IT系统在地下工程柴油发电机中的应用探讨

杨 涛

(中国人民解放军65056部队, 辽宁 铁岭 112000)

0 引 言

在地下工程的设计建设中,通常采用柴油发电机组作为备用电源,用于保障消防状态下或正常电源中断后的重要负荷用电。这就要求柴油发电机组供电时具有很高的供电可靠性和连续性,而供电的可靠性与多种因素相关,包括机组本身的可靠性、线路施工质量、配电设施质量等。同时,在国家标准GB/T 16895.1—2008《低压电气装置 第1部分:基本原则、一般特性评估和定义》[1]及国际电工委员会IEC 60364-1:2005的“供电连续性”中指出“系统接地的选择”是评估装置在预期寿命期间供电连续性的一项特性。因此,柴油发电系统的功能接地、保护接地应满足供电可靠性的要求。

1 柴油发电机应用IT系统可行性分析

目前,大部分设计、施工人员都将柴油发电机系统当做单纯的备用电源。实际上在一些特殊地下工程中,除少量电热负荷外,几乎所有负荷都不得中断才能保证人员正常工作,当系统出现一般性问题时不允许立即切断供电。根据国家标准 GB/T 2900.71—2008《电工术语 电气装置》[2]和IEC 60050-826:2004,应急供电系统是指用来维持人体和家畜的健康和安全,避免对环境或其他设备造成损失的供电系统。因此,对于地下工程,柴油发电机组实际上兼具应急电源和备用电源的特点。

应急电源要求系统具有更高的供电可靠性和连续性。低压配电系统的接地型式中,TN系统电源端中性点及外露可导电部分经一点接地;TT系统电源端中性点与外露可导电部分单独接地;IT系统电源端不接地或通过足够大的电阻接地,外露可导电部分经一点接地或者单独接地。3种接地型式均符合IEC和国家标准要求,但其中IT系统发生第一次单相接地故障可不停电的特性是其他两种系统无法比拟的[3],具有很高的供电可靠性,满足地下工程供电的需求,特别适合当柴油发电机组兼具备用电源和应急电源特性的场合。另外,国内也有不少专家对柴油机发电系统的接地进行研究探讨[4-5],IEC 60364-5-56:2008及GB 16895.33—2017中建议在应急电源供电系统中采用IT系统[6]。综上所述,为了进一步提高供电的可靠性和连续性,在地下工程中柴油发电机组应用IT系统是很有必要的。

2 柴油发电机组应用IT系统的几种主接线形式

我国在地下工程中常用电源的接地型式为TN-S系统,作为应急备用电源的柴油发电机组,其供电范围也不相同,有的系统中柴油发电机组只为消防负荷及部分重要负荷供电,有的系统中则为全部负荷供电。下面针对这两种情况进行探讨。

2.1 柴油发电机组供部分负荷

柴油发电机组供部分负荷主接线1(不配出中性导体)如图1所示。常用市电电源主变压器采用TN-S系统,在变电所内单点接地;柴油发电机组采用IT系统且不配出中性导体。设置两段母线供电,Ⅰ段母线中接正常负荷,这些负荷不在柴油发电机组的供电范围,Ⅱ段母线接消防负荷以及非消防但需持续供电的其他重要负荷。Ⅱ段母线由Ⅰ段母线和柴油发电机组通过自动转换开关(ATS)进行供电。由于不配出中性导体,ATS选用三极开关即可。在柴油发电机组供电时需采用绝缘监测装置(IMD)对系统绝缘状况进行监视,IMD装设的位置应在柴油发电机组出线端。Ⅱ段母线中的消防动力设备和非消防重要动力设备可不依赖N线运行,但为了给消防照明及重要单相负荷等供电,需要装设专门的380/220 V降压隔离变压器。当系统转换至柴油发电机组供电时,Ⅱ段母线变为不配出中性导体IT系统。

图1 柴油发电机组供部分负荷主接线1(不配出中性导体)

柴油发电机组供部分负荷主接线2(配出中性导体)如图2所示。这种接线方式下,Ⅰ段母线工作方式相同,仍为TN-S系统,但Ⅱ段母线中由于柴油发电机组供电时配出中性导体,因此ATS应选用四极开关。配出中性导体后,Ⅱ段母线中的照明等单相负荷无需再通过隔离变压器进行专门供电。同时Ⅱ段母线的各支路也应采用可断开中性线的4极开关进行保护,这样做的目的是当中性线出现接地时可以断开故障支路保持系统持续运行。

图2 柴油发电机组供部分负荷主接线2(配出中性导体)

2.2 柴油发电机组供全部负荷

有的地下工程中,当市电停电后还需要继续保持正常运行,并且需要为大部分负荷进行供电,此时由柴油发电机组供电的负荷为一、二级负荷,不应随便切断供电,而是需要尽量保持供电的连续性,因此采用配出中性导体的IT系统是最理想的选择。

柴油发电机组供全部负荷主接线(配出中性导体)如图3所示。10 kV市电经变压器降压后与柴油发电机组通过ATS为整个系统供电,ATS选用4极开关。采用柴油发电机组供电时,系统接地型式为配出中性导体IT系统,系统内的各个支路采用4极开关进行保护,单相负荷也直接从系统引接N线而无需使用专门的降压变压器。在这种供电方式下,非重要负荷装设失压脱扣装置,在系统电源转换时自动切除,切换完成后系统中负荷均为柴油发电机组供电。

图3 柴油发电机组供全部负荷主接线(配出中性导体)

3 两种接地型式兼容后的故障保护方式

在进行电源切换前,系统按照TN-S接地型式运行,保护方式也与TN-S系统一致。当常用电源停电或出现消防状态后,切换到柴油发电机组供电时,系统接地型式变为IT系统,此时应遵循IT系统的保护原则。IT系统中的相间短路保护、过电压保护、过负荷保护与其他系统基本一致,本文仅对单相接地故障的保护进行探讨。

3.1 第一次接地故障

根据标准GB 50054—2011《低压配电设计规范》[7],IT系统发生第一次单相接地故障后,应由IMD发出报警信号,但无需直接切断故障回路,可继续保持运行一段时间,在继续运行的时间内要尽快找出并排除故障。

IMD是IT系统中必不可少的一个装置,能及时发现系统出现的第一次单相接地故障(包括中性导体接地故障),并发出报警信号。为了防止再次出现接地故障后系统保护装置动作,工作人员应在最短时间内排除故障,因此兼具选线、选相功能的IMD在实际运行中能够提供更多信息,大大缩短系统恢复时间。

除IMD外,为了保证IT系统发生第一次单相接地故障后能继续保持运行,应设置剩余电流动作保护器(RCD)来进行保护。因为IT系统故障后持续运行的前提条件是故障电流满足RAId≤50 V的要求,其中RA为外露可导电部分的接地电阻和保护导体电阻之和,该值在系统没有出现其他意外情况下基本保持不变;Id为相导体与外露可导电部分之间出现第一次阻抗可以忽略的故障时的电流,且要考虑泄漏电流和电气装置总对地阻抗。第一次单相接地故障电流示意图如图4所示。Id是相导体出现第一次单相金属性接地(Rf=0)时故障回路出现的最大剩余电流值,当故障不在中性导体上时,Id=U/(Rf+Z3∥Z2)+UN/(Rf+ZN),其值主要包括泄漏电流和电气装置总对地阻抗,不足以引起过电流动作保护。在实际应用过程中Id值应通过现场模拟故障进行整定,并作为整定RCD动作电流的依据,因为Id过大,系统不在满足安全运行的条件,必须切断故障回路的供电。

图4 第一次单相接地故障电流示意图

3.2 第二次接地故障

当IT系统内出现第一次单相接地故障后,在故障没有排除前再次出现接地故障有两种情形,一是故障发生在同一相导体上,二是故障发生在不同相导体上。

第二次接地故障发生在不同相导体上时,根据GB 50054—2011《低压配电设计规范》[7],保护方式应根据系统中外露可导电部分的接地方式确定,当外露可导电部分为共同接地,故障回路的切断应符合TN系统自动切断电源的要求,当外露可导电部分单独或成组地接地,故障回路的切断应符合TT系统自动切断电源的要求。系统切换前运行在TN-S下,因此发生第二次接地故障时应按照TN系统的保护原则进行切断故障回路,同时还应有过电流保护电器或RCD切断故障回路。不同相导体故障电流示意图如图5所示。发生第二次单相接地故障后,故障回路承受的电压为线电压或者相电压,其他相导体对地泄漏电流相比故障电流较小,可忽略不计,则故障电流If1=If2=U/(Rf1+Rf2)。当接地电阻较小时,故障电流较大,可由过流保护电器切断故障回路;当接地电阻较大时,故障电流不足以使过电流保护器动作,应通过RCD切断电源。

图5 不同相导体故障电流示意图

当前后两次故障发生在不同回路,且回路截面积相差较大时,故障电流可能不会使两个回路的过流保护器同时动作,但是小截面的回路过流保护器整定值较小,应首先动作切断该回路。此时即使大截面回路没有被切断,系统回到第一次发生接地故障的状态,仍可保持运行,只需要进行两处接地故障的排除。

第二次接地故障发生在相同相导体示意图如图6所示,即使2次故障均为金属性接地,其故障电流值也仍不足以使过电流保护器动作,必须通过RCD来进行保护,动作电流的整定基本与第一次接地故障保护一致。

图6 第二次接地故障发生在相同相导体示意图

4 应用IT系统过程中应注意事项

柴油发电机组使用IT系统供电时除了要进一步确保安全、可靠,还需注意以下事项。

(1) IMD要工作稳定、性能优良,必须要具备中性导体接地故障报警能力,最好能够具备选线选相等故障定位功能,帮助尽快排除第一次接地故障。

(2) 采用配出中性导体IT系统时,支路开关应采用4极开关,确保发生中性导体接地故障后也能将故障回路切除,以免扩大影响范围。

(3) IT系统每条支路都应装设RCD进行保护,用于切除接地电阻较大,不足以引起过电流保护器动作或者剩余电流较大预期接触电压过高的回路。

(4) 新系统构建以及在平时使用维护过程中要注意测量各回路正常工作时的泄漏电流值,确保系统满足RAId≤50 V的要求,否则即便发生第一次单相接地故障系统也不能持续运行。

(5) 做好局部等电位联结,确保人员在操作设备时安全。

(6) 柴油机组发电与市电切换过程中使用4极开关,因此需要特别注意该开关的通断性能,并要进行定期检查测试,防止中性导体切换到市电TN-S系统时不能正确接地。

(7) IT系统发生单相接地故障后,相导体对地电压最大幅值可能上升至380 V,对系统内设备及线路耐压有一定影响,在设计时应予以考虑。

5 结 语

地下工程中的柴油发电机组作为备用电源,兼具应急电源特性,其能否正常运行影响极大。IT系统具有发生单相接地故障时满足条件可持续运行的特点,应用到地下工程柴油发电机组中可提高系统供电的可靠性和稳定性。本文对柴油发电机组应用IT系统的几种场景的主接线方式进行了探讨,并分析了两种接地型式兼容后的故障保护方式变化,可供电气设计人员参考。