IT系統在地下工程柴油發電機中的應用探討

楊 濤

(中國人民解放軍65056部隊, 遼寧 鐵嶺 112000)

0 引 言

在地下工程的設計建設中,通常采用柴油發電機組作為備用電源,用于保障消防狀態下或正常電源中斷后的重要負荷用電。這就要求柴油發電機組供電時具有很高的供電可靠性和連續性,而供電的可靠性與多種因素相關,包括機組本身的可靠性、線路施工質量、配電設施質量等。同時,在國家標準GB/T 16895.1—2008《低壓電氣裝置 第1部分:基本原則、一般特性評估和定義》[1]及國際電工委員會IEC 60364-1:2005的“供電連續性”中指出“系統接地的選擇”是評估裝置在預期壽命期間供電連續性的一項特性。因此,柴油發電系統的功能接地、保護接地應滿足供電可靠性的要求。

1 柴油發電機應用IT系統可行性分析

目前,大部分設計、施工人員都將柴油發電機系統當做單純的備用電源。實際上在一些特殊地下工程中,除少量電熱負荷外,幾乎所有負荷都不得中斷才能保證人員正常工作,當系統出現一般性問題時不允許立即切斷供電。根據國家標準 GB/T 2900.71—2008《電工術語 電氣裝置》[2]和IEC 60050-826:2004,應急供電系統是指用來維持人體和家畜的健康和安全,避免對環境或其他設備造成損失的供電系統。因此,對于地下工程,柴油發電機組實際上兼具應急電源和備用電源的特點。

應急電源要求系統具有更高的供電可靠性和連續性。低壓配電系統的接地型式中,TN系統電源端中性點及外露可導電部分經一點接地;TT系統電源端中性點與外露可導電部分單獨接地;IT系統電源端不接地或通過足夠大的電阻接地,外露可導電部分經一點接地或者單獨接地。3種接地型式均符合IEC和國家標準要求,但其中IT系統發生第一次單相接地故障可不停電的特性是其他兩種系統無法比擬的[3],具有很高的供電可靠性,滿足地下工程供電的需求,特別適合當柴油發電機組兼具備用電源和應急電源特性的場合。另外,國內也有不少專家對柴油機發電系統的接地進行研究探討[4-5],IEC 60364-5-56:2008及GB 16895.33—2017中建議在應急電源供電系統中采用IT系統[6]。綜上所述,為了進一步提高供電的可靠性和連續性,在地下工程中柴油發電機組應用IT系統是很有必要的。

2 柴油發電機組應用IT系統的幾種主接線形式

我國在地下工程中常用電源的接地型式為TN-S系統,作為應急備用電源的柴油發電機組,其供電范圍也不相同,有的系統中柴油發電機組只為消防負荷及部分重要負荷供電,有的系統中則為全部負荷供電。下面針對這兩種情況進行探討。

2.1 柴油發電機組供部分負荷

柴油發電機組供部分負荷主接線1(不配出中性導體)如圖1所示。常用市電電源主變壓器采用TN-S系統,在變電所內單點接地;柴油發電機組采用IT系統且不配出中性導體。設置兩段母線供電,Ⅰ段母線中接正常負荷,這些負荷不在柴油發電機組的供電范圍,Ⅱ段母線接消防負荷以及非消防但需持續供電的其他重要負荷。Ⅱ段母線由Ⅰ段母線和柴油發電機組通過自動轉換開關(ATS)進行供電。由于不配出中性導體,ATS選用三極開關即可。在柴油發電機組供電時需采用絕緣監測裝置(IMD)對系統絕緣狀況進行監視,IMD裝設的位置應在柴油發電機組出線端。Ⅱ段母線中的消防動力設備和非消防重要動力設備可不依賴N線運行,但為了給消防照明及重要單相負荷等供電,需要裝設專門的380/220 V降壓隔離變壓器。當系統轉換至柴油發電機組供電時,Ⅱ段母線變為不配出中性導體IT系統。

圖1 柴油發電機組供部分負荷主接線1(不配出中性導體)

柴油發電機組供部分負荷主接線2(配出中性導體)如圖2所示。這種接線方式下,Ⅰ段母線工作方式相同,仍為TN-S系統,但Ⅱ段母線中由于柴油發電機組供電時配出中性導體,因此ATS應選用四極開關。配出中性導體后,Ⅱ段母線中的照明等單相負荷無需再通過隔離變壓器進行專門供電。同時Ⅱ段母線的各支路也應采用可斷開中性線的4極開關進行保護,這樣做的目的是當中性線出現接地時可以斷開故障支路保持系統持續運行。

圖2 柴油發電機組供部分負荷主接線2(配出中性導體)

2.2 柴油發電機組供全部負荷

有的地下工程中,當市電停電后還需要繼續保持正常運行,并且需要為大部分負荷進行供電,此時由柴油發電機組供電的負荷為一、二級負荷,不應隨便切斷供電,而是需要盡量保持供電的連續性,因此采用配出中性導體的IT系統是最理想的選擇。

柴油發電機組供全部負荷主接線(配出中性導體)如圖3所示。10 kV市電經變壓器降壓后與柴油發電機組通過ATS為整個系統供電,ATS選用4極開關。采用柴油發電機組供電時,系統接地型式為配出中性導體IT系統,系統內的各個支路采用4極開關進行保護,單相負荷也直接從系統引接N線而無需使用專門的降壓變壓器。在這種供電方式下,非重要負荷裝設失壓脫扣裝置,在系統電源轉換時自動切除,切換完成后系統中負荷均為柴油發電機組供電。

圖3 柴油發電機組供全部負荷主接線(配出中性導體)

3 兩種接地型式兼容后的故障保護方式

在進行電源切換前,系統按照TN-S接地型式運行,保護方式也與TN-S系統一致。當常用電源停電或出現消防狀態后,切換到柴油發電機組供電時,系統接地型式變為IT系統,此時應遵循IT系統的保護原則。IT系統中的相間短路保護、過電壓保護、過負荷保護與其他系統基本一致,本文僅對單相接地故障的保護進行探討。

3.1 第一次接地故障

根據標準GB 50054—2011《低壓配電設計規范》[7],IT系統發生第一次單相接地故障后,應由IMD發出報警信號,但無需直接切斷故障回路,可繼續保持運行一段時間,在繼續運行的時間內要盡快找出并排除故障。

IMD是IT系統中必不可少的一個裝置,能及時發現系統出現的第一次單相接地故障(包括中性導體接地故障),并發出報警信號。為了防止再次出現接地故障后系統保護裝置動作,工作人員應在最短時間內排除故障,因此兼具選線、選相功能的IMD在實際運行中能夠提供更多信息,大大縮短系統恢復時間。

除IMD外,為了保證IT系統發生第一次單相接地故障后能繼續保持運行,應設置剩余電流動作保護器(RCD)來進行保護。因為IT系統故障后持續運行的前提條件是故障電流滿足RAId≤50 V的要求,其中RA為外露可導電部分的接地電阻和保護導體電阻之和,該值在系統沒有出現其他意外情況下基本保持不變;Id為相導體與外露可導電部分之間出現第一次阻抗可以忽略的故障時的電流,且要考慮泄漏電流和電氣裝置總對地阻抗。第一次單相接地故障電流示意圖如圖4所示。Id是相導體出現第一次單相金屬性接地(Rf=0)時故障回路出現的最大剩余電流值,當故障不在中性導體上時,Id=U/(Rf+Z3∥Z2)+UN/(Rf+ZN),其值主要包括泄漏電流和電氣裝置總對地阻抗,不足以引起過電流動作保護。在實際應用過程中Id值應通過現場模擬故障進行整定,并作為整定RCD動作電流的依據,因為Id過大,系統不在滿足安全運行的條件,必須切斷故障回路的供電。

圖4 第一次單相接地故障電流示意圖

3.2 第二次接地故障

當IT系統內出現第一次單相接地故障后,在故障沒有排除前再次出現接地故障有兩種情形,一是故障發生在同一相導體上,二是故障發生在不同相導體上。

第二次接地故障發生在不同相導體上時,根據GB 50054—2011《低壓配電設計規范》[7],保護方式應根據系統中外露可導電部分的接地方式確定,當外露可導電部分為共同接地,故障回路的切斷應符合TN系統自動切斷電源的要求,當外露可導電部分單獨或成組地接地,故障回路的切斷應符合TT系統自動切斷電源的要求。系統切換前運行在TN-S下,因此發生第二次接地故障時應按照TN系統的保護原則進行切斷故障回路,同時還應有過電流保護電器或RCD切斷故障回路。不同相導體故障電流示意圖如圖5所示。發生第二次單相接地故障后,故障回路承受的電壓為線電壓或者相電壓,其他相導體對地泄漏電流相比故障電流較小,可忽略不計,則故障電流If1=If2=U/(Rf1+Rf2)。當接地電阻較小時,故障電流較大,可由過流保護電器切斷故障回路;當接地電阻較大時,故障電流不足以使過電流保護器動作,應通過RCD切斷電源。

圖5 不同相導體故障電流示意圖

當前后兩次故障發生在不同回路,且回路截面積相差較大時,故障電流可能不會使兩個回路的過流保護器同時動作,但是小截面的回路過流保護器整定值較小,應首先動作切斷該回路。此時即使大截面回路沒有被切斷,系統回到第一次發生接地故障的狀態,仍可保持運行,只需要進行兩處接地故障的排除。

第二次接地故障發生在相同相導體示意圖如圖6所示,即使2次故障均為金屬性接地,其故障電流值也仍不足以使過電流保護器動作,必須通過RCD來進行保護,動作電流的整定基本與第一次接地故障保護一致。

圖6 第二次接地故障發生在相同相導體示意圖

4 應用IT系統過程中應注意事項

柴油發電機組使用IT系統供電時除了要進一步確保安全、可靠,還需注意以下事項。

(1) IMD要工作穩定、性能優良,必須要具備中性導體接地故障報警能力,最好能夠具備選線選相等故障定位功能,幫助盡快排除第一次接地故障。

(2) 采用配出中性導體IT系統時,支路開關應采用4極開關,確保發生中性導體接地故障后也能將故障回路切除,以免擴大影響范圍。

(3) IT系統每條支路都應裝設RCD進行保護,用于切除接地電阻較大,不足以引起過電流保護器動作或者剩余電流較大預期接觸電壓過高的回路。

(4) 新系統構建以及在平時使用維護過程中要注意測量各回路正常工作時的泄漏電流值,確保系統滿足RAId≤50 V的要求,否則即便發生第一次單相接地故障系統也不能持續運行。

(5) 做好局部等電位聯結,確保人員在操作設備時安全。

(6) 柴油機組發電與市電切換過程中使用4極開關,因此需要特別注意該開關的通斷性能,并要進行定期檢查測試,防止中性導體切換到市電TN-S系統時不能正確接地。

(7) IT系統發生單相接地故障后,相導體對地電壓最大幅值可能上升至380 V,對系統內設備及線路耐壓有一定影響,在設計時應予以考慮。

5 結 語

地下工程中的柴油發電機組作為備用電源,兼具應急電源特性,其能否正常運行影響極大。IT系統具有發生單相接地故障時滿足條件可持續運行的特點,應用到地下工程柴油發電機組中可提高系統供電的可靠性和穩定性。本文對柴油發電機組應用IT系統的幾種場景的主接線方式進行了探討,并分析了兩種接地型式兼容后的故障保護方式變化,可供電氣設計人員參考。