低壓岸電ITN系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用保障

吳振飛，許 江，張健鵬，張群峰，王傳斌

應(yīng)用研究

低壓岸電ITN系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用保障

吳振飛1，許 江2，張健鵬1，張群峰1，王傳斌1

（1.江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028， 2. 江蘇鎮(zhèn)江建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

介紹了常規(guī)岸電技術(shù)供船舶負(fù)荷的應(yīng)用存在的問題，對(duì)系統(tǒng)接地型式、絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展、信號(hào)源注入方法等方面進(jìn)行理論分析，通過對(duì)ITN系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)驗(yàn)證，建議岸電行業(yè)規(guī)范采用系統(tǒng)接地型式。

系統(tǒng)接地 ITN系統(tǒng) 中性導(dǎo)體（N） 岸電 絕緣監(jiān)測(cè) 直流注入法 交流注入法

0 引言

船舶電力系統(tǒng)采用IT系統(tǒng)向船舶負(fù)荷用電，文獻(xiàn)[1]5.5.2b)條款、文獻(xiàn)[2]4.3.8條款和文獻(xiàn)[3]4.3.3條款分別規(guī)定：“船舶岸電系統(tǒng)輸出側(cè)接地宜采用IT方式，也可采用經(jīng)過隔離變壓器的TN-S方式”，但文獻(xiàn)[4]明文規(guī)定岸電系統(tǒng)電源接地型式應(yīng)采用IT方式，軍民兩類標(biāo)準(zhǔn)存在嚴(yán)重的接地型式差異，經(jīng)過隔離變壓器的TN-S方式對(duì)于岸電負(fù)載來說提供的還是直接接地方式，與前述的宜采用IT方式相左，實(shí)際上對(duì)于岸電的供電電源應(yīng)提供不接地IT方式還是接地TN方式一直是應(yīng)討論和統(tǒng)一規(guī)范使用的關(guān)鍵問題？文獻(xiàn)[5]通篇都將岸電管理范圍界定于“油氣化工碼頭除外”，其中主要一個(gè)因素則是TN接地型式供給岸電系統(tǒng)時(shí)一旦發(fā)生單相接地故障會(huì)形成電火花造成碼頭區(qū)域事故擴(kuò)大，而IT不接地型式發(fā)生單相接地故障時(shí)因與大地未形成回路，不會(huì)產(chǎn)生電火花，形成了此接地型式的一大安全可靠獨(dú)有優(yōu)勢(shì)。低壓岸電系統(tǒng)已大規(guī)模建設(shè)推廣，但使用則存在無法忽視的安全隱患，接地型式的正確選取對(duì)于低壓岸電標(biāo)準(zhǔn)的完善和規(guī)范化應(yīng)用都值得業(yè)內(nèi)高度重視。

1 船、岸電常規(guī)接地型式差異推動(dòng)了ITN系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展

1.1 船舶電站和低壓岸電應(yīng)用現(xiàn)狀

船舶電站低壓電源采用IT系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流通過非故障相對(duì)地電容返回電源，其值很小僅為非故障相對(duì)地電容電流的向量和，裝設(shè)的絕緣監(jiān)視裝置自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕緣水平及時(shí)報(bào)警，按照電力規(guī)程系統(tǒng)可帶故障繼續(xù)運(yùn)行2 h，不必切斷電源側(cè)斷路器，避免因斷路器跳閘而導(dǎo)致大面積停電。船舶對(duì)低壓岸電的要求是交流380 V電源，不帶中性線。但碼頭上有裝卸機(jī)械、路燈、庫房、浴廁、值班室、維修等設(shè)施設(shè)備用電需要單相交流220 V電源。TN系統(tǒng)可限制中性點(diǎn)電位漂移，方便引出220/380 V同時(shí)給三相、單相負(fù)載供電。目前我國大多數(shù)碼頭供岸電低壓接地型式采用TN系統(tǒng), 船載絕緣監(jiān)測(cè)儀不能監(jiān)測(cè)TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)的絕緣而必須解除，岸電TN系統(tǒng)供船電則帶來安全隱患，引發(fā)一些不明原因的電氣事故和設(shè)備絕緣擊穿現(xiàn)象。

1.2 TN系統(tǒng)與IT系統(tǒng)的保護(hù)差異

文獻(xiàn)[6]詳細(xì)描述了IT系統(tǒng)和TN系統(tǒng)供船舶使用岸電的安全性能比較，以及對(duì)岸電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)所采取的保護(hù)方式不同而形成了低壓岸電推廣應(yīng)用的瓶頸，在此簡略敘述一下兩種接地型式供給岸電系統(tǒng)的差異便于岸電合理應(yīng)用。TN系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)采用三相電流不平衡電氣矢量和不為零，出現(xiàn)零序電流觸發(fā)斷路器動(dòng)作的“漏電保護(hù)原理”來切斷電源進(jìn)行負(fù)載和線路保護(hù)，但對(duì)于供電連續(xù)性則得不到保障會(huì)影響岸電正常使用。IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)因與大地未形成回路，僅產(chǎn)生微小的接地泄漏電流，系統(tǒng)采用監(jiān)測(cè)絕緣電阻的下降變化進(jìn)行聲光報(bào)警，其系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)器動(dòng)作原理如圖1所示，故IT系統(tǒng)較TN系統(tǒng)更優(yōu)于應(yīng)用到岸電領(lǐng)域中。

圖1 IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)器動(dòng)作原理圖

1.3 TN系統(tǒng)向船供電實(shí)則是TT系統(tǒng)

岸電采用TN系統(tǒng)給船舶供電時(shí)，岸電變壓器中性點(diǎn)直接接地，船舶用電設(shè)備由船體、海水與大地連接構(gòu)成保護(hù)接地，電源中性點(diǎn)系統(tǒng)接地和負(fù)載端保護(hù)接地相互間沒有電氣聯(lián)系，實(shí)則是TT系統(tǒng)，見圖2。TT系統(tǒng)供電正常情況下，船舶用電設(shè)備外殼與供電線路間的對(duì)地絕緣將承受交流220 V，埋下了電擊、電氣火災(zāi)、設(shè)備絕緣擊穿等等安全隱患，因TN系統(tǒng)設(shè)計(jì)未按照TT系統(tǒng)必備要求配置剩余電流動(dòng)作保護(hù)器RCD來切斷幅值小的接地故障電流，所引發(fā)事故的原因往往很難查清。

圖2 岸電TN系統(tǒng)給船舶供電實(shí)際是TT系統(tǒng)

1.4 10 kV小電阻接地系統(tǒng)故障隱患

圖3 10 kV經(jīng)小電阻接地引起暫時(shí)工頻過電壓

1.5 岸電ITN系統(tǒng)技術(shù)由來

傳統(tǒng)IT系統(tǒng)無法為碼頭附屬設(shè)施直接提供單相電源，為保證船舶和碼頭附屬設(shè)施同時(shí)供電就必須設(shè)置IT和TN兩套系統(tǒng)。但船舶離開后的IT系統(tǒng)長期閑置受惡劣鹽霧環(huán)境勢(shì)必影響電氣壽命，鑒于以上技術(shù)分析，TN系統(tǒng)供船電使用存在諸多安全隱患。采用配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)，既能滿足船舶電力系統(tǒng)不接地的要求，又能為港區(qū)附屬設(shè)施供電，特別是可以直接為單相負(fù)載提供電源，而不必增設(shè)專用的單相變壓器或單獨(dú)建設(shè)IT系統(tǒng)，但傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)裝置無法監(jiān)測(cè)中性導(dǎo)體(N)接地故障，ITN系統(tǒng)技術(shù)的可靠支撐依賴于中性導(dǎo)體(N)接地故障監(jiān)測(cè)。

2 ITN接地型式關(guān)鍵技術(shù)

2.1 中性導(dǎo)體（N）對(duì)地故障檢測(cè)

2.1.1 中性導(dǎo)體接地故障檢測(cè)存在的問題

2.1.2直流注入法檢測(cè)中性導(dǎo)體接地故障

圖4 配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)直流注入法絕緣監(jiān)測(cè)動(dòng)作原理圖

如圖4所示，從系統(tǒng)的中性點(diǎn)注入一個(gè)直流信號(hào)，該直流信號(hào)的獲取可通過本系統(tǒng)內(nèi)取得，也可取自外電，如不間斷電源等。注入的直流信號(hào)沿中性導(dǎo)體對(duì)地絕緣電阻N和外露可導(dǎo)電部分接地電阻A，仍可構(gòu)成閉合回路，當(dāng)N變小時(shí)，中性導(dǎo)體上的直流電流I迅速增大，導(dǎo)致直流電流=劇增，采樣電阻上的電壓降超過預(yù)先設(shè)定值時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置同樣有反應(yīng)，也就是說，配出中性導(dǎo)體后，IT系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)裝置仍然能夠正確反映系統(tǒng)的絕緣水平，中性導(dǎo)體的絕緣也可以正常監(jiān)測(cè)[11]。利用這種外加信號(hào)的故障檢測(cè)方法確實(shí)可以解決中性導(dǎo)體上絕緣監(jiān)測(cè)的問題。事實(shí)上，注入系統(tǒng)中性點(diǎn)的不僅可以是直流信號(hào)，還可以是交流信號(hào)；檢測(cè)對(duì)地絕緣電阻阻值的方法不僅可以通過裝置中的采樣電阻，也可以在線路中加裝各種形式的高精度電流互感器檢測(cè)線路流過的故障電流，通過計(jì)算獲取阻值；注入的信號(hào)不僅可用于絕緣損壞的報(bào)警，還可配合電流互感器對(duì)接地故障進(jìn)行定位。

圖5 配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)直流源絕緣監(jiān)測(cè)界面顯示

2.1.3 交流注入法檢測(cè)中性導(dǎo)體接地故障

在變壓器的中性點(diǎn)處注入一個(gè)特定頻率的低頻交流信號(hào)，假設(shè)1、2、3、4和1、2、3、4分別為三相及N對(duì)地的等效絕緣電阻和分布電容，在系統(tǒng)絕緣下降之前，1、2、3、4遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻，所注入源的電流對(duì)絕緣電阻的影響非常微弱。其原理如圖6所示。

圖6 配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)交流注入法絕緣監(jiān)測(cè)原理圖

低頻交流注入源單獨(dú)作用于系統(tǒng)時(shí)，等效原理圖如圖7所示，其中R為限流電阻，，分別為供電系統(tǒng)三相和N對(duì)地絕緣電阻和分布電容的并聯(lián)值，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行在線絕緣監(jiān)測(cè)時(shí)，將對(duì)電路中的A，B，C三點(diǎn)的電壓進(jìn)行取樣，分別為A，B,C。

圖7 配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)交流注入法等效電路圖

C點(diǎn)和A點(diǎn)的電壓差除以0，就可以得到回路中的電流。

B點(diǎn)和C點(diǎn)的電壓差除以回路中的電流，就可以得到R和C并聯(lián)的阻抗。

最后根據(jù)R，C并聯(lián)的公式就可以解出R和C的值[12]。其中θ為R和C并聯(lián)阻抗的相位角。f為注入源信號(hào)的頻率。

式(3)計(jì)算的是三相和N對(duì)地絕緣電阻的并聯(lián)值=1//2//3//4。由式(2)可以看出，當(dāng)限流電阻0一定時(shí)，等效回路中與注入電壓成正比，注入信號(hào)越大，越大，由此可以看出降低限流電阻阻值，增大注入電流，可提高絕緣電阻測(cè)量精度，在注入信號(hào)電壓與限流電阻值選定的情況下，分布電容測(cè)量值與注入信號(hào)頻率成反比，通過降低注入信號(hào)的頻率，提高分布電容測(cè)量范圍。

圖8 配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)交流注入法絕緣監(jiān)測(cè)人機(jī)界面顯示

圖9 配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)交流絕緣監(jiān)測(cè)模塊

2.2 多電纜并聯(lián)回路絕緣故障檢測(cè)

在多電纜并聯(lián)回路中，絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到此回路的接地故障，但是如何精準(zhǔn)判定接地故障發(fā)生在哪一根電纜、在哪一段？猶如解決絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)最后一公里難題，可大大提升絕緣監(jiān)測(cè)整體技術(shù)水平。絕緣監(jiān)測(cè)裝置的作用是對(duì)系統(tǒng)電壓、電流以及絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在每一段并聯(lián)電纜中的每根電纜前端和末端分別套一個(gè)傳感器，用每一根電纜前端傳感器信號(hào)電壓反饋值與電纜末端的傳感器反饋值作差運(yùn)算，通過差值的變化量來判斷故障電纜。當(dāng)某根電纜出現(xiàn)絕緣或接地故障時(shí)，電纜首端傳感器信號(hào)電壓反饋值較無故障時(shí)增大，電纜末端傳感器信號(hào)電壓反饋值較無故障時(shí)減小，兩者差值較無故障時(shí)有明顯增大的變化量，隨著故障接地電阻值的增大，兩者傳感器的差值成減小變化的趨勢(shì)[13～15]。

圖10 基于現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)的多電纜并聯(lián)回路絕緣監(jiān)控系統(tǒng)方案

工廠實(shí)驗(yàn)具體經(jīng)過如下：在岸電箱1與岸電箱2之間的并聯(lián)電纜段，分別在1號(hào)電纜中間段和末端、2號(hào)電纜首端、3號(hào)電纜末端設(shè)置故障，分為：1）直接接地、2）經(jīng)1 K電阻接地、3）經(jīng)5 K電阻接地、4）經(jīng)10 K電阻接地。分別記錄每根電纜收尾傳感器反饋值。

表1 1號(hào)電纜中間段接故障試驗(yàn)情況

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出電纜故障前后的首尾傳感器反饋值差值變化明顯，但隨接地電阻值增大，差值變化趨勢(shì)減小，然而并不影響對(duì)故障電纜的判斷。

表2 2號(hào)電纜后段接故障試驗(yàn)情況

表3 3號(hào)電纜首端接故障試驗(yàn)情況

表4 3號(hào)電纜末端接故障試驗(yàn)情況

3 ITN系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)保障

3.1 線纜和絕緣監(jiān)測(cè)裝置的選用

對(duì)IT系統(tǒng)而言，發(fā)生一相接地后另兩相對(duì)地電壓將升高為線電壓380 V。因此在進(jìn)行線纜選擇時(shí)，應(yīng)注意IT系統(tǒng)須采用額定電壓為450/750 V以上的四芯或五芯電纜，筆者建議不論采用何種接地型式，低壓電纜額定電壓均選用0.6/1 kV，同理電氣設(shè)備的絕緣水平和體積也應(yīng)相應(yīng)提高和增大以策安全。ITN系統(tǒng)因輸出中性線，傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)裝置因缺乏對(duì)N線，故應(yīng)選用三相四線制絕緣監(jiān)測(cè)裝置。

3.2 RCD漏電保護(hù)的備用設(shè)計(jì)

發(fā)生一相接地后，ITN系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用工況轉(zhuǎn)變?yōu)門N系統(tǒng)或TT系統(tǒng)，故障相則變成了PE線，中性線電壓升高則變成了相線，會(huì)帶來人誤碰到中性線則產(chǎn)生觸電事故，此時(shí)若故障未解除發(fā)生第二次接地故障則絕緣監(jiān)測(cè)裝置已不起監(jiān)測(cè)和告警作用，故在ITN系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮配置RCD漏電流保護(hù)器后備保護(hù)，已滿足系統(tǒng)第二次接地故障時(shí)按照TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)接地保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[16]。

4 結(jié)論

通過對(duì)岸電低壓供電接地型式差異、中性導(dǎo)體絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)等問題分析闡述，規(guī)范低壓岸電行業(yè)推廣應(yīng)用，建議業(yè)內(nèi)完善岸電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和管理使用辦法，充分考慮ITN系統(tǒng)安全可靠的新型接地型式，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)層面規(guī)范引導(dǎo)我國岸電事業(yè)發(fā)展，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)低碳建港、為“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”國家戰(zhàn)略提供有力支撐。

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Key technology and application support of low-voltage shore power ITNsystem

Wu Zhenfei1, Xu Jiang2, Zhang Jianpeng1, Zhang Qunfeng1, Wang Chuanbin1

（1.Jiangsu Zhen’an electric power equipment Co., Ltd Zhenjiang 212028, Jiangsu, China; 2.Jiangsu Zhenjiang Construction Group Co., Ltd, Zhenjiang 212028, Jiangsu, China）

This paper introduces the problems existing in the application of conventional shore power technology for ship load, and makes the theoretical analysis of the system grounding type, insulation monitoring technology development, signal source injection method, etc. Through the development and verification of the key technology of IT system, it is suggested to adopt the system grounding type.

system earthing; ITsystem; neutral conductor(n); shore power;insulation monitoring;dc injection method; ac injection method.

TM762

A

1003-4862（2022）11-0001-05

2022-05-18

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目(BA2013130)

吳振飛（1976-），男，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事電氣產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)工作。E-mail: wzf133@sina.com