IT配電系統(tǒng)的應用及其關鍵裝備

IT配電系統(tǒng)的應用及關鍵裝備夏麗平摘要：闡述了IT系統(tǒng)的工作特性．分析了IT系統(tǒng)的優(yōu)缺點。例舉了IT系統(tǒng)的適用范圍。IT系統(tǒng)在我國尚未得到適得其所的應用．但對IT系統(tǒng)的采用應加慎重。為減少我國的電氣災害，在某些場所和電氣裝置內(nèi)應擴展對IT系統(tǒng)的應用。關鍵詞：IT系統(tǒng)電氣安全應急電源UPS應用重復接地1IT系統(tǒng)的工作特性我國建筑電氣建國之初師宗前蘇聯(lián)電氣規(guī)范，曾廣泛采用TN—C系統(tǒng)。它節(jié)省一根PE線，但存在很多缺點。如中性線斷裂后設備外殼對地將帶220V危險接觸電壓，不能裝用RCD防電擊。也不能裝用四極開關來保證電氣維修安全。由于設備金屬外殼正常對地帶電位，它也不適用于爆炸危險場所和信息系統(tǒng)電氣裝置。改革開放后我國引進了國際電工標準并要求與其接軌，建筑電氣設計中更多地采用了TN—S、TN—C—S、TT系統(tǒng)。安全水平和功能得到了顯著提高，這是我國建筑電氣技術的一大進步。但對接地系統(tǒng)的理解和應用恐尚不盡深入和全面。IT系統(tǒng)在我國尚未得到適得其所的應用足以說明這一狀況。低壓電氣裝置的接地可分為兩大類：一類是上述電源端帶電導體不經(jīng)阻抗直接接地的TN、TT系統(tǒng)；另一類是電源端帶電導體不接地或經(jīng)高阻抗接地的IT系統(tǒng)。這兩類接地系統(tǒng)最大的不同是前者在發(fā)生接地故障時通?？孔詣忧袛嚯娫磥矸离姎鉃暮?。這不可避免地將招致供電的中斷；而后者當發(fā)生一個接地故障時。在保證電氣安全的前提下其裝設的絕緣監(jiān)測器報警而不必切斷電源，從而保證了供電的不間斷。我國建筑電氣人員往往習慣采用前者的TN、TT系統(tǒng)，而對后者的IT系統(tǒng)則比較陌生而很少采用。這就使我國的建筑電氣設計在有些情況下很難達到完善的地步。因此我們有必要對IT系統(tǒng)多進行一些探討以便更好地熟悉和應用這一接地系統(tǒng)。圖l所示為一IT系統(tǒng)。其電源端的帶電導體不接地(不作系統(tǒng)接地)，只作設備外殼的保護接地。當發(fā)生圖示的一個接地故障時，因故障電流如(單位：A)沒有返回電源的直接通路，只能通過兩非故障相帶電導體對地的電容電流返回電源。其值為：Id=2π?UC式中：?——系統(tǒng)標稱頻率，在我國為50Hz；U——線間標稱電壓，V；C——每一非故障相帶電導體的對地電容，F(xiàn)。圖lIT系統(tǒng)第一次接地故障時的故障電流走向Fig．1nedirectionofthefaultcurrentwhenITsystemhasthefirstgroundingfault由于?和C值甚小，圖l中的故障電壓U?=Id*RA小于人體接觸電壓限值UL(50V)。如果出現(xiàn)電弧或電火花，其能量也很小。酢和厶不足以引發(fā)電擊或其他電氣事故，也不足以使回路保護電器動作切斷電源。要求裝設圖示的絕緣監(jiān)測器IMD(InsulationMonitorDevice)來報警，以便及時排除接地故障。由于90％以上的回路跳閘斷電是由接地故障引起的。IT系統(tǒng)在發(fā)生圖示接地故障情況下，既能避免發(fā)生電氣事故。又可保證供電的不間斷。這一優(yōu)點是電源端需直接接地的TN和TT系統(tǒng)所不具有的。正因為此，發(fā)達國家在一些不問斷供電要求高或?qū)﹄姎獍踩刑厥庖蟮膱鏊脱b置中不采用TN或TT系統(tǒng)配電，而采用IT系統(tǒng)配電。為了避免可能出現(xiàn)的諧振和過電壓。IT系統(tǒng)也可經(jīng)一高阻抗接地，其值約為相電壓值的5倍，例如在220，380V系統(tǒng)中經(jīng)一1000Q的電阻接地．如圖2所示的R。IT系統(tǒng)以此高電阻R來限制接地故障電流。圖2lT系統(tǒng)經(jīng)高電阻R接地Fig．2GroundingofthesystemviahiShresistanceR2IT系統(tǒng)未被廣泛采用的原因IT系統(tǒng)具有上述TN和TT系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點。但它卻不被廣泛采用在一般建筑物電氣裝置內(nèi)。諸如下列一些原因限制了它的應用。2.1IT系統(tǒng)不宜引出中性線。不能提供220V電源國際電工標準強烈建議IT系統(tǒng)不引出中性線。這是因為如果引出中性線，當中性線發(fā)生接地故障時圖l中所示的絕緣監(jiān)測器無法報警，致使故障持續(xù)存在。這時IT系統(tǒng)實際上成為TN系統(tǒng)或TT系統(tǒng)，而電氣裝置管理人員卻無從發(fā)覺。如果再發(fā)生相線的接地故障，電氣裝置將按TN系統(tǒng)或TT系統(tǒng)來切斷電源，使重要用電設備供電中斷，導致嚴重后果。關于絕緣監(jiān)測器的工作原理和它不能對中性線故障報警使IT系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成TN或TT系統(tǒng)的原由詳見文獻[1]的第六章，為節(jié)約篇幅這里不贅述。由于不配出中性線，不能提供照明和控制用的220V電源。為此在IT系統(tǒng)內(nèi)需裝設380，220V降壓變壓器或采用其他辦法來取得220V電源。這自然增加了配電系統(tǒng)的復雜性和建設投資。2.2IT系統(tǒng)電氣裝置對絕緣水平有較高要求當IT系統(tǒng)的一相發(fā)生接地故障時。另兩相對地電壓將升高為220V的倍,因此電氣裝置的線路和設備絕緣水平要求較TN或TT系統(tǒng)為高。例如在IT系統(tǒng)內(nèi)配電電纜的額定電壓不應采用300／500V而應采用450／750V。絕緣水平的提高自然導致建設投資的增大。2.3lT系統(tǒng)需裝用絕緣監(jiān)測器IT系統(tǒng)在發(fā)生第一個接地故障后必須由圖l中所示的絕緣監(jiān)測器IMD來報警，以便及時排除故障，避免再發(fā)生第二個故障跳閘斷電。引起嚴重后果，為此必須裝設IMD。應注意IMD需通過與PE線的連接而接地，它與PE線的連接必須可靠，否則它將形同虛設不起報警作用。為了檢驗IMD的有效性還須配置測試IMD的儀器。凡此種種都將增加IT系統(tǒng)的建設投資和平時的維護工作量。3IT系統(tǒng)的適用范圍由于IT系統(tǒng)的上述不利因素使它的應用受到限制。在我國由于不了解IT系統(tǒng)，除在礦井、冶金企業(yè)以及有些局部范圍內(nèi)采用IT系統(tǒng)外，在建筑物電氣裝置配電中幾乎不采用IT系統(tǒng)。發(fā)達國家由于用電技術水平高，IT系統(tǒng)的應用比我國要廣泛得多，下面試舉一些IT系統(tǒng)應用的例子。3.1醫(yī)院內(nèi)的手術設備和維持病人生命的設備進行外科手術時，病人失去一層表皮阻抗．電擊危險大增。特別是胸腔手術，人體50μA的接觸電流或50mV的接觸電壓就可致人死命。RCD對這種微電擊無能為力，必須裝用隔離變壓器另設一局部的醫(yī)療IT系統(tǒng)來有效限制接觸電流和接觸電壓。當然，還需輔以高要求的局部等電位聯(lián)結(jié)。一些維持病人生命的電氣醫(yī)療設備。例如心肺萬方數(shù)據(jù)系統(tǒng)體外循環(huán)設備．如果中斷供電將很快導致病人生命危險．不間斷供電可靠性高的IT系統(tǒng)可避免這一危險。3.2某些集會場所的安全照明這可分為兩種情況：一種是人員眾多的集會場所，在事故斷電時其疏散照明應采用IT系統(tǒng)以確保人員的安全疏散；另一種是有重大政治影響的重要集會場所，中斷供電將造成嚴重的政治影響，這種場所內(nèi)包括照明用電的配電系統(tǒng)應全部采用IT系統(tǒng)。3.3礦井不論是煤礦或金屬礦，都屬電氣危險大的特殊場所。礦井下有地下水，必須保證抽水泵的供電，以免井下人員被淹。煤礦井下的抽風機也必須保證供電以排出瓦斯。另外人員上下礦井的電動車和采挖生產(chǎn)都需依賴可靠的電源，采用IT系統(tǒng)能很好地保證供電的不間斷。3.4玻璃廠玻璃廠如果事故斷電且斷電時間過長。玻璃溶液將凝固在玻璃熔爐內(nèi)，使玻璃熔爐報廢。3.5某些電爐和試驗設備某些電爐內(nèi)的熱加工件如果中斷供電將使加熱件報廢或質(zhì)量降低。重要試驗設備如果中斷供電將使此前長時間的試驗工時報廢。3.6冶金廠此類工廠內(nèi)有許多設備如果供電中斷很可能導致嚴重危險。例如鋼鐵廠的冶金爐如果斷電而停供冷卻水，將導致爐體燒塌的危險。3.7發(fā)電廠的廠用電發(fā)電廠的廠用電如果事故中斷，將影響整個地區(qū)的安全供電。3.8化工廠化工廠如果事故中斷供電，復雜的生產(chǎn)流程被打亂，需花費長時間來恢復正常生產(chǎn)。導致巨大的經(jīng)濟損失。3.9爆炸危險場所爆炸危險場所(包括上述煤礦井下)如果產(chǎn)生電弧、電火花，可能引起爆炸。IT系統(tǒng)接地故障電流小，其電弧、電火花的能量也小，引爆危險也相應減小。3.10計算機中心計算中心如果因故障中斷供電，將使數(shù)據(jù)丟失，可能導致巨大的經(jīng)濟損失或其他不良影響。3.11應急電源應急電源(EPS)非一般備用電源(SPS)，它的中斷供電將引起嚴重后果。例如高層建筑內(nèi)供消防用電的柴油發(fā)電機電源即屬應急電源。它的供電中斷將造成慘重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。4主要產(chǎn)品型號規(guī)格及配置安科瑞（Acrel）公司的醫(yī)用隔離電源柜是針對醫(yī)療2類場所的供電需求而設計的具有局部IT系統(tǒng)的配電柜，IT系統(tǒng)裝設絕緣監(jiān)測裝置來監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣狀況，各輸出回路采用了具有短路保護功能的斷路器；其它系統(tǒng)輸出回路則采用了具有漏電保護功能的斷路器。產(chǎn)品根據(jù)使用場所的不同分為GGF-O系列手術室用隔離電源柜和GGF-I系列ICU/CCU等病房用隔離電源柜兩大類，能夠很好的滿足各類手術室和重癥監(jiān)護室對電源安全性和可靠性的要求，并符合GB16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002《建筑物電氣裝置第7-710部分：特殊裝置或場所的要求-醫(yī)療場所》和GB7251.1-2005/IEC60439-1:1999《低壓成套開關設備和控制設備》等標準。應用場合圖片型號主要功能ICU/CCU病房隔離電源柜GGF-I系列為醫(yī)院ICU/CCU病房提供安全可靠的IT系統(tǒng)隔離供電電源，并具有對IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測功能。手術室隔離電源柜GGF-O系列為醫(yī)院各類手術室提供安全完美的供電解決方案，為重要的手術設備提供安全可靠的IT系統(tǒng)隔離供電電源，并具有對IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測功能。醫(yī)療IT配電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置AIM-M100具有對被監(jiān)測IT系統(tǒng)對地絕緣電阻、隔離變壓器負荷電流、變壓器繞組溫度實時監(jiān)測及故障報警功能；ACLP10-24儀表專用的直流穩(wěn)壓模塊，導軌式安裝，AID100具有絕緣電阻、變壓負荷率實時顯示功能；可遠程設置絕緣監(jiān)測儀的報警閥值AKH-0.66P26與AIM-M100絕緣監(jiān)測儀配套使用的保護型電流互感器。最大可測電流為50A，變比為2000:1隔離變壓器AITR系列醫(yī)院專用的隔離變壓器，為各類手術室和重癥監(jiān)護室提供安全的電源隔離4.1ICU、CCU病房配電解決方案（以GGF-I8隔離配電柜系統(tǒng)圖為例）表1方案配置表規(guī)格配置GGF-I6.3GGF-I8隔離變壓器AITR6300AITR8000絕緣監(jiān)測儀AIM-M100直流穩(wěn)壓電源ACLP10-24輸出回路IT系統(tǒng)：4路、8路等（可根據(jù)實際需求定制）電流互感器AKH-0.66P26帶短路保護的斷路器C65H-ICB-16A/2P不間斷電源可選配置，也可外置報警與顯示儀AID100(安裝于情報面板上)4.2手術室配電解決方案（以GGF-O8隔離配電柜系統(tǒng)圖為例）表2方案配置表規(guī)格配置GGF-O6.3GGF-O8隔離變壓器AITR6300AITR8000絕緣監(jiān)測儀AIM-M100IT

系

統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源ACLP10-24電流互感器AKH-0.66P26帶短路保護斷路器C65H-ICB-16A/2P報警與顯示儀AID100(安裝于情報面板上)饋電回路8路AC220V1路AC380V、8路AC220VTN

系

統(tǒng)浪涌保護器PR2020KA3P+N多功能儀表ADL3000剩余電流動作保護器動作電流≤30mA(A型)不間斷電源可選配置，也可外置雙電源切換裝置可選配置5IT系統(tǒng)與UPS的結(jié)合應用上文中提及IT系統(tǒng)適用于計算機中心。這里需補充說明，我國計算機中心(包括其他信息技術裝置)為了防地區(qū)電網(wǎng)供電中斷和其他電壓擾動引起的不良后果，常裝用UPS給設備供電。關于UPS輸出端的接地系統(tǒng)的選用，防電磁干擾的國際電工標準《電壓擾動和電磁干擾的防范》(IEC60364—4—44，2006)提出如圖3所示的方案。圖中UPS逆變后經(jīng)一雙繞組變壓器重新起一個電源系統(tǒng)供電給用電設備，其負荷側(cè)輸出端可接地，也可不接地，視另起的系統(tǒng)是TN或IT系統(tǒng)而定。如果停用UPS。經(jīng)圖示旁路開關直接供電。則這時UPS負荷側(cè)的接地系統(tǒng)與其電源側(cè)的接地系統(tǒng)相同。圖3UPS負荷側(cè)重新另起的系統(tǒng)采用IT系統(tǒng)Fig.3ITsystemisadoptedbytheseparatelyderivedsystemonUPSloadside我國《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50303—2002)第9．1．4條強制性規(guī)定：“不間斷電源輸出端的中性線(N極)，必須與由接地裝置直接引來的接地干線相連接。做重復接地。”其條文說明稱這是為了防中性線意外斷開(俗稱“斷零”)時三相電壓不平穩(wěn)，損壞重要用電設備。此9．1．4條顯然與國際電工標準矛盾，其說明的理由也難成立。應該澄清，UPS的負荷側(cè)系統(tǒng)不是電源側(cè)系統(tǒng)的延伸。而是重新起的另一系統(tǒng)(separatelyderivedsystem)，UPS的輸出端是此另起系統(tǒng)的始點(Origin)。始點處如帶電導體直接接地。此另起的系統(tǒng)即是TN系統(tǒng)或TT系統(tǒng)：如果不接地．此另起的系統(tǒng)即是供電可靠性高的IT系統(tǒng)。所以UPS輸出端的接地并不是其電源側(cè)TN系統(tǒng)的重復接地，而是負荷側(cè)重新起的另一系統(tǒng)的電源端的系統(tǒng)接地。國際電工標準《電壓擾動和電磁干擾的防范》特別提出并不強求UPS輸出端接地。因采用不接地的IT系統(tǒng)可提高重要用電設備的供電可靠性。我國施工驗收規(guī)范這一規(guī)定是值得商榷的。順便說明。重復接地返回電源通路的阻抗值甚大于中性線的阻抗值。它不能代替中性線來平衡三相電壓解決“斷零”損壞設備的問題，詳見文獻?的第十五章，不贅述。施工驗收規(guī)范實施后不少建筑電氣同行曾撰文質(zhì)疑。筆者2003年也曾為此獻丑過一篇拙作?，其中也提及UPS輸出端“重復接地”不妥的問題。文中希望施工驗收規(guī)范只編入保證施工質(zhì)量的要求，勿涉及施工人員不熟悉的設計要求。以免誤導?，F(xiàn)在的情況是它的一些有待商榷的規(guī)定被其他電氣設計規(guī)范和資料、圖冊廣為引用，其影響的擴大令人不安。6對IT系統(tǒng)的應用應加慎重IT系統(tǒng)雖具有上述優(yōu)點，但對其應用應加慎重?，F(xiàn)時建筑物電氣裝置中的配電廣泛采用的仍應是簡單易行的TN和TT系統(tǒng)，IT系統(tǒng)只適用于對不間斷供電要求高和某些電氣危險大的特殊場所和裝置。我國上世紀六、七十年代有的地區(qū)供電部門不甚了解IT系統(tǒng)。為減少農(nóng)業(yè)電網(wǎng)頻發(fā)的電擊事故，曾在農(nóng)電中采用過IT系統(tǒng)。但采用中IT系統(tǒng)需設置的安全措施卻不到位。沒有收到預期的效果，反而招致其他電氣危險，不得不改回為原先的接地系統(tǒng)。這一經(jīng)驗教訓應引以為戒。筆者了解，北歐有的國家(例如挪威)的地區(qū)低壓配電公用電網(wǎng)采用了IT系統(tǒng)，有的發(fā)達國家在其南極考察站也采用了IT系統(tǒng)。這里IT系統(tǒng)的采用并非出于重要設備不間斷供電和特殊電氣安全要求的考慮．而是為了適應電氣裝置所處的環(huán)境條件。大家知道TN和TT系統(tǒng)電源端的系統(tǒng)接地的接地電阻值越小．電氣上越安全。而在南極冰天雪地的環(huán)境條件下。作低阻值的接地十分困難。IT系統(tǒng)本不需作系統(tǒng)接地。避開了這一難題，所以采用IT系統(tǒng)就十分合適。但這只能作為IT系統(tǒng)應用中的一個特例，不能推廣。7我國應在適當場所或裝置內(nèi)擴展IT系統(tǒng)配電的應用由于我國建筑電氣技術水平相對較低，IT系統(tǒng)在我國許多場合并未得到應有的應用。常為此招致嚴重后果。例如高層建筑的消防應急電源在國際電工標準和發(fā)達國家電氣標準中都采用IT系統(tǒng)供電以保證供電的不間斷。美國曾為我國設計過一超高層建筑。為其配置了共計9000kW的自備柴油發(fā)電機。其中5000kW采用TN—S系統(tǒng)作一般備用電源；另外4000kW采用IT系統(tǒng)，作消防用電等應急電源，由此可看出發(fā)達國家以人為本。對電氣安全和IT系統(tǒng)應用的重視。但在我國新版的電氣消防規(guī)范和有關電氣設計規(guī)范中對IT系統(tǒng)在消防應急電源中的應用卻全未提及。這有悖國際電工標準，也充分說明我國安全意識不高和建筑電氣技術上的差距。上世紀50年代末建設的北京人民大會堂是具有重大政治影響的集會場所。限于當時的技術水平，人民大會堂的配電采用了TN系統(tǒng)。若在今13建設人民大會堂，毋庸置疑應全部或局部采用IT系統(tǒng)配電。它可為人民大會堂的電氣管理人員減輕不少精神壓力。IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測器是可在線持續(xù)顯示電氣裝置的絕緣電阻值的．絕緣電阻下降的報警值也是可調(diào)的。在實際應用中它并非在絕緣破損發(fā)生故障時才報警，而是在尚未發(fā)生故障，電氣裝置的絕緣電阻下降到設定值時(例如50kfl)就報警，它比剩余電流動作的報警器(RCM)要靈敏得多。這樣電氣管理人員在發(fā)生故障前就可及早發(fā)現(xiàn)絕緣下降隱患，消除潛在的電氣危險，這點對電氣安全是很有意義的。建筑電氣國際電工標準已引進我國多年，但IT系統(tǒng)在我國尚未得到應有的采用，這是因為我國建筑電氣設計人員對IT系統(tǒng)還不了解，不會用。有的建筑電氣同行不理解。常問及：一個TN—S系統(tǒng)的高層建筑內(nèi)消防應急電源卻為IT系統(tǒng)，同一建筑物內(nèi)何以出現(xiàn)兩個不同的接地系統(tǒng)。其實這兩個系統(tǒng)是完全可在同一建筑物內(nèi)兼容并存的。圖4所示為一TN—S系統(tǒng)