IT接地 篇1
1 IT系统配出中性导体问题
实际现场中IT系统通常按照三相三线制设计施工。因其电源中性点为非有效接地形式,相线第一次单相接地时短路电流很小,系统仍可持续供电1~2 h,故其连续性好,可靠性高。国际电工标准IEC 364-4-473(1977)中第473.3.2.2条建议IT系统不应配出中性导体,理由是配出的中性导体上没有可监测的电气信号,当中性导体绝缘损坏接地时,IT系统成为TT系统而不被察觉,发生单相接地时,线路上的漏电保护将切断电源,造成所供重要负荷断电[3],故一些对供电持续性要求高的场所选用IT系统时,只能通过380/220 V降压变压器而不是通过相线与中性导体的跨接引出照明等单相负荷,增加了IT系统的施工成本与难度。
IEC标准中关于IT系统配出中性导体的这一建议是否符合现阶段低压供配电系统的发展现状值得更进一步探讨。与IT系统在国内的境遇相反,国外一些公司并不回避这一系统,像ABB公司根据最新版《IEC 60364 Low-Votage Electrical Installation》编写的低压配电安装手册中,甚至单独列写了配出中性导体IT系统的保护计算方法。随着计算机技术的进步和现代检测技术精度的提高,中性导体绝缘检测问题并非无法解决,例如在参考文献[4]中提及,将选线技术中的信号注入法移植到中性导体的检测上,通过外加信号源克服IT系统中性导体上没有可监测的电气量的问题,提供了一种较好的思路。IT系统不仅可以配出中性导体,而且利用一套小型功率源和一根N线换取单相负载所需的降压变压器,更好地利用IT系统可靠性高的优点,也可提高经济效益。但IT系统本身对于单相接地故障没有处理能力,安全规程规定的1~2 h带故障工作时间之内如果不能排查出故障,传统方法只能靠手动拉闸断电来选线,工序复杂,对系统影响很大。为正确选出故障点并通过线路上断路器动作排除故障,本文提出一种通过可变电抗器脉冲接地方案,以解决选线问题。
2 IT系统脉冲接地方式
2.1 系统原理
IT系统采用的非有效接地包括中性点不接地、谐振接地和高阻抗接地等方式。中性点不接地系统主要优点是电网发生单相接地故障时稳态工频电流小,这样如雷击绝缘闪络瞬时故障可自动清除,无需跳闸;如金属性接地故障,可单相接地运行,改善了电网不间断供电,提高了供电可靠性。接地电流小同时也降低了地电位升高,减小了跨步电压和接触电压,减小了对信息系统的干扰等;在经济方面节省了接地设备,接地系统投资少。中性点不接地系统的缺点在于产生的过电压高(弧光过电压和铁磁谐振过电压等),对弱绝缘击穿概率大。在间歇性电弧接地故障时产生的高频振荡电流大,达数百安培,可能引发相间短路;而且至今为止,故障定位难,不能正确迅速切除接地故障线路。配电网中性点谐振接地是指配电网一个或多个中性点经消弧线圈与大地连接,消弧线圈的稳态工频感性电流对电网稳态工频容性电流调谐,故称谐振接地,目的是使得接地故障残流小,接地故障可能会自清除。因此中性点消弧线圈接地系统具备中性点不接地系统的优点。同样地,中性点消弧线圈接地系统亦有中性点不接地系统的缺点,但出现最大幅值弧光过电压概率要小,这是因为消弧线圈降低了单相接地时的建弧率。消弧线圈接地方式的使用是否成功,很大程度上还取决于消弧线圈、跟踪系统、选线装置本身的可靠性。
而所谓的脉冲接地,实际是指系统在有效接地与非有效接地之间来回转换,使相线上的短路电流以脉冲形式呈现,兼顾了不接地方式、消弧线圈接地方式以及中性点直接接地的TN系统、TT系统几方面的优点。正常工作时中性点不接地,采用IT系统以保证供电的高可靠性;当系统需要排除故障时,又转换为中性点直接接地的TT系统,以保证正确切除相线接地故障。这一转换过程通过简单的可变电抗器合闸控制装置实现。整个系统如图1所示。
2.1.1 系统正常工作
正常工作时,接地装置中断路器均断开,系统处于IT系统等待。系统可同时接单相负载与三相负载,对一级到三级负荷均可供电。若在此时发生单相接地故障,单相接地电流Ik很小,接地点线路上的断路器不会动作,系统能够带故障继续运行,但故障线路上的绝缘监测装置应根据自身所带负荷等级不同有选择性地报警,若为三级负荷可发出即时切除故障信号,一、二级负荷则发送延时切除故障的信号。
2.1.2 系统选择性切除故障
当合闸控制装置接收到带故障运行的系统内一、二级负荷用电结束信号,或三级负荷的线路上出现实时故障的信号,即可投入接地装置。接收到开始命令后,控制装置使可变电抗器的10个断路器按照Q1~Q10的顺序依次接入限流的可变电抗,使阻抗剩余值产生的Ik逐渐变大,当短路电流升至大于供电回路故障点前断路器额定电流时,该断路器动作,切除故障线路。通过IT系统与TT系统的闪变,可替代IT系统传统的逐条线路拉闸排除故障的陈旧方法。
在整个切除故障过程中,需满足以下几点:
(1)每个Ik脉冲的起止均为IT系统。
(2)Ik脉冲存在时间约为5 ms,大于供电回路上断路器的瞬动机构脱扣时间3 ms,确保供电回路上故障点处的断路器成功动作,如图2所示。
(3)可变电抗器每一级断路器支路上均需装设熔断器提供保护。其目的是:一是故障时若断路器拒动,熔断器可以切除过大的短路电流,避免烧坏电抗器;二是理想状态下,熔断器应在电抗器的断路器瞬动机构动作前熔断,供电回路上断路器动作时线路上已无电流,避免电抗器上的断路器切断大电流时产生电弧,也能有效降低供电回路上断路器故障概率。
(4)缠绕可变电抗器时,最大阻抗值的确立应依据系统发生接地故障最大短路电流;电抗器级数应与供电回路上断路器级数相匹配,而且电抗器两级间Ik之差不能跨越供电回路上两级断路器额定电流之差,避免断路器误动作(0.4 k V配电端一路出线一般只有3~5级断路器,此处设置为10级是考虑到该装置的通用性,同一母线上出线数和长度是不可预计的,不同出线的同一级断路器可能流过的电流不同,选用断路器型号也不同)。
切除故障后,控制装置自动断开可变电抗器的所有断路器,整个接地装置回到IT等待。此时可变电抗器需要更换每一级熔断器,确保下次切除故障时能够正常工作。
2.2 试验结果
通过上述分析,并试制了一台4级可变电抗器,四级电抗器线圈能够流过的单相短路电流Ik限值分别为0、250、500、1 000 A。按照图1接线,电力变压器选用10 k V/0.4 k V油浸式,Dyn-11接法,接地点连入车间公共地网;供电回路中第一级断路器选用CDM1-100L型,额定持续电流80 A;第二级断路器选用KFM2-63C型,额定持续电流40 A;第三级断路器选用RABM1-125S型,额定持续电流16 A;三级断路器瞬时脱扣整定电流均为10In。每一相接入MRP-B型电涌保护。系统空载,在A相第三级断路器(用户级)后设置单相短路点。测试中选择电抗器的250、500 A两挡,利用不同额定电流的熔断器和供电回路不同额定持续电流的第三级断路器互相配合,通过观察熔断器和断路器能否正确动作验证其合理性。正确的试验现象应当是熔断器熔断且断路器跳闸。未跳闸则说明保护拒动;未熔断却跳闸熔断器起不到保护断路器的作用;熔断而不跳闸说明熔断器在断路器瞬时脱扣动作之前就消除了故障电流,造成保护拒动,试验结果如表1所示。
3 IT系统脉冲接地方式存在的问题
配出中性导体的IT系统最关键的问题在于中性导体上的绝缘监测。在能够监测中性导体绝缘这一前提下,脉冲接地方式的试验结果验证了这种新型接地系统原理的正确性:当可变电抗器的某一级接入回路后,只要选用了适当的熔断器与供电回路上的断路器互相配合,在遇到短路故障时总能通过断路器动作切除故障回路。
试验中,当选用的断路器与熔断器的额定值均小于短路电流时,仍存在断路器不动作或者熔断器未熔断的情况。究其原因,是变压器励磁涌流产生的非周期分量参与了脉冲接地系统选择性跳闸的过程,这是因为断路器的热熔断效应和断路器电磁脱扣机构的励磁效应均不是可靠的函数关系能够描述的,本身具有不可预知性,当非周期分量作用到这两者上时,产生的反应无法定量计算。试验现象中,适当增大断路器或熔断器的额定值而延长时间,躲过非周期分量,即可克服这一问题,例如短路限流值为250 A时,选用熔体额定电流为20 A的熔断器,供电回路第三级断路器额定持续电流10 A,熔断器未能熔断,当供电回路第三级断路器选用16 A时均正确动作;再如短路限流值为500 A时,供电回路第三级断路器额定持续电流为20 A,选用熔体额定电流为10 A的熔断器,断路器不跳闸,当选用20 A的熔断器时能正确动作。
实际上,供电回路中的断路器选择是由后级的负载大小决定的,并不受装设接地装置的影响,故电抗器每一级断路器上串联熔断器的选择是关键,不仅在量级上要将数值设置在电抗器前一级和后一级的额定值,还要在本级允许的范围内尽量选大额定电流的熔断器。
4 结语
以配出中性导体的IT系统为对象,论述了一种新型脉冲接地装置的原理和工作方式,通过试验验证了这一系统的合理性,针对产生的问题分析了原因及解决方法。这种装置能较好解决传统IT系统无法正确选线,只能靠人工手动拉闸排除故障的问题,保证了IT系统的高可靠性。
参考文献
[1]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,2007.
[2]王厚余.建筑物电气装置500问[M].北京:中国电力出版社,2008.
[3]王厚余.论IT系统的应用[J].建筑电气,2008,27(11):3-7.