再论IT系统中性导体问题

文│ 解放军理工大学工程兵工程学院 王 巍 王金全 杨 涛

1 引言

随着我国低压供配电系统的发展，很多建筑电气行业的设计、施工人员逐渐认识到了片面强调减小TN系统中性点接地电阻阻值并不意味着绝对安全，电源中性点浮空的IT系统开始得到认可，国内很多厂家都推出了医疗IT系统的成套解决方案即是一例。但IT系统的应用仍然过少，且尚存很多亟待解决的问题，特别是关于IT系统中性导体的疑虑，还是集中在为什么过去普遍认为IT系统中性导体上的绝缘损坏无法监测，以及IEC标准为什么强烈建议IT系统不配出中性导体。笔者曾撰写《IT系统配出中性导体问题简析》（以下简称《简析》）一文发表在《建筑电气》杂志上，对上述两个问题进行了一些简单探讨，本文则对这两个问题做进一步的说明并补充《简析》一文的部分观点。

2 IT系统中性导体绝缘监测问题

在低压IT系统中，绝缘监测装置（insulation monitoring device，IMD）所 监测的对象不仅是线缆上的绝缘劣化、损坏，还应包括电气设备的绝缘损坏和设备的碰外壳接地，甚至某些时候还要对人身触碰带电体造成的接地有所反应。可以认为，IMD在IT系统中发挥的作用实际上是对系统内任意处的第一次接地故障实现预警。

IT系统中性导体上的绝缘损坏不能被监测的说法，在低压供配电的发展过程中是有其实践基础的。《简析》一文中提到的基于注入信号的绝缘监测方法并非近几年才有，比如继电保护中常用的零序电压和叠加电源构成发电机100%定子绕组单相接地保护，就是这种监测手段的早期体现[1]。至于这一手段为何长期没有在IT系统线缆绝缘监测中得到应用，导致设计施工人员普遍认为IMD无法对IT系统中性导体上的接地故障正常预警，使IT系统中性导体问题悬而未决，笔者揣测，是源于旧有的一些绝缘监测技术的局限性。其中一种最常见的IMD形式如图1所示。

图1 传统绝缘监测装置1

在三根相导体上装设一台三相五芯式电压互感器，在其星型连接的二次绕组接上电压表；另一组二次绕组接成开口三角形，接入电压继电器。正常运行时，电网三相对地电压对称，各相对地电压等于相电压，也没有零序电压，当有一相接地时，该相对地电压为零，另两相电压升为380V，通过电压表检测数值即可判断出接地故障相。在故障时出现零序电压U0，电压继电器接通信号电源可提供报警，也可使电压表接入位置替换为灯泡，直接通过灯泡的亮灭来判断接地。这种方式确实无法监测N相上的接地，中性导体未发生接地故障时，如果三相负载平衡，中性导体对地电压应该为0V，中性导体发生接地后对地电压被钳制到0V，前后没有改变，监测线缆上电压变化的方法达不到报警的效果。

20世纪我国曾提出一种380V、660V绝缘系统漏电保护器，综合采用了国家“七五”期间一项科技攻关成果“带人为旁路接地检漏继电器”和一些新型元器件，对中性点不接地运行的低压电网进行监测[2]，其工作原理如图2所示。

图2 传统绝缘监测装置2

这种方法的思路是人为构造一个较大的接地电流，改变IT系统发生单相接地故障时不存在短路电流（或短路电流极小，仅是为两非故障相对地电容电流的相量和）的特性。其装置由一个选线电阻R0（一般380V时为76Ω左右，660V时为120Ω左右）、一个接触器和若干电流检测元件（可采用零序电流互感器）组成，其基本原理如图2所示。系统正常运行时接触器断开，中性点不接地，如需检测绝缘故障，则闭合接触器使中性点经R0接地，若此时第n路出线C相接地，则会有一个3A左右的故障电流流过该路互感器CT，即可通过该CT感应出电压，发出报警信号。但这种装置仍然无法对中性导体的接地进行监测，因为当中性导体发生接地时，虽然通过大地也构成了故障回路，但该回路是无源回路，无电流通过，故障前后也没有电气量变化可供对比。具体原因如图3所示。

图3 第二种绝缘监测装置无法反映中性导体绝缘损坏的原理

早期IT系统所用的绝大部分绝缘监测装置是根据图1的原理构造的，这种做法相对简便易行，仅靠硬件即可实现，不需要复杂的检测设备和算法，但检测精度不够，某些时候非金属性接地时相对地电压下降不明显，而个别用灯泡指示的做法又过度依靠人的感官，很难实现准确监测，且无法对中性导体进行监测。但这种方法直到今天还是有现实意义的，因为该方法可明确指示出到底是哪一相发生了故障。对于发生在埋地三芯电缆或四芯电缆上的第一次接地故障来说，指示出哪一相意义不大，因为三相是固化在一条电缆中的，挖开电缆沟排查故障或撤换电缆时，即使知道了故障相也不会减少工作量，但实际现场中绝缘下降很有可能发生在出线柜内的母排等三相分设的环节，例如母排过流发热导致复合绝缘的外层热缩套管劣化等，这时IMD能够指示到具体哪一相，就会方便故障排查。

图2所示的IMD原理相比第一种有所改善，不再依靠系统本身的故障特征而是人为制造故障特征，实现的不仅是绝缘监测，更重要的是具备了选线功能，可明确指出是哪一路出线发生接地，如果妥善处理这种思路，对于故障定位能够起到极大的作用。

综上所述，依靠现有的技术，一套完善的IMD可以该做到：绝缘监测报警、定位故障回路、指示故障相。

图4是一种集成了这三种功能的装置示意图，该种装置已经不是传统意义上的IMD，而是一种综合诊断装置，此处仍以IMD代指。

图4 综合式IMD

图4中环节1为上位机（工控机或基于单片机的处理显示装置），环节2为注入信号源、采样电阻和电压表集成的一体机，环节3为IMD投切开关，环节4为每一路出线上套的电流互感器，2、3、4环节可通过现场总线结构连接到环节1，在上位机综合显示检测结果。图中所示的故障电流回路为第n路出线的中性导体发生接地故障时的电流走向。装置工作具体方法如下：

（1）绝缘故障报警和定位故障回路。绝缘故障报警可通过两种途径实现，一是检测采样电阻R的端电压，端电压突然上升则说明某处接地导致了故障电流的产生，流经R时产生了电压从而判定系统绝缘故障；二是检测每一路出线上的电流互感器CT是否感应出故障电压，当某一路CT对应的出线发生接地时，故障电流流经该CT，即可感应出故障电压从而判定该路故障，原理与剩余电流保护的检测类似。相比第一种，第二种途径能够更进一步指示出故障回路，但第一种无需大量装设互感器，如果只需对整个系统报警的话，第一种途径经济性相对较好。

（2）指示故障相。该项功能通过三个电压表实现，发生单相接地时，电压表测量数值升高的相即为故障相。需要特别说明的是，如果第一步已经检测出系统存在接地故障，而三个电压表数值均未爬升，则可判定接地故障发生在中性导体上。

需要对这种装置进一步说明的有以下几点：

（1）IMD最好做成时间离散的巡检模式，即每隔一个很小的固定时间（3分钟或5分钟）投入检测一次，检查无故障后即行退出，也就是图4中的开关3应处于常开状态，每次投入时再闭合。这样做有两项好处，一是注入信号源时无论信号幅值多大，毕竟人为抬高了中性点对地电位，造成了三相对地电压不平衡，对系统整体绝缘不利，采用离散的检测可有效降低不平衡的时间；二是IT系统需要较好的对地绝缘，注入信号源和电压表均有内阻，这些设备内阻相当于并联后接在系统带电部分与地之间，极大降低了IT系统的绝缘性能。对于IMD来说，三个电压表并联后的内阻阻值很可能已经低于绝缘损坏的报警阈值导致IMD误报；对于整个系统来说，三个电压表加上一个电源内阻并联接入系统后，当系统发生单相接地时，故障电流必然大于完全浮空的IT系统单相接地时微小的电容电流，很可能烧坏注入电源设备，也有可能对人体触碰造成威胁，甚至触发过流保护动作。系统做成离散的巡检模式后，发生这种危险的几率就大为降低了。如果为了更进一步防止IMD误报，还可以先闭合注入信号的开关，判断出绝缘故障回路后，再断开注入信号的开关并闭合三个电压表的开关，把选线和定相拆分成两个步骤。

（2）注入信号的电源和CT选型时需要注意配合，如果选用直流源，CT需要选取能够检测直流信号的霍尔传感器；如果选用交流源，则CT需要选取零序互感器。

（3）注入信号源和电压表应尽可能选取内阻大的，最好是兆欧级以上的产品，防止装置投入后浮空的IT系统变为经大电阻接地导致的绝缘水平大幅下降。

我国国内尚未有这类针对低压IT系统的综合性产品的报道，施耐德曾推出过可用于IT系统的固定式XM100和移动式GR10X两种寻找故障的装置，方法与图4中的注入信号加CT检测的模式基本类似，但无法指示到故障相，价格也很昂贵。事实上这种技术在实施上并没有太大的难点，成本也不高，不仅能对配出中性导体的IT系统做出全面监测，也可以对普通的中性点不接地进行监测，是一种较好的手段。希望国内尽快有该类产品问世，全面提高IT系统的建设水平。

3 IEC标准对于IT系统中性导体问题的说明

IEC 60364-4-473标准不建议IT系统配出中性导体，但并未解释具体原因。国内普遍认为是中性导体上的绝缘损坏不能被监测，但《简析》一文和上文所述说明该问题已不存在。1996年的第一版IEC1200-413：TECHNICAL Report.Electrical installation guide-Part 413:Protection against indirect contact-Automatic disconnection of supply曾对中性导体问题做了若干说明[3]，该文件 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.” 这种提法无可厚非，当IT系统中性导体接地时，确实会转变成TT或TN系统，也不再具有第一次接地故障不跳闸和人体触碰带电部分相对安全的优势，也正因如此，IT系统才必须装设IMD应对该类情况的发生。但IEC 1200-413还做了以下几点论述：

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。

以上条文说明了IEC建议IT系统不配出中性导体的两点初衷，一是担心中性导体的截面积小，载流量有限，同一设备内发生两次故障时会在中性导体上发生过流；二是担心设备存在过压。这两种说法令人费解：如果担心中性导体载流量不够，适当增大截面积甚至采用与三条相导体相同的截面积完全可以实现，且花费有限，较之加装降压变压器带单相负载的方法，还是有很高的经济性。而设备的过压无论是产生原因，还是防范手段，笔者认为与IT系统是否配出中性导体没有太大关系，比如突然甩负荷造成的操作过压，无论IT系统还是TN、TT系统都同样存在，并不会因为多出一条中性导体导致过压保护更加困难。

IEC 1200-413在论述中还提到很关键 的 一 条，“Finally.the absence of the neutral conductor facilitates the devices for protection against overcurrent and the locating of the faults.”意指IT不配出中性导体，会使过流保护和故障定位更容易。故障定位问题如前文所述，图4中的故障选线方法可很容易地定位到某一路出线，且不会因为配出中性导体而受到影响，这种顾虑似已不再必要。至于过流问题，保护整定的计算确实会受到中性导体配出的影响，我国多数涉及到IT系统保护的标准规范中一般都沿袭了IEC标准，分别列写了不配出中性导体和配出中性导体两种条件下的过流保护动作要求，虽然表达方式和参数定义都不尽相同，但计算公式的含义是一致的，如《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008第7.7.8条所描述的[4]，IT系统发生第二次异相接地故障时，应由过电流保护电器或剩余电流动作保护器切断故障电路，并符合下列要求：

（1）当IT系统不引出N导体，且线路标称电压为220/380V时，保护电器应在0.4s内切断故障回路，并符合下式要求：

（2）当IT系统引出N导体，且线路标称电压为220/380V时，保护电器应在0.8s内切断故障回路，并符合下式要求：

公式（1）、（2）中 ：

Ia保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流（A）；

U0相导体与中性导体之间的标称交流电压（V）。

上述条文说明当IT系统配出中性导体后，计算用的电压值应取相电压220V，相比不配出时取线电压380V，Ia的计算结果变小了，也就是说保护要求的灵敏度提高了，IEC所说的过流保护困难可能指的就是这方面。如果配电线路过长或用电设备分设接地极导致地阻过大，普通过流保护电器无法可靠动作，完全可以使用高灵敏度的剩余电流保护电器替代普通的断路器，在现今的建筑电气设计和设备选型中使用剩余电流保护也不难解决该问题。

4 结束语

虽然当下断言IT系统能够配出中性导体的理由还并不充分，但在现有的电气检测、保护设备的设计理念和技术条件下，确实已经可以解答和解决部分问题。IT系统如果能够配出中性导体，在低压配电领域的发展前景还是相当可观的，该系统安全可靠、施工便捷的优点也使其确实值得推广。希望这一问题能够得到业内的关注，通过广泛的讨论乃至小范围的工程实践，为IT系统的中性导体问题寻找更多的答案。

1 张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].中国电力出版社，2005

2 苏云峰.380、660V绝缘系统漏电保护器[J].煤矿机电，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民用建筑电气设计规范.中国建筑东北设计研究院