三相四線制絕緣監測裝置。

3.2 RCD漏電保護的備用設計

發生一相接地后，ITN系統根據應用工況轉變為TN系統或TT系統，故障相則變成了PE線，中性線電壓升高則變成了相線，會帶來人誤碰到中性線則產生觸電事故，此時若故障未解除發生第二次接地故障則絕緣監測裝置已不起監測和告警作用，故在ITN系統設計中應考慮配置RCD漏電流保護器后備保護，已滿足系統第二次接地故障時按照TN系統、TT系統接地保護標準[16]。

4 結論

通過對岸電低壓供電接地型式差異、中性導體絕緣監測技術等問題分析闡述，規范低壓岸電行業推廣應用，建議業內完善岸電相關標準和管理使用辦法，充分考慮ITN系統安全可靠的新型接地型式，在技術標準層面規范引導我國岸電事業發展，促進實現低碳建港、為“2030年碳達峰、2060年碳中和”國家戰略提供有力支撐。

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Key technology and application support of low-voltage shore power ITNsystem

Wu Zhenfei1, Xu Jiang2, Zhang Jianpeng1, Zhang Qunfeng1, Wang Chuanbin1

（1.Jiangsu Zhen’an electric power equipment Co., Ltd Zhenjiang 212028, Jiangsu, China; 2.Jiangsu Zhenjiang Construction Group Co., Ltd, Zhenjiang 212028, Jiangsu, China）

This paper introduces the problems existing in the application of conventional shore power technology for ship load, and makes the theoretical analysis of the system grounding type, insulation monitoring technology development, signal source injection method, etc. Through the development and verification of the key technology of IT system, it is suggested to adopt the system grounding type.

system earthing; ITsystem; neutral conductor(n); shore power;insulation monitoring;dc injection method; ac injection method.

TM762

A

1003-4862（2022）11-0001-05

2022-05-18

江蘇省科技成果轉化專項資金項目(BA2013130)

吳振飛（1976-），男，工學學士，高級工程師，主要從事電氣產品研發設計工作。E-mail: wzf133@sina.com