低压岸电ITN系统关键技术及应用保障

吴振飞，许 江，张健鹏，张群峰，王传斌

应用研究

低压岸电ITN系统关键技术及应用保障

吴振飞1，许 江2，张健鹏1，张群峰1，王传斌1

（1.江苏镇安电力设备有限公司，江苏 镇江 212028， 2. 江苏镇江建设集团有限公司，江苏 镇江 212028）

介绍了常规岸电技术供船舶负荷的应用存在的问题，对系统接地型式、绝缘监测技术发展、信号源注入方法等方面进行理论分析，通过对ITN系统关键技术研发验证，建议岸电行业规范采用系统接地型式。

系统接地 ITN系统 中性导体（N） 岸电 绝缘监测 直流注入法 交流注入法

0 引言

船舶电力系统采用IT系统向船舶负荷用电，文献[1]5.5.2b)条款、文献[2]4.3.8条款和文献[3]4.3.3条款分别规定：“船舶岸电系统输出侧接地宜采用IT方式，也可采用经过隔离变压器的TN-S方式”，但文献[4]明文规定岸电系统电源接地型式应采用IT方式，军民两类标准存在严重的接地型式差异，经过隔离变压器的TN-S方式对于岸电负载来说提供的还是直接接地方式，与前述的宜采用IT方式相左，实际上对于岸电的供电电源应提供不接地IT方式还是接地TN方式一直是应讨论和统一规范使用的关键问题？文献[5]通篇都将岸电管理范围界定于“油气化工码头除外”，其中主要一个因素则是TN接地型式供给岸电系统时一旦发生单相接地故障会形成电火花造成码头区域事故扩大，而IT不接地型式发生单相接地故障时因与大地未形成回路，不会产生电火花，形成了此接地型式的一大安全可靠独有优势。低压岸电系统已大规模建设推广，但使用则存在无法忽视的安全隐患，接地型式的正确选取对于低压岸电标准的完善和规范化应用都值得业内高度重视。

1 船、岸电常规接地型式差异推动了ITN系统的技术发展

1.1 船舶电站和低压岸电应用现状

船舶电站低压电源采用IT系统，发生单相接地故障时，故障电流通过非故障相对地电容返回电源，其值很小仅为非故障相对地电容电流的向量和，装设的绝缘监视装置自动监测系统绝缘水平及时报警，按照电力规程系统可带故障继续运行2 h，不必切断电源侧断路器，避免因断路器跳闸而导致大面积停电。船舶对低压岸电的要求是交流380 V电源，不带中性线。但码头上有装卸机械、路灯、库房、浴厕、值班室、维修等设施设备用电需要单相交流220 V电源。TN系统可限制中性点电位漂移，方便引出220/380 V同时给三相、单相负载供电。目前我国大多数码头供岸电低压接地型式采用TN系统, 船载绝缘监测仪不能监测TN系统和TT系统的绝缘而必须解除，岸电TN系统供船电则带来安全隐患，引发一些不明原因的电气事故和设备绝缘击穿现象。

1.2 TN系统与IT系统的保护差异

文献[6]详细描述了IT系统和TN系统供船舶使用岸电的安全性能比较，以及对岸电系统发生单相接地故障时所采取的保护方式不同而形成了低压岸电推广应用的瓶颈，在此简略叙述一下两种接地型式供给岸电系统的差异便于岸电合理应用。TN系统发生单相接地故障时采用三相电流不平衡电气矢量和不为零，出现零序电流触发断路器动作的“漏电保护原理”来切断电源进行负载和线路保护，但对于供电连续性则得不到保障会影响岸电正常使用。IT系统发生单相接地故障时因与大地未形成回路，仅产生微小的接地泄漏电流，系统采用监测绝缘电阻的下降变化进行声光报警，其系统绝缘监测器动作原理如图1所示，故IT系统较TN系统更优于应用到岸电领域中。

图1 IT系统绝缘监测器动作原理图

1.3 TN系统向船供电实则是TT系统

岸电采用TN系统给船舶供电时，岸电变压器中性点直接接地，船舶用电设备由船体、海水与大地连接构成保护接地，电源中性点系统接地和负载端保护接地相互间没有电气联系，实则是TT系统，见图2。TT系统供电正常情况下，船舶用电设备外壳与供电线路间的对地绝缘将承受交流220 V，埋下了电击、电气火灾、设备绝缘击穿等等安全隐患，因TN系统设计未按照TT系统必备要求配置剩余电流动作保护器RCD来切断幅值小的接地故障电流，所引发事故的原因往往很难查清。

图2 岸电TN系统给船舶供电实际是TT系统

1.4 10 kV小电阻接地系统故障隐患

图3 10 kV经小电阻接地引起暂时工频过电压

1.5 岸电ITN系统技术由来

传统IT系统无法为码头附属设施直接提供单相电源，为保证船舶和码头附属设施同时供电就必须设置IT和TN两套系统。但船舶离开后的IT系统长期闲置受恶劣盐雾环境势必影响电气寿命，鉴于以上技术分析，TN系统供船电使用存在诸多安全隐患。采用配出中性导体的IT系统，既能满足船舶电力系统不接地的要求，又能为港区附属设施供电，特别是可以直接为单相负载提供电源，而不必增设专用的单相变压器或单独建设IT系统，但传统的绝缘监测装置无法监测中性导体(N)接地故障，ITN系统技术的可靠支撑依赖于中性导体(N)接地故障监测。

2 ITN接地型式关键技术

2.1 中性导体（N）对地故障检测

2.1.1 中性导体接地故障检测存在的问题

2.1.2直流注入法检测中性导体接地故障

图4 配出中性导体IT系统直流注入法绝缘监测动作原理图

如图4所示，从系统的中性点注入一个直流信号，该直流信号的获取可通过本系统内取得，也可取自外电，如不间断电源等。注入的直流信号沿中性导体对地绝缘电阻N和外露可导电部分接地电阻A，仍可构成闭合回路，当N变小时，中性导体上的直流电流I迅速增大，导致直流电流=剧增，采样电阻上的电压降超过预先设定值时，监测装置同样有反应，也就是说，配出中性导体后，IT系统的绝缘监测装置仍然能够正确反映系统的绝缘水平，中性导体的绝缘也可以正常监测[11]。利用这种外加信号的故障检测方法确实可以解决中性导体上绝缘监测的问题。事实上，注入系统中性点的不仅可以是直流信号，还可以是交流信号；检测对地绝缘电阻阻值的方法不仅可以通过装置中的采样电阻，也可以在线路中加装各种形式的高精度电流互感器检测线路流过的故障电流，通过计算获取阻值；注入的信号不仅可用于绝缘损坏的报警，还可配合电流互感器对接地故障进行定位。

图5 配出中性导体IT系统直流源绝缘监测界面显示

2.1.3 交流注入法检测中性导体接地故障

在变压器的中性点处注入一个特定频率的低频交流信号，假设1、2、3、4和1、2、3、4分别为三相及N对地的等效绝缘电阻和分布电容，在系统绝缘下降之前，1、2、3、4远大于负载电阻，所注入源的电流对绝缘电阻的影响非常微弱。其原理如图6所示。

图6 配出中性导体IT系统交流注入法绝缘监测原理图

低频交流注入源单独作用于系统时，等效原理图如图7所示，其中R为限流电阻，，分别为供电系统三相和N对地绝缘电阻和分布电容的并联值，对供电系统进行在线绝缘监测时，将对电路中的A，B，C三点的电压进行取样，分别为A，B,C。

图7 配出中性导体IT系统交流注入法等效电路图

C点和A点的电压差除以0，就可以得到回路中的电流。

B点和C点的电压差除以回路中的电流，就可以得到R和C并联的阻抗。

最后根据R，C并联的公式就可以解出R和C的值[12]。其中θ为R和C并联阻抗的相位角。f为注入源信号的频率。

式(3)计算的是三相和N对地绝缘电阻的并联值=1//2//3//4。由式(2)可以看出，当限流电阻0一定时，等效回路中与注入电压成正比，注入信号越大，越大，由此可以看出降低限流电阻阻值，增大注入电流，可提高绝缘电阻测量精度，在注入信号电压与限流电阻值选定的情况下，分布电容测量值与注入信号频率成反比，通过降低注入信号的频率，提高分布电容测量范围。

图8 配出中性导体IT系统交流注入法绝缘监测人机界面显示

图9 配出中性导体IT系统交流绝缘监测模块

2.2 多电缆并联回路绝缘故障检测

在多电缆并联回路中，绝缘监测系统检测到此回路的接地故障，但是如何精准判定接地故障发生在哪一根电缆、在哪一段？犹如解决绝缘监测技术最后一公里难题，可大大提升绝缘监测整体技术水平。绝缘监测装置的作用是对系统电压、电流以及绝缘电阻进行监测，在每一段并联电缆中的每根电缆前端和末端分别套一个传感器，用每一根电缆前端传感器信号电压反馈值与电缆末端的传感器反馈值作差运算，通过差值的变化量来判断故障电缆。当某根电缆出现绝缘或接地故障时，电缆首端传感器信号电压反馈值较无故障时增大，电缆末端传感器信号电压反馈值较无故障时减小，两者差值较无故障时有明显增大的变化量，随着故障接地电阻值的增大，两者传感器的差值成减小变化的趋势[13～15]。

图10 基于现场总线结构的多电缆并联回路绝缘监控系统方案

工厂实验具体经过如下：在岸电箱1与岸电箱2之间的并联电缆段，分别在1号电缆中间段和末端、2号电缆首端、3号电缆末端设置故障，分为：1）直接接地、2）经1 K电阻接地、3）经5 K电阻接地、4）经10 K电阻接地。分别记录每根电缆收尾传感器反馈值。

表1 1号电缆中间段接故障试验情况

通过以上实验数据得出电缆故障前后的首尾传感器反馈值差值变化明显，但随接地电阻值增大，差值变化趋势减小，然而并不影响对故障电缆的判断。

表2 2号电缆后段接故障试验情况

表3 3号电缆首端接故障试验情况

表4 3号电缆末端接故障试验情况

3 ITN系统应用技术保障

3.1 线缆和绝缘监测装置的选用

对IT系统而言，发生一相接地后另两相对地电压将升高为线电压380 V。因此在进行线缆选择时，应注意IT系统须采用额定电压为450/750 V以上的四芯或五芯电缆，笔者建议不论采用何种接地型式，低压电缆额定电压均选用0.6/1 kV，同理电气设备的绝缘水平和体积也应相应提高和增大以策安全。ITN系统因输出中性线，传统的绝缘监测装置因缺乏对N线，故应选用三相四线制绝缘监测装置。

3.2 RCD漏电保护的备用设计

发生一相接地后，ITN系统根据应用工况转变为TN系统或TT系统，故障相则变成了PE线，中性线电压升高则变成了相线，会带来人误碰到中性线则产生触电事故，此时若故障未解除发生第二次接地故障则绝缘监测装置已不起监测和告警作用，故在ITN系统设计中应考虑配置RCD漏电流保护器后备保护，已满足系统第二次接地故障时按照TN系统、TT系统接地保护标准[16]。

4 结论

通过对岸电低压供电接地型式差异、中性导体绝缘监测技术等问题分析阐述，规范低压岸电行业推广应用，建议业内完善岸电相关标准和管理使用办法，充分考虑ITN系统安全可靠的新型接地型式，在技术标准层面规范引导我国岸电事业发展，促进实现低碳建港、为“2030年碳达峰、2060年碳中和”国家战略提供有力支撑。

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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

江苏省科技成果转化专项资金项目(BA2013130)

吴振飞（1976-），男，工学学士，高级工程师，主要从事电气产品研发设计工作。E-mail: wzf133@sina.com