ITN系统工程应用

2019-08-19钱红艳孙俊德李龙刚

智能建筑电气技术 2019年3期

钱红艳，孙俊德，李洁，李龙刚

(北京特种工程设计研究院，北京 100028)

1 工程概况

某机房大多数是电子、驱动、控制等用电设备，负荷等级为一级,其中重要电子设备，电压等级380V，安装容量总计4 450kW。本工程设计采用10kV市电电源供电，设10/0.4kV变压器,变为380V后向电子设备供电，同时设380V应急柴油发电机组作为备用电源。电子设备按供电单元设置，共计26个供电单元，每个单元一路供电回路,共计26个供电回路。根据电子设备工作模式，供电单元必须96h采用连续运行，最大工况为24个供电单元同时运行，其余2个供电单元处于热备份，期间没有停机模式。在电子设备研制部门和使用部门的相关规定和技术要求中，电子设备供电连续性是一个非常重要的技术要求。由于电子设备用电量较大且供电回路较多，为满足电子设备供电连续性，本工程设计低压供电系统接地型式采用IT系统(IT系统供电连续性上的优点是TN和TT系统无法比拟的)。

电子设备供电单元的控制电源是交流220V，传统IT系统做法是设置变压器产生交流220V，但电子设备的工艺要求不允许加装变压器，要求直接提供交流220V电源，即只有引出中性线的IT系统才能满足本建筑物雷达电子设备的供电连续性的技术要求。根据电子设备的这一特殊要求，本工程设计采用引出中性线的IT系统，即ITN系统。

2 引出中性线的ITN系统

2.1 ITN系统的基本特点

众所周知，低压供电系统接地形式分为TN、TT和IT三种系统。IT系统的电源中性点是不接地或经高阻抗接地的，电气装置的外露可导电部分通过保护接地线与接地极连接，如图1所示。

图1 IT系统故障电流走向示意图

TN、TT系统发生接地故障时可及时切断电源防止电击，而IT系统在发生接地故障时则不必要及时切断电源，从图1可看到，IT系统由于不具备故障电流返回电源的通路，其故障电流只能通过另两个非故障相导体对地的电容返回电源，由于容抗甚大，电容电流甚小，对地故障电压很低，不至于引发电击危险，可仅报警而不切断电源，所以它适用于供电不间断、要求高的电气装置。我国有些企业故障停电后果非常严重，例如，矿井下因接地故障突然停电，井下瓦斯和地下水无法排除，将危及工人生命；又如钢铁企业如果因接地故障突然停电，将无法供应冷却水，炼钢的炉体将被烧塌等等，因此类似场所都采用IT系统配电。

在正常环境条件下，当IT系统发生第一次接地故障时，需满足式(1)的要求。

RAId≤50V

(1)

式中，RA为外露导电部分接地极的接地电阻，Ω；Id为相导体和外露可导电部分间第一次接地故障的故障电流，A。

在正常干燥环境条件下，IT系统发生第一次接地故障时，其接触电压不超过50V，这时供电回路的防护电器不切断电源，但需要装设绝缘监测装置来监测接地故障，该装置可发出声、光信号报警，应在尽量短的时间内排除第一次接地故障以维持供电不间断；如果第一次接地故障未及时排除又发生第二次接地故障，则按TN或TT系统的方式切断电源，采取的措施通常通过供电回路断路器的过流保护动作切断电源，同时供电回路上的漏电保护器RCD动作，按接地故障防护切断电源。整个过程在保障供电不间断的条件下，给予用户排除故障的时间，提高了供电的可靠性。

2.2 引出中性线的ITN系统

IEC和我国相关标准均不建议IT系统引出中性线。GB 50054-2011《低压配电设计规范》(以下简称“《低规》”)的5.2.22条规定IT系统不宜配出中性导体。IT系统引出中性线会带来以下问题：(1)当一相发生接地故障时，另两相对地电压将升高至380V，中性线对地电压将升至220V，人体的直接接触和间接接触电压可高达380V，电击死亡率增加；(2)IT系统引出中性线后，电气设备的绝缘水平也需要适当提高，增加了建设投资，如TN和TT系统可采用额定电压为300/500V的电缆，而IT系统则需采用额定电压为450/750V的电缆。(3)IT系统配出中性线后，发生第一次故障时，故障电流定位相对困难。介于以上原因，长期以来IT系统的应用一直受到限制。

随着科学技术的不断发展，特别IT系统的绝缘监测技术的发展，第一故障检测准确度和故障定位的精确度大大提高，特别是中性线故障监测和定位都非常准确，甚至可以确定是某个回路的某根电缆。在发达国家IT系统的应用越来越广泛，如具有重大政治影响的集会场所和体育场馆、大商场、高层建筑的消防电源等。

2.3 引出中性线的ITN系统绝缘监测及故障定位

绝缘监测技术是ITN系统运行的关键技术，传统的绝缘监测技术是利用系统本身故障信号，适用于故障前后系统本身电气信号发生变化的线路，但是ITN系统中性导体发生接地故障前后通常不引起系统电气信号变化，这也是传统的线路绝缘故障诊断装置难以监测配出中性导体ITN系统绝缘状况的主要原因。

目前国内外ITN系统绝缘监测技术大多采用外加注入信号原理，并实现在线监测，通过漏电互感器实现故障线路定位，大大提高了ITN系统绝缘监测的可靠性和安全性。在线式ITN系统绝缘监测装置外加注入信号法可分为注入直流电流法(也称“直流叠加法”)和注入交流电流法(也称“低频叠加法”)，是在变压器中性点和地之间施加一电压，此电压产生一小电流，其值与全电气装置对地绝缘电阻和所接用电器(具)对地绝缘电阻之和有关，包括中性线在内，当某一相发生单相接地故障时，此电流值就会发生变化，从而既可以实现绝缘监测，也实现了中性线导体发生接地故障的监测。下面以直流注入法为例，简要说明引出中性线ITN系统绝缘监测及故障定位的原理。

所谓注入直流电流法，是指在IT系统中性点和地之间接入一直流电源，向系统注入直流电流信号，然后利用专用的直流电流测量装置查找故障线路和故障点，如图2所示。

图2 直流注入法原理图

根据我国相关规范和IEC的相关要求，ITN系统要求每个出线应配置漏电流传感器，用于线路故障诊断和漏电保护。采用直流叠加方法时，对多个出线回路的故障回路定位原理如图3所示。

图3 直流叠加多回路绝缘故障选线原理图

直流电源经电抗器SK和开关KS接至变压器中性点，再经变压器三相绕组进入电网，最后由电网的对地电容、绝缘电阻入地，与接地电阻构成直流电流回路。通过在每一出线回路电缆上设置漏电流互感器，对各回路绝缘泄漏电流参数进行在线监测，当某一回路绝缘值下降时，该回路泄漏电流Imesn将显著增加，综合分析直流注入源电压UZ、总泄漏电流Imes和各回路泄漏电流Imesn关系，即可实现各个回路的故障定位功能。三相电路出现绝缘故障时很少出现三相绝缘参数等值下降，大多数情况是某一相较其他两相率先下降，特别是当电缆遭遇外力破坏或接头异常情况，比较典型的是单相接地故障。当某一回路出线单相接地故障时，配出中性导体IT系统三相电压向量如图4所示。

图4 B相接地故障时三相电压向量

中性导体对地电压计算公式为：

(2)

三根相线对地电压计算公式为：

(3)

(4)

(5)

综上分析，单相接地故障时，接地相对地电压为零，其他两相对地电压为电源线电压，而中性导体对地电压等于电源相电压，相位与接地相反相。由此可知，只要检测出中性导体对地电压，就能够确定故障相。电量测量智能模块能够检测交流电压、电流和功率等电参数，在原绝缘监测选线电路的基础上添加电量测量智能模块，检测A、B、C、N和地之间的电压，即可实现单相绝缘故障的相线诊断。

3 本工程引出中性线的ITN系统设计概况

本工程在设计过程中电子设备采用4台容量为 2 500kVA 的10/0.4kV变压器，即T1、T2、T3、T4，同时设置柴油发电机组作为备用电源。变压器和发电机组低压供电系统的接地型式采用引出中性线的ITN系统，变压器和对应柴油发电机组的中性线不接地，其中T1和T2采用单母线分段接线方式如图5所示。

T1、T2低压主进断路器QF1、QF2和母联断路器QF3及油机进线断路器QF4之间设电气联锁关系，QF1、QF2、QF3只能同时闭合两个开关，当QF1、QF2同时断开时，QF4才允许闭合。根据《低规》的相关规定，QF1～QF4均采用四级断路器。T3和T4变压器接线方式相同。T1～T4变压器低压母线段各配一套在线式ITN系统绝缘监测系统，具体接线方式如图6所示。

图5 T1、T2变压器低压母线段接地示意图

本工程T1～T4变压器低压母线段配置的ITN绝缘监测系统采用自动化程度较高的现场总线系统，系统结构如图7所示。

如图7所示，每个变压器低压母线配置一个绝缘监测信号注入模块，信号注入模块将直流或交流小信号注入IT系统中性点，同时检测参考电阻电压、泄露电流等参数，分析计算绝缘电阻。在出线柜配置绝缘故障诊断模块，诊断模块通过零序(泄露)电流传感器检测出线电缆状态，将数据实时传输至诊断层控制主机。测温模块监测配电柜环境/湿度，同时监测开关触头、电缆接头的温度，判断配电柜内开关设备的工作条件，进行故障诊断。智能开关模块使传统开关智能化，实现“遥信”、“遥测”、“遥控”，可实现绝缘故障回路或电缆的自动切除。控制主机可以运行管理软件，实现画面组态、设备操作、网络测试、模块诊断、数据采集、数据分析、曲线生存、历史记录存储和报表、打印等高级功能，并可通过以太网接口将整个绝缘监控系统与其他智能化系统或互联网连接。