再論IT系統(tǒng)中性導體問題

文│ 解放軍理工大學工程兵工程學院 王 巍 王金全 楊 濤

1 引言

隨著我國低壓供配電系統(tǒng)的發(fā)展，很多建筑電氣行業(yè)的設計、施工人員逐漸認識到了片面強調減小TN系統(tǒng)中性點接地電阻阻值并不意味著絕對安全，電源中性點浮空的IT系統(tǒng)開始得到認可，國內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IT系統(tǒng)的應用仍然過少，且尚存很多亟待解決的問題，特別是關于IT系統(tǒng)中性導體的疑慮，還是集中在為什么過去普遍認為IT系統(tǒng)中性導體上的絕緣損壞無法監(jiān)測，以及IEC標準為什么強烈建議IT系統(tǒng)不配出中性導體。筆者曾撰寫《IT系統(tǒng)配出中性導體問題簡析》（以下簡稱《簡析》）一文發(fā)表在《建筑電氣》雜志上，對上述兩個問題進行了一些簡單探討，本文則對這兩個問題做進一步的說明并補充《簡析》一文的部分觀點。

2 IT系統(tǒng)中性導體絕緣監(jiān)測問題

在低壓IT系統(tǒng)中，絕緣監(jiān)測裝置（insulation monitoring device，IMD）所 監(jiān)測的對象不僅是線纜上的絕緣劣化、損壞，還應包括電氣設備的絕緣損壞和設備的碰外殼接地，甚至某些時候還要對人身觸碰帶電體造成的接地有所反應。可以認為，IMD在IT系統(tǒng)中發(fā)揮的作用實際上是對系統(tǒng)內任意處的第一次接地故障實現(xiàn)預警。

IT系統(tǒng)中性導體上的絕緣損壞不能被監(jiān)測的說法，在低壓供配電的發(fā)展過程中是有其實踐基礎的。《簡析》一文中提到的基于注入信號的絕緣監(jiān)測方法并非近幾年才有，比如繼電保護中常用的零序電壓和疊加電源構成發(fā)電機100%定子繞組單相接地保護，就是這種監(jiān)測手段的早期體現(xiàn)[1]。至于這一手段為何長期沒有在IT系統(tǒng)線纜絕緣監(jiān)測中得到應用，導致設計施工人員普遍認為IMD無法對IT系統(tǒng)中性導體上的接地故障正常預警，使IT系統(tǒng)中性導體問題懸而未決，筆者揣測，是源于舊有的一些絕緣監(jiān)測技術的局限性。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)測裝置1

在三根相導體上裝設一臺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。正常運行時，電網(wǎng)三相對地電壓對稱，各相對地電壓等于相電壓，也沒有零序電壓，當有一相接地時，該相對地電壓為零，另兩相電壓升為380V，通過電壓表檢測數(shù)值即可判斷出接地故障相。在故障時出現(xiàn)零序電壓U0，電壓繼電器接通信號電源可提供報警，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。這種方式確實無法監(jiān)測N相上的接地，中性導體未發(fā)生接地故障時，如果三相負載平衡，中性導體對地電壓應該為0V，中性導體發(fā)生接地后對地電壓被鉗制到0V，前后沒有改變，監(jiān)測線纜上電壓變化的方法達不到報警的效果。

20世紀我國曾提出一種380V、660V絕緣系統(tǒng)漏電保護器，綜合采用了國家“七五”期間一項科技攻關成果“帶人為旁路接地檢漏繼電器”和一些新型元器件，對中性點不接地運行的低壓電網(wǎng)進行監(jiān)測[2]，其工作原理如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置2

這種方法的思路是人為構造一個較大的接地電流，改變IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時不存在短路電流（或短路電流極小，僅是為兩非故障相對地電容電流的相量和）的特性。其裝置由一個選線電阻R0（一般380V時為76Ω左右，660V時為120Ω左右）、一個接觸器和若干電流檢測元件（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)正常運行時接觸器斷開，中性點不接地，如需檢測絕緣故障，則閉合接觸器使中性點經R0接地，若此時第n路出線C相接地，則會有一個3A左右的故障電流流過該路互感器CT，即可通過該CT感應出電壓，發(fā)出報警信號。但這種裝置仍然無法對中性導體的接地進行監(jiān)測，因為當中性導體發(fā)生接地時，雖然通過大地也構成了故障回路，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比。具體原因如圖3所示。

圖3 第二種絕緣監(jiān)測裝置無法反映中性導體絕緣損壞的原理

早期IT系統(tǒng)所用的絕大部分絕緣監(jiān)測裝置是根據(jù)圖1的原理構造的，這種做法相對簡便易行，僅靠硬件即可實現(xiàn)，不需要復雜的檢測設備和算法，但檢測精度不夠，某些時候非金屬性接地時相對地電壓下降不明顯，而個別用燈泡指示的做法又過度依靠人的感官，很難實現(xiàn)準確監(jiān)測，且無法對中性導體進行監(jiān)測。但這種方法直到今天還是有現(xiàn)實意義的，因為該方法可明確指示出到底是哪一相發(fā)生了故障。對于發(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，因為三相是固化在一條電纜中的，挖開電纜溝排查故障或撤換電纜時，即使知道了故障相也不會減少工作量，但實際現(xiàn)場中絕緣下降很有可能發(fā)生在出線柜內的母排等三相分設的環(huán)節(jié)，例如母排過流發(fā)熱導致復合絕緣的外層熱縮套管劣化等，這時IMD能夠指示到具體哪一相，就會方便故障排查。

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，實現(xiàn)的不僅是絕緣監(jiān)測，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，一套完善的IMD可以該做到：絕緣監(jiān)測報警、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（工控機或基于單片機的處理顯示裝置），環(huán)節(jié)2為注入信號源、采樣電阻和電壓表集成的一體機，環(huán)節(jié)3為IMD投切開關，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)場總線結構連接到環(huán)節(jié)1，在上位機綜合顯示檢測結果。圖中所示的故障電流回路為第n路出線的中性導體發(fā)生接地故障時的電流走向。裝置工作具體方法如下：

（1）絕緣故障報警和定位故障回路。絕緣故障報警可通過兩種途徑實現(xiàn)，一是檢測采樣電阻R的端電壓，端電壓突然上升則說明某處接地導致了故障電流的產生，流經R時產生了電壓從而判定系統(tǒng)絕緣故障；二是檢測每一路出線上的電流互感器CT是否感應出故障電壓，當某一路CT對應的出線發(fā)生接地時，故障電流流經該CT，即可感應出故障電壓從而判定該路故障，原理與剩余電流保護的檢測類似。相比第一種，第二種途徑能夠更進一步指示出故障回路，但第一種無需大量裝設互感器，如果只需對整個系統(tǒng)報警的話，第一種途徑經濟性相對較好。

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

需要對這種裝置進一步說明的有以下幾點：

（1）IMD最好做成時間離散的巡檢模式，即每隔一個很小的固定時間（3分鐘或5分鐘）投入檢測一次，檢查無故障后即行退出，也就是圖4中的開關3應處于常開狀態(tài)，每次投入時再閉合。這樣做有兩項好處，一是注入信號源時無論信號幅值多大，畢竟人為抬高了中性點對地電位，造成了三相對地電壓不平衡，對系統(tǒng)整體絕緣不利，采用離散的檢測可有效降低不平衡的時間；二是IT系統(tǒng)需要較好的對地絕緣，注入信號源和電壓表均有內阻，這些設備內阻相當于并聯(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。對于IMD來說，三個電壓表并聯(lián)后的內阻阻值很可能已經低于絕緣損壞的報警閾值導致IMD誤報；對于整個系統(tǒng)來說，三個電壓表加上一個電源內阻并聯(lián)接入系統(tǒng)后，當系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障電流必然大于完全浮空的IT系統(tǒng)單相接地時微小的電容電流，很可能燒壞注入電源設備，也有可能對人體觸碰造成威脅，甚至觸發(fā)過流保護動作。系統(tǒng)做成離散的巡檢模式后，發(fā)生這種危險的幾率就大為降低了。如果為了更進一步防止IMD誤報，還可以先閉合注入信號的開關，判斷出絕緣故障回路后，再斷開注入信號的開關并閉合三個電壓表的開關，把選線和定相拆分成兩個步驟。

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

（3）注入信號源和電壓表應盡可能選取內阻大的，最好是兆歐級以上的產品，防止裝置投入后浮空的IT系統(tǒng)變?yōu)榻洿箅娮杞拥貙е碌慕^緣水平大幅下降。

我國國內尚未有這類針對低壓IT系統(tǒng)的綜合性產品的報道，施耐德曾推出過可用于IT系統(tǒng)的固定式XM100和移動式GR10X兩種尋找故障的裝置，方法與圖4中的注入信號加CT檢測的模式基本類似，但無法指示到故障相，價格也很昂貴。事實上這種技術在實施上并沒有太大的難點，成本也不高，不僅能對配出中性導體的IT系統(tǒng)做出全面監(jiān)測，也可以對普通的中性點不接地進行監(jiān)測，是一種較好的手段。希望國內盡快有該類產品問世，全面提高IT系統(tǒng)的建設水平。

3 IEC標準對于IT系統(tǒng)中性導體問題的說明

IEC 60364-4-473標準不建議IT系統(tǒng)配出中性導體，但并未解釋具體原因。國內普遍認為是中性導體上的絕緣損壞不能被監(jiān)測，但《簡析》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曾對中性導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IT系統(tǒng)中性導體接地時，確實會轉變成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安全的優(yōu)勢，也正因如此，IT系統(tǒng)才必須裝設IMD應對該類情況的發(fā)生。但IEC 1200-413還做了以下幾點論述：

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)不配出中性導體的兩點初衷，一是擔心中性導體的截面積小，載流量有限，同一設備內發(fā)生兩次故障時會在中性導體上發(fā)生過流；二是擔心設備存在過壓。這兩種說法令人費解：如果擔心中性導體載流量不夠，適當增大截面積甚至采用與三條相導體相同的截面積完全可以實現(xiàn)，且花費有限，較之加裝降壓變壓器帶單相負載的方法，還是有很高的經濟性。而設備的過壓無論是產生原因，還是防范手段，筆者認為與IT系統(tǒng)是否配出中性導體沒有太大關系，比如突然甩負荷造成的操作過壓，無論IT系統(tǒng)還是TN、TT系統(tǒng)都同樣存在，并不會因為多出一條中性導體導致過壓保護更加困難。

IEC 1200-413在論述中還提到很關鍵 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不配出中性導體，會使過流保護和故障定位更容易。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，且不會因為配出中性導體而受到影響，這種顧慮似已不再必要。至于過流問題，保護整定的計算確實會受到中性導體配出的影響，我國多數(shù)涉及到IT系統(tǒng)保護的標準規(guī)范中一般都沿襲了IEC標準，分別列寫了不配出中性導體和配出中性導體兩種條件下的過流保護動作要求，雖然表達方式和參數(shù)定義都不盡相同，但計算公式的含義是一致的，如《民用建筑電氣設計規(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，應由過電流保護電器或剩余電流動作保護器切斷故障電路，并符合下列要求：

（1）當IT系統(tǒng)不引出N導體，且線路標稱電壓為220/380V時，保護電器應在0.4s內切斷故障回路，并符合下式要求：

（2）當IT系統(tǒng)引出N導體，且線路標稱電壓為220/380V時，保護電器應在0.8s內切斷故障回路，并符合下式要求：

公式（1）、（2）中 ：

Ia保護電器在規(guī)定時間內切斷故障回路的動作電流（A）；

U0相導體與中性導體之間的標稱交流電壓（V）。

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

4 結束語

雖然當下斷言IT系統(tǒng)能夠配出中性導體的理由還并不充分，但在現(xiàn)有的電氣檢測、保護設備的設計理念和技術條件下，確實已經可以解答和解決部分問題。IT系統(tǒng)如果能夠配出中性導體，在低壓配電領域的發(fā)展前景還是相當可觀的，該系統(tǒng)安全可靠、施工便捷的優(yōu)點也使其確實值得推廣。希望這一問題能夠得到業(yè)內的關注，通過廣泛的討論乃至小范圍的工程實踐，為IT系統(tǒng)的中性導體問題尋找更多的答案。

1 張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護[M].中國電力出版社，2005

2 蘇云峰.380、660V絕緣系統(tǒng)漏電保護器[J].煤礦機電，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民用建筑電氣設計規(guī)范.中國建筑東北設計研究院