IT配電系統的應用及關鍵裝備夏麗平摘要：闡述了IT系統的工作特性．分析了IT系統的優缺點。例舉了IT系統的適用范圍。IT系統在我國尚未得到適得其所的應用．但對IT系統的采用應加慎重。為減少我國的電氣災害，在某些場所和電氣裝置內應擴展對IT系統的應用。關鍵詞：IT系統電氣安全應急電源UPS應用重復接地1IT系統的工作特性我國建筑電氣建國之初師宗前蘇聯電氣規范，曾廣泛采用TN—C系統。它節省一根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。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。但對接地系統的理解和應用恐尚不盡深入和全面。IT系統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阻抗直接接地的TN、TT系統；另一類是電源端帶電導體不接地或經高阻抗接地的IT系統。這兩類接地系統最大的不同是前者在發生接地故障時通常靠自動切斷電源來防電氣災害。這不可避免地將招致供電的中斷；而后者當發生一個接地故障時。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，而對后者的IT系統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系統多進行一些探討以便更好地熟悉和應用這一接地系統。圖l所示為一IT系統。其電源端的帶電導體不接地(不作系統接地)，只作設備外殼的保護接地。當發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。圖lIT系統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)。如果出現電弧或電火花，其能量也很小。酢和厶不足以引發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系統在發生圖示接地故障情況下，既能避免發生電氣事故。又可保證供電的不間斷。這一優點是電源端需直接接地的TN和TT系統所不具有的。正因為此，發達國家在一些不問斷供電要求高或對電氣安全有特殊要求的場所和裝置中不采用TN或TT系統配電，而采用IT系統配電。為了避免可能出現的諧振和過電壓。IT系統也可經一高阻抗接地，其值約為相電壓值的5倍，例如在220，380V系統中經一1000Q的電阻接地．如圖2所示的R。IT系統以此高電阻R來限制接地故障電流。圖2lT系統經高電阻R接地Fig．2GroundingofthesystemviahiShresistanceR2IT系統未被廣泛采用的原因IT系統具有上述TN和TT系統無法比擬的優點。但它卻不被廣泛采用在一般建筑物電氣裝置內。諸如下列一些原因限制了它的應用。2.1IT系統不宜引出中性線。不能提供220V電源國際電工標準強烈建議IT系統不引出中性線。這是因為如果引出中性線，當中性線發生接地故障時圖l中所示的絕緣監測器無法報警，致使故障持續存在。這時IT系統實際上成為TN系統或TT系統，而電氣裝置管理人員卻無從發覺。如果再發生相線的接地故障，電氣裝置將按TN系統或TT系統來切斷電源，使重要用電設備供電中斷，導致嚴重后果。關于絕緣監測器的工作原理和它不能對中性線故障報警使IT系統轉變成TN或TT系統的原由詳見文獻[1]的第六章，為節約篇幅這里不贅述。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系統內需裝設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的復雜性和建設投資。2.2IT系統電氣裝置對絕緣水平有較高要求當IT系統的一相發生接地故障時。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系統為高。例如在IT系統內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系統需裝用絕緣監測器IT系統在發生第一個接地故障后必須由圖l中所示的絕緣監測器IMD來報警，以便及時排除故障，避免再發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系統的建設投資和平時的維護工作量。3IT系統的適用范圍由于IT系統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，除在礦井、冶金企業以及有些局部范圍內采用IT系統外，在建筑物電氣裝置配電中幾乎不采用IT系統。發達國家由于用電技術水平高，IT系統的應用比我國要廣泛得多，下面試舉一些IT系統應用的例子。3.1醫院內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療IT系統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結。一些維持病人生命的電氣醫療設備。例如心肺萬方數據系統體外循環設備．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，這種場所內包括照明用電的配電系統應全部采用IT系統。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都需依賴可靠的電源，采用IT系統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，使玻璃熔爐報廢。3.5某些電爐和試驗設備某些電爐內的熱加工件如果中斷供電將使加熱件報廢或質量降低。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發電廠的廠用電發電廠的廠用電如果事故中斷，將影響整個地區的安全供電。3.8化工廠化工廠如果事故中斷供電，復雜的生產流程被打亂，需花費長時間來恢復正常生產。導致巨大的經濟損失。3.9爆炸危險場所爆炸危險場所(包括上述煤礦井下)如果產生電弧、電火花，可能引起爆炸。IT系統接地故障電流小，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，將使數據丟失，可能導致巨大的經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。例如高層建筑內供消防用電的柴油發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損失。4主要產品型號規格及配置安科瑞（Acrel）公司的醫用隔離電源柜是針對醫療2類場所的供電需求而設計的具有局部IT系統的配電柜，IT系統裝設絕緣監測裝置來監測系統的絕緣狀況，各輸出回路采用了具有短路保護功能的斷路器；其它系統輸出回路則采用了具有漏電保護功能的斷路器。產品根據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系列為醫院ICU/CCU病房提供安全可靠的IT系統隔離供電電源，并具有對IT系統絕緣監測功能。手術室隔離電源柜GGF-O系列為醫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系統隔離供電電源，并具有對IT系統絕緣監測功能。醫療IT配電系統絕緣監測裝置AIM-M100具有對被監測IT系統對地絕緣電阻、隔離變壓器負荷電流、變壓器繞組溫度實時監測及故障報警功能；ACLP10-24儀表專用的直流穩壓模塊，導軌式安裝，AID100具有絕緣電阻、變壓負荷率實時顯示功能；可遠程設置絕緣監測儀的報警閥值AKH-0.66P26與AIM-M100絕緣監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系列醫院專用的隔離變壓器，為各類手術室和重癥監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隔離配電柜系統圖為例）表1方案配置表規格配置GGF-I6.3GGF-I8隔離變壓器AITR6300AITR8000絕緣監測儀AIM-M100直流穩壓電源ACLP10-24輸出回路IT系統：4路、8路等（可根據實際需求定制）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隔離配電柜系統圖為例）表2方案配置表規格配置GGF-O6.3GGF-O8隔離變壓器AITR6300AITR8000絕緣監測儀AIM-M100IT

系

統直流穩壓電源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系統與UPS的結合應用上文中提及IT系統適用于計算機中心。這里需補充說明，我國計算機中心(包括其他信息技術裝置)為了防地區電網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逆變后經一雙繞組變壓器重新起一個電源系統供電給用電設備，其負荷側輸出端可接地，也可不接地，視另起的系統是TN或IT系統而定。如果停用UPS。經圖示旁路開關直接供電。則這時UPS負荷側的接地系統與其電源側的接地系統相同。圖3UPS負荷側重新另起的系統采用IT系統Fig.3ITsystemisadoptedbytheseparatelyderivedsystemonUPSloadside我國《建筑電氣工程施工質量驗收規范》(GB50303—2002)第9．1．4條強制性規定：“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，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的負荷側系統不是電源側系統的延伸。而是重新起的另一系統(separatelyderivedsystem)，UPS的輸出端是此另起系統的始點(Origin)。始點處如帶電導體直接接地。此另起的系統即是TN系統或TT系統：如果不接地．此另起的系統即是供電可靠性高的IT系統。所以UPS輸出端的接地并不是其電源側TN系統的重復接地，而是負荷側重新起的另一系統的電源端的系統接地。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系統可提高重要用電設備的供電可靠性。我國施工驗收規范這一規定是值得商榷的。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。施工驗收規范實施后不少建筑電氣同行曾撰文質疑。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范只編入保證施工質量的要求，勿涉及施工人員不熟悉的設計要求。以免誤導。現在的情況是它的一些有待商榷的規定被其他電氣設計規范和資料、圖冊廣為引用，其影響的擴大令人不安。6對IT系統的應用應加慎重IT系統雖具有上述優點，但對其應用應加慎重。現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，IT系統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、七十年代有的地區供電部門不甚了解IT系統。為減少農業電網頻發的電擊事故，曾在農電中采用過IT系統。但采用中IT系統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。這一經驗教訓應引以為戒。筆者了解，北歐有的國家(例如挪威)的地區低壓配電公用電網采用了IT系統，有的發達國家在其南極考察站也采用了IT系統。這里IT系統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境條件。大家知道TN和TT系統電源端的系統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境條件下。作低阻值的接地十分困難。IT系統本不需作系統接地。避開了這一難題，所以采用IT系統就十分合適。但這只能作為IT系統應用中的一個特例，不能推廣。7我國應在適當場所或裝置內擴展IT系統配電的應用由于我國建筑電氣技術水平相對較低，IT系統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達國家電氣標準中都采用IT系統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的自備柴油發電機。其中5000kW采用TN—S系統作一般備用電源；另外4000kW采用IT系統，作消防用電等應急電源，由此可看出發達國家以人為本。對電氣安全和IT系統應用的重視。但在我國新版的電氣消防規范和有關電氣設計規范中對IT系統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。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系統絕緣監測器是可在線持續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的。在實際應用中它并非在絕緣破損發生故障時才報警，而是在尚未發生故障，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生故障前就可及早發現絕緣下降隱患，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系統的高層建筑內消防應急電源卻為IT系統，同一建筑物內何以出現兩個不同的接地系統。其實這兩個系統是完全可在同一建筑物內兼容并存的。圖4所示為一TN—S系統