淺談船舶IT配電系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

時(shí)間：2022-05-22作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：260

摘要：介紹了**電工**對(duì)于IT 、TT 、TN配電系統(tǒng)的定義。根據(jù)IT 、TT 、TN 三種配電系統(tǒng)的接地型式不同，比較了IT系統(tǒng)與TT及TN 配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析歸納了IT 配電系統(tǒng)供電連續(xù)性較高、供電安全性較好的優(yōu)勢(shì)以及供電靈活性較低、設(shè)備絕緣要求高的缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)船舶IT 配電系統(tǒng)的應(yīng)用案例，探討了IT配電系統(tǒng)發(fā)生一次和*二次接地故障時(shí)需采取的保護(hù)措施，介紹了船舶IT 配電系統(tǒng)的設(shè)備配置。




關(guān)鍵詞：IT 配電系統(tǒng)；絕緣監(jiān)測(cè)；接地故障




0 前言

根據(jù)**電工**（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，低壓配電系統(tǒng)按照其保護(hù)接地的型式，可以分為IT 、TT 、TN三種配電系統(tǒng)。其中IT配電系統(tǒng)具有供電連續(xù)性及安全性高的優(yōu)勢(shì)，但由于系統(tǒng)成本較高，且不適用于長(zhǎng)距離電力傳輸，因此并未被陸地電網(wǎng)廣泛采用。對(duì)于船舶低壓電力系統(tǒng)而言，電網(wǎng)供電連續(xù)性對(duì)航行安全有著非常重要的作用，且船舶電網(wǎng)配電線路較短，電氣設(shè)備比較有限，因此初期投入成本的影響因素相對(duì)有限。若船舶運(yùn)輸危險(xiǎn)貨物，IT 系統(tǒng)相對(duì)其他系統(tǒng)而言產(chǎn)生的電弧或電火花較小，從安全性角度來(lái)說(shuō)有一定的優(yōu)勢(shì)。綜上所述，目前船舶低壓電力系統(tǒng)廣泛采用 IT 配電系統(tǒng)。

1 IT 、TT、TN 配電系統(tǒng)的定義




**電工**（IEC）對(duì)于IT 、TT 、TN 三種配電系統(tǒng)的定義是根據(jù)各系統(tǒng)保護(hù)接地的型式。系統(tǒng)名稱中首字母表示電源端與地的關(guān)系；次字母表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與地的關(guān)系，字母具體含義如表1所示。




由表1可見(jiàn)，IT配電系統(tǒng)即電源中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高電阻接地的同時(shí)，電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分直接接地的配電系統(tǒng)。船舶低壓IT配電系統(tǒng)通常電源中性點(diǎn)不接地，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。




TT配電系統(tǒng)即電源中性點(diǎn)直接接地，電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分直接接地的配電系統(tǒng)，其系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。




TN配電系統(tǒng)即電源中性點(diǎn)直接接地，電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分用中性線（N線）及保護(hù)接地線（PE線）與電源端接地點(diǎn)連接的配電系統(tǒng)，其中根據(jù)N線及PE接地線的不同組合， TN 系統(tǒng)又分為TN-C 、TN-S 、TN-C-S三種子系統(tǒng)。TN-C 表示系統(tǒng)內(nèi)N線與PE線是合一的； TN-S表示系統(tǒng)內(nèi)N線和PE線是分開(kāi)的；TN-C-S為TN-C與TN-S的結(jié)合型式，表示系統(tǒng)中N 線與PE線部分合一部分分開(kāi)。上述三種子系統(tǒng)的示意圖分別見(jiàn)圖 3、圖4 及圖 5
 










2 IT配電系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 供電連續(xù)性

IT 配電系統(tǒng)發(fā)生一個(gè)接地故障時(shí)故障電流較小，因此通常不跳閘，只產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。 其原理如圖6所示，當(dāng)發(fā)生圖示的接地故障時(shí)，因故障電流沒(méi)有返回電源的直接通路，只能通過(guò)兩非故障相的帶電導(dǎo)體對(duì)地的電容電流返回電源，因此接地故障的故障回路阻抗僅包括非故障相導(dǎo)體對(duì)地容抗XC和外露可導(dǎo)電部分保護(hù)接地的接地電阻RA。由于XC垌RA，故障電流主要取決于導(dǎo)體對(duì)地電容的容抗XC，因此可以按式（1）計(jì)算三相交流回路：

Id = 2 √3πfUC（1）

式中： Id —— —故障電流， A ；

f —— —系統(tǒng)標(biāo)稱頻率，Hz ；

U —— —單相時(shí)為回路標(biāo)稱電壓，三相時(shí)為相間標(biāo)稱電壓，V ；

C —— —非故障帶電導(dǎo)體對(duì)地電容，F(xiàn)




由圖6可見(jiàn)，公式中的C值為相導(dǎo)體對(duì)地電容。由于相導(dǎo)體對(duì)地絕緣，其對(duì)地電容值很小，因此通過(guò)上述公式計(jì)算所得的故障電流值很小，不足以引發(fā)電氣事故。此時(shí)保護(hù)電器不動(dòng)作，在發(fā)生故障后可持續(xù)運(yùn)行，以保證供電的不間斷。因此，IT系統(tǒng)適用于對(duì)供電連續(xù)性要求較高的場(chǎng)所。










TT 配電系統(tǒng)發(fā)生接地故障的示意圖如圖7所示。故障回路阻抗主要由相導(dǎo)體阻抗、電氣設(shè)備外殼接地電阻、電源裝置接地電阻及電源內(nèi)阻構(gòu)成。TN配電系統(tǒng)以TN-S配電系統(tǒng)為例，其發(fā)生接地故障的示意圖如圖8所示，故障回路阻抗主要由相導(dǎo)體阻抗、PE線導(dǎo)體阻抗和電源內(nèi)阻構(gòu)成。由于導(dǎo)體阻抗、接地電阻及電源內(nèi)阻值均較小，因此上述兩種配電系統(tǒng)的故障電流值較大，在帶電設(shè)備外露導(dǎo)電部分及大地之間形成的電壓降較大，*導(dǎo)致電擊事故；若故障持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，故障電流在回路導(dǎo)體產(chǎn)生的異常高溫將增加引起電氣火災(zāi)的危險(xiǎn)。因此當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，過(guò)電流保護(hù)電器應(yīng)*切斷電源，導(dǎo)致供電連續(xù)性較低。




2.2 供電安全性

由于IT配電系統(tǒng)電源側(cè)中性點(diǎn)與地絕緣或經(jīng)高阻抗接地，所以人體只要不同時(shí)觸及不同的導(dǎo)電部分就構(gòu)不成故障回路。如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一次接地故障時(shí)產(chǎn)生的故障電流Id較小，接觸電壓Ut = RA×Id，一般小于人體接觸交流電壓限值（50V），該電壓對(duì)人體不會(huì)造成危險(xiǎn)的病理生理反應(yīng)。如果出現(xiàn)電弧或電火花其能量也很小，不足以引發(fā)電擊、火災(zāi)或其他電氣事故。

TT及TN配電系統(tǒng)若發(fā)生接地故障時(shí)，帶電設(shè)備外露可導(dǎo)電部分產(chǎn)生的接觸電壓大于人體接觸交流電壓限值，若此時(shí)人體觸及到帶電設(shè)備外殼會(huì)導(dǎo)致間接接觸電擊事故，若不及時(shí)切斷電源，較易引起火災(zāi)等其他電氣事故，相對(duì)IT系統(tǒng)而言安全性較低。

2.3 供電靈活性

IT配電系統(tǒng)若引出中性線，絕緣監(jiān)測(cè)儀無(wú)法探測(cè)到中性線接地故障，致使故障持續(xù)存在，若此時(shí)發(fā)生*二次接地故障則保護(hù)將起作用直接切斷電源，致使重要用電設(shè)備供電中斷，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此船舶IT配電系統(tǒng)通常不引出中性線。系統(tǒng)提供AC380V或 AC440V線電壓。對(duì)于船舶上設(shè)有大量的單相交流220V負(fù)荷，如照明、電加熱器及控制電源等，由于系統(tǒng)內(nèi)無(wú)法直接提供上述設(shè)備的電源，必須采用配置變壓器方式來(lái)滿足負(fù)荷需求。 由此可見(jiàn)，IT配電系統(tǒng)的靈活性較低。TT與TN配電系統(tǒng)均可引出中性線，可靈活地提供三相交流380V電源及單相交流220V電源。供電靈活性比IT系統(tǒng)高。

2.4 絕緣要求

IT配電系統(tǒng)的單相發(fā)生接地故障時(shí)，另兩相對(duì)地電壓將升高為220V的 √3倍，升高為380V。如果系統(tǒng)帶故障長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，則會(huì)加快電氣設(shè)備及電纜的絕緣老化，使之收到不同程度的損壞。TT及TN配電系統(tǒng)中，由于電源中性點(diǎn)直接接地，在發(fā)生單相接地故障時(shí)能夠抑制電網(wǎng)對(duì)地電壓的升高。 因此IT配電系統(tǒng)對(duì)線路和設(shè)備絕緣水平要求比其他兩種配電系統(tǒng)高，增加了建設(shè)初期的設(shè)備成本。綜上所述，根據(jù)IT、TT、TN 配電系統(tǒng)接地型式的不同，可以得出IT配電系統(tǒng)與其他兩種配電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)比較，如表2所示。







3 船舶低壓IT配電系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 船舶低壓IT 配電系統(tǒng)的配置

通常，船舶低壓IT配電系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)組、配電板（包括絕緣監(jiān)測(cè)儀）、變壓器組成。




以交流380 V、50Hz電制的運(yùn)輸船舶為例，低壓配電系統(tǒng)主要由4組匯流排組成，分別為主配電板AC380V、AC220V、應(yīng)急配電板AC380V、AC220V。在每組匯流排上均應(yīng)設(shè)有絕緣監(jiān)測(cè)儀（簡(jiǎn)稱為IMD）以持續(xù)監(jiān)測(cè)船舶電網(wǎng)絕緣狀態(tài)，如圖9所示。

為避免船上廚房、洗衣設(shè)備因潮濕而引起的絕緣保護(hù)誤動(dòng)作，部分船舶采用隔離變壓器的方式，既可解決此問(wèn)題，同時(shí)還可確保船上重要設(shè)備供電的連續(xù)性，如圖 10 所示。

3.2 **接地故障的保護(hù)

IT配電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)器發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)**接地故障后，應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒相關(guān)操作人員根據(jù)信號(hào)進(jìn)行故障排除， 此時(shí)IT配電系統(tǒng)仍正常運(yùn)行。但是預(yù)期接觸電壓不得**過(guò)50V，這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意到系統(tǒng)內(nèi)線纜的長(zhǎng)度以及電氣設(shè)備的數(shù)量，以減少**接地故障時(shí)的故障電流Id 或降低保護(hù)接地的接地電阻RA，使系統(tǒng)**接地故障時(shí)*切斷電源。

船上IT配電系統(tǒng)，為了提高供電不間斷性，通常不等發(fā)生**接地故障而是利用絕緣監(jiān)測(cè)儀在電氣裝置絕緣水平降低到整定值時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以便及早消除絕緣隱患。 該整定值只需小于IT配電系統(tǒng)負(fù)載無(wú)故障運(yùn)作時(shí)的對(duì)地絕緣電阻即可。因 IT 配電系統(tǒng)投入使用后接用了大量用電設(shè)備，大大降低了對(duì)地絕緣電阻，目前海上船舶動(dòng)力網(wǎng)對(duì)地絕緣正常值大多在1MΩ上下，照明電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻正常值大多在0.4~0.8 MΩ。

絕緣監(jiān)測(cè)儀一般安裝在三根相線與地之間，如圖11所示為直流法絕緣監(jiān)測(cè)儀原理圖。 圖11中R1為分壓電阻，Rf為絕緣監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)的對(duì)象—— —系統(tǒng)對(duì)地電阻，電源端的帶電導(dǎo)體不接地，只作設(shè)備外殼的保護(hù)接地。正常情況下系統(tǒng)與地是絕緣的，此時(shí)Rf在理論上應(yīng)等效為無(wú)窮大；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，系統(tǒng)導(dǎo)線與外殼直接接觸，則導(dǎo)致系統(tǒng)與地直接連接，此時(shí)的Rf理論上應(yīng)等效0。絕緣監(jiān)測(cè)儀向系統(tǒng)注入直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)Rf進(jìn)入絕緣監(jiān)測(cè)儀構(gòu)成一個(gè)閉合回路， 通過(guò)簡(jiǎn)單的歐姆定律即可算出Rf的大小。直流法絕緣監(jiān)測(cè)儀簡(jiǎn)單可靠，適用于不含直流分量的IT配電系統(tǒng)，又因采用直流信號(hào)可以有效地避免系統(tǒng)電容造成的影響，使其測(cè)量的阻抗具有較高的準(zhǔn)確度。




對(duì)于絕緣監(jiān)測(cè)儀的配置，各船級(jí)社均有明確的要求，用于電力、電熱和照明的絕緣配電系統(tǒng)，無(wú)論是一次系統(tǒng)還是二次系統(tǒng)，均應(yīng)設(shè)有連續(xù)監(jiān)測(cè)絕緣電阻、且能在絕緣電阻異常低時(shí)發(fā)出聽(tīng)覺(jué)或視覺(jué)報(bào)警信號(hào)的絕緣電阻監(jiān)測(cè)報(bào)警器。 可見(jiàn)絕緣監(jiān)測(cè)儀對(duì)于船舶電網(wǎng)的持續(xù)安全運(yùn)行起著十分重要的作用，因此對(duì)其可靠性也有較高的要求。在絕緣監(jiān)測(cè)儀的安裝、檢驗(yàn)和維護(hù)管理中應(yīng)特別注意其接地導(dǎo)通的良好。否則當(dāng)IT配電系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)將無(wú)法報(bào)警，從而使 IT 配電系統(tǒng)不能體現(xiàn)其高供電可靠性。

3.3 *二次接地故障的保護(hù)

當(dāng)電網(wǎng)中不同相線上發(fā)生*二個(gè)接地故障會(huì)造成線間短路，電流流向如圖12中虛線所示，短路電流不僅會(huì)發(fā)生人身危險(xiǎn)，對(duì)電氣設(shè)備的損壞非常嚴(yán)重，如發(fā)生在發(fā)電機(jī)端會(huì)燒毀發(fā)電機(jī)，造成船上大面積停電。 這對(duì)于航行是十分危險(xiǎn)的。 因此，當(dāng)發(fā)生*二個(gè)接地故障時(shí)，必須通過(guò)漏電保護(hù)器或過(guò)電流保護(hù)電器及時(shí)地切斷電源。由于船用電氣裝置的外露導(dǎo)電部分均為單獨(dú)接地，所以保護(hù)電器應(yīng)符合式（2）要求：

RA1×Ia ≤50V

RA2×Ia ≤50V（2）

式中： RA1、RA2 —— —電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分接地較的接地電阻，Ω ；




Ia —— —保護(hù)電器切斷故障回路的動(dòng)作電流， A




4 安科瑞工業(yè)用絕緣監(jiān)測(cè)儀介紹

4.1 概述

隨著工業(yè)科技的發(fā)展，漏電流對(duì)工業(yè)生產(chǎn)安全構(gòu)成了很大的威脅。為了提高供電的連續(xù)性和可靠性，許多重要生產(chǎn)場(chǎng)所采用了不接地供電系統(tǒng)。安科瑞AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域如礦井、玻璃廠、電爐和試驗(yàn)設(shè)備、冶金廠、化工廠、爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所、計(jì)算機(jī)中心及應(yīng)急電源等的交流不接地系統(tǒng)中，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地的絕緣狀況，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時(shí)，及時(shí)報(bào)警，提醒相關(guān)人員排查故障。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行。




4.2 AIM-T系統(tǒng)工業(yè)用絕緣監(jiān)測(cè)儀介紹







AIM-T系列絕緣監(jiān)測(cè)儀主要應(yīng)用在工業(yè)場(chǎng)所IT配電系統(tǒng)中，用來(lái)監(jiān)測(cè)IT系統(tǒng)對(duì)地絕緣狀況，在系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時(shí)及時(shí)報(bào)警，以提醒電氣維護(hù)人員對(duì)故障及時(shí)排查。產(chǎn)品主要包括AIM-T300\AIM-T500兩大系列，其中兩款絕緣監(jiān)測(cè)裝置除去適用電壓等級(jí)不同以外，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。




4.3 AIM-T系列絕緣監(jiān)測(cè)儀應(yīng)用




AIM-T300絕緣監(jiān)測(cè)儀主要適用于在450V以下交流、直流以及交直流混合的不接地系統(tǒng)中；AIM-T500絕緣監(jiān)測(cè)儀主要適用于800V以下交流、直流以及交直流混合的不接地系統(tǒng)中。用于給礦井、玻璃廠、電爐和試驗(yàn)設(shè)備、冶金廠、化工廠、爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所、計(jì)算機(jī)中心以及應(yīng)急電源等場(chǎng)所的IT系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IT系統(tǒng)對(duì)地的絕緣狀況。同時(shí)AIM-T500支持雙套IT系統(tǒng)母線互聯(lián)功能，即當(dāng)兩套IT系統(tǒng)通過(guò)母聯(lián)合為一套IT系統(tǒng)時(shí)，只有1臺(tái)絕緣監(jiān)測(cè)儀工作，另一臺(tái)在檢測(cè)到母聯(lián)開(kāi)關(guān)閉合后，自動(dòng)停止絕緣監(jiān)測(cè)功能。絕緣監(jiān)測(cè)裝置在主配電系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖如下所示。

4.4 安科瑞工業(yè)用絕緣檢測(cè)儀選型










5 結(jié)束

IT 配電系統(tǒng)的供電連續(xù)性與安全性相對(duì)其他系統(tǒng)具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，特別是針對(duì)船舶低壓電力系統(tǒng)，對(duì)于船舶電氣設(shè)備的供電連續(xù)性及安全性有很高的要求。目前船舶低壓電力系統(tǒng)的應(yīng)用方案也已十分成熟，很好地彌補(bǔ)了其不足之處，因此 IT配電系統(tǒng)在船舶低壓電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。




【參考文獻(xiàn)】

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[2]楊璟，船舶低壓IT配電系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2019.11版


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