配出中性导体的低压IT系统综述

杨涛 王金全 王巍 宋鹏超

（解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007）

0 引言

我国的低压电气设计在很长一段时间曾大量采用 TN-C 系统。随着国际电工委员会（International Electrotechnical Commission, IEC）标准的不断推广，TN-S、TN-C-S和TT系统在设计中得到了更多的应用，电气的安全性有了显著提升。但具有高可靠性的IT系统在我国的应用仍然十分有限，仅在医院、矿井、发电厂厂用供电等场所有所应用[1,2]。目前对于 IT系统的研究还不够深入，且多数针对的是不配出中性导体的IT系统，涉及配出中性导体的 IT系统的很少。IT系统具有许多其他系统无法比拟的优势，对其进行研究、推广使用有重要意义。

1 IT系统的定义

目前低压供配电系统的按照系统接地型式可分为TN、TT、IT种，其代号字母的含义为：第一个字母说明电源与地的关系，T表示电源的一点（一般为中性点）与大地直接连接、I表示电源与大地隔离或电源的一点经高阻抗与大地连接；第二个字母说明了电气装置的外露可导电部分与地的关系，T表示电气装置的外露可导电部分直接接地，且此接地点在电气上独立于电源端的接地点、N表示电气装置的外露可导电部分与电源端接地点有直接的电气连接。所谓IT系统，就是指电源端中性点不接地或者经高阻抗接地，电气装置的外露可导电部分通过与电源接地点的相独立的接地点接地的系统。

2 IT系统的特性

2.1 IT系统的优点

2.1.1 供电连续性高

IT系统的电源端中性点不接地或者通过高阻抗接地，只有电气装置的外部可导电部分保护接地。因此在发生第一次相导体对外露可导电部分或对地故障时，故障回路的阻抗主要是非故障相导体与地间的容抗和外露可导电部分接地保护的接地电阻，能够产生的故障电流非常小，不会导致电气事故的发生，也不足以导致回路保护器动作切断电源，IT系统在发生第一次单相接地故障后可持续运行。带故障持续运行的优点是其他系统都不具有的，故IT系统非常适合在一些对供电连续性要求高的场合应用。

2.1.2 供电安全性高

由于 IT系统电源与地绝缘或经足够高的阻抗接地，人体只要不同时触及不同的导电部分就构不成故障回路，产生的故障电流极小，不会造成危险的病理生理反应。相对于其他接地型式，IT系统在供电安全性方面有很大的优势。

2.2 IT系统存在的问题

IT系统的优越性明显，但却很少被采用，应用远不如TN、TT系统广泛。究其原因，主要有如下几点：

2.2.1 不能提供220 V交流电源

由于IEC标准建议采用IT系统时只配出三根相导体而不配出中性导体[3]，长期以来IT系统都选择不配出中性导体。国家标准中《系统接地的型式及安全技术要求》（GB14050-93）中第 3.3条对IT系统定义时也将IT系统的示意图表示为不配出中性导体的系统[4]。缺少中性导体IT系统就不能引出220 V交流电直接为单相负荷供电，而需通过在相间装设降压变压器220 V电源。对于有大量单相负荷的场合来说是很麻烦的。

2.2.2 保护相对复杂

国家标准中《建筑物的电气装置、电击防护部分》（GB14821.1-93）规定IT系统需要采用的保护电器，除了TN、TT系统也具有的过电流动作保护器和剩余电流动作保护器之外，还有绝缘监测器[5]。发生第一次接地故障时，应由绝缘监测器发出声响或灯光信号，同时如何保证绝缘监测器的可靠性也是一个问题。

2.2.3 对线路的绝缘要求高

当发生第一次相导体接地故障后，IT系统带故障运行，另外两相的对地电压将上升到380 V。如果系统带故障长时间运行，则电缆的电气特性可能受到不同程度的损害。因此，IT系统内需要采用额定电压为450/750 V的配电电缆，而TN、TT系统则采用300/500 V就可以满足要求。

3 IT系统的中性导体问题

国家标准中《系统接地的型式及安全技术要求》（GB14050-2008）中第4.3条对IT系统的定义已经在图示时将 IT系统描述为配出中性导体的系统[7]。配出中性导体的IT系统可以通过相导体与中性导体直接引出220 V交流电源，为单相负荷供电。这样可以解决不配出中性导体的 IT系统配电时需要加装降压变压器的问题。传统观点认为IT系统不宜配出中性导体，其原因主要是旧有的绝缘监视装置不能监测到中性导体的接地故障。当中性导体接地后，绝缘监测器不能报警，操作人员不能及时排除故障。如果再一次发生接地故障，则会立即按照 TT系统或TN系统的保护方式切断电源，失去IT系统供电连续性高的优势。

一般情况下IT系统不配出中性导体，而低压TN、TT系统则无需进行绝缘监测， 因此传统的绝缘监视装置都忽略了中性导体的绝缘问题。

当IT系统发生中性导体接地故障时，电路如图 1所示。假设 A、B、C三相相导体及中性导体对地电容 CN、CC、CB、CA均等于 C，由于发生中性导体接地，系统三相对地电压不改变，电容电流，（其中 K为 A、B、C）。设中性点对地电压为，流经中性导体的电流为，则由节点电压方程得：

根据以上分析可知当中性导体发生接地故障后，中性导体对地电压、中性导体电流均为零。对于如直流法、电桥法、介质损耗角法、低频法、局部放电法等[8][9]需要检测系统本身故障电信号的传统方法确实不能监测中性导体的接地故障。

但是随着基于外加诊断信号的故障选线技术的提出，无需通过系统本身的故障信号就可检测出接地故障。其中适合IT系统中性导体故障检测的有从中性点注入交流信号或者直流信号的方法[10]。一种基于直流注入法的绝缘监测器动作原理如图2所示，其中R1、R2、R3、RN分别为相导体和中性导体的对地绝缘电阻，RA为 IT系统内电气装置的外部可导电部分的接地电阻，R为绝缘监测电阻。绝缘监测器从中性点注入直流信号，通过R1、R2、R3、RN、RA和R构成回路。系统正常运行时，R1、R2、R3、RN阻值非常大，在R上的压降极小；一旦中性导体或者相导体发生接地故障，其对应的对地绝缘电阻必然大大降低，导致R上的压降增大，超过整定值后报警。

图2 直流注入法绝缘监测器原理

根据以上分析，传统观点认为由于不能监测到中性导体接地故障而选择不配出 IT系统的中性导体已经不成立了。

4 配出中性导体的IT系统保护

IT系统配出中性导体后，其保护除了要满足一般供配电系统的基本要求外，还可分为第一次接地故障的防护和第二次接地故障的防护。

4.1 第一次接地故障的保护

国家标准中系统接地的型式及安全技术要求（GB14050-2008）中第5.4.2条规定，“为了在尽可能短的时间内发现并进而消除相导体与外露可导电部分（或地）之间的第一次故障，系统中必须装设能发出声或光信号的绝缘监视装置”[7]。因此，在IT系统内装设绝缘监测器是一项必需的措施。绝缘监测器发现系统出现相导体或者中性导体第一次接地故障后，发出报警信号，操作人员根据报警信号开始进行故障排除。此时IT系统仍正常运行，不影响正常供电。另外，发生第一次故障时系统的预期接触电压不得超过50 V：

式中：RA——电气装置的外露可导电部分与大地间的电阻，Ω；Id——第一次阻抗可以忽略的接地故障时的电流，A

在设计时就必须注意到系统内线缆的长度以及电气设备的数量，以减少第一次接地故障时的故障电流Id或降低保护接地的接地电阻RA，以满足上述要求，使系统发生第一次故障后无需切断电源。

系统发生第一次接地故障后，要马上采取措施排除故障。若系统长期带故障运行，会带来一系列的问题，且发生第二次接地故障的可能性也很大。在人工不能很快排除故障的情况下，需切断电源进行检修，找到并清除故障。

为了避免盲目切断供电扩大停电范围，一种IT系统选择性切除方法（已申请专利，专利申请号：201110199676.4）可以把停电控制在最小的范围，减小故障排查难度。IT系统选择性切除的原理如图 3所示，其中 K3、K2、K1分别为离接地故障点最近的前三级断路器，K为可变电抗器投切开关。IMD检测到系统发生单相接地故障，控制器选择合适的时刻闭合K，将可变电抗器接入系统，故障支路、故障相导体、可变电抗器构成故障回路，故障回路产生一个大的瞬时电流，通过选择开关K的合闸时刻和可变电抗器的级数可以使该瞬时电流达到较为理想的值，并使离故障点最近的前级断路器K3瞬时脱扣跳闸，而K1、K2不受影响。

当IT系统发生第一次单相接地故障后，若长时间内人工不能排除故障，则需采用选择性切除方法将故障切除，以保证系统的绝缘不受损害、并提高供电的可靠性。

图3 IT系统选择性切除原理图

4.2 第二次接地故障的防护

若系统第一次接地故障没有被排除且未达到选择性切除的时间限制，发生了第二次异相接地故障，则需按照TN或者TT系统的保护方式立即切断电源。

当 IT系统内的电气装置外露可导电部分为单独接地，则故障回路的切断应符合 TT系统接地故障保护的要求，一般采用剩余电流动作保护装置作电击保护，但当外露可导电部分的接地电阻非常小时需要用过电流保护电器兼做电击保护。另外，也可安装反时限特性的过电电流动作保护器、S-型剩余电流保护器等对电路进行保护。当 IT系统内的电气装置外露可导电部分为共同接地，则故障回路的切断应符合TN系统接地故障保护的要求，主要由过电流保护器提供电击防护。

IT系统对电气装置的切断时间也有一定要求[5]，最长切断时间如表 1所示，在选择保护电器时应予以注意。

表1 第二次故障时的最长切断时间

5 结论

传统认为 IT系统不宜配出中性导体的观点已经不成立。配出中性导体后IT系统依旧可以正常运行，通过注入外部诊断信号的方法可以检测到中性导体的接地故障。系统发生第一次单相接地故障后绝缘监测器发出报警信号，若长时间无法人工排除故障，还可通过选择性切除方法切除故障。配出中性导体的IT系统无需加装变压器即可获得单相电源，同时还保留了其供电可靠性高、安全性好的优点，有许多其他低压配电系统无法比拟的优势，应该得到更为广泛的应用，以弥补当前供配电系统中的一些不足。

[1]王厚余. 论 IT系统的应用[J]. 建筑电气, 2008(11)：3-6.

[2]王厚余. 低压电气装置的设计安装和检验[M], 北京：中国电力出版社, 2008.

[3]IEC60364-4-473, Electrical installations of buildings Part 4： Protection for safety Application of protective measures for safety： Measures of protection against overcurrent [S]. International Electrotechnical Commission. IEC Standard, First edition, 1977.

[4]GB14050-93, Types and safety technical requirements of system earthing[S]. 中华人民共和国国家标准,系统接地的型式及安全技术要求, 1993.

[5]GB14821.1-93.Electrical installations of buildings,Protection against electric shock[S]1993.中华人民共和国国家标准, 建筑物的电气装置、电击防护部分.1993.

[6]GB50054-95-2, Code for design of low voltage electrical installations [S]. 中华人民共和国国家标准, 低压配电设计规范. 1996.

[7]GB14050-2008, Types and safety technical requirements of system earthing[S]. 中华人民共和国国家标准, 系统接地的型式及安全技术要求, 2009.

[8]王昌长, 李福祺, 高胜友. 电力设备的在线监测与故障诊断[M]. 北京： 清华大学出版社(第三版),2006.

[9]孙红梅. 交联聚乙烯电力电缆绝缘故障在线监测系统的研究与开发[D]. 武汉大学电气与信息工程学院, 2004.

[10]张慧芬. 配电网单相接地故障检测技术研究[D]. 济南： 山东大学, 2006..