中性導體

隨着我國低壓供配電系統的發展，很多建築電氣行業的設計、施工人員逐漸認識到了片面強調減小TN系統中性點接地電阻阻值並不意味着絕對安全，電源中性點浮空的IT系統開始得到認可，國內很多廠家都推出了醫療IT系統的成套解決方案即是一例。但IT系統的應用仍然過少，且尚存很多亟待解決的問題，特別是關於IT系統中性導體的疑慮，還是集中在為什麼過去普遍認為IT系統中性導體上的絕緣損壞無法監測，以及IEC標準為什麼強烈建議IT系統不配出中性導體 ^[1]  。

在低壓IT系統中，絕緣監測裝置（insulation monitoring device，IMD） 所監測的對象不僅是線纜上的絕緣劣化、損壞，還應包括電氣設備的絕緣損壞和設備的碰外殼接地，甚至某些時候還要對人身觸碰帶電體造成的接地有所反應。可以認為，IMD在IT系統中發揮的作用實際上是對系統內任意處的第一次接地故障實現預警。

IT系統中性導體上的絕緣損壞不能被監測的説法，在低壓供配電的發展過程中是有其實踐基礎的。《簡析》一文中提到的基於注入信號的絕緣監測方法並非才有，比如繼電保護中常用的零序電壓和疊加電源構成發電機100% 定子繞組單相接地保護，就是這種監測手段的早期體現。至於這一手段為何長期沒有在IT系統線纜絕緣監測中得到應用，導致設計施工人員普遍認為IMD無法對IT系統中性導體上的接地故障正常預警，使IT系統中性導體問題懸而未決，是源於舊有的一些絕緣監測技術的侷限性。

在三根相導體上裝設一台三相五芯式電壓互感器，在其星型連接的二次繞組接上電壓表；另一組二次繞組接成開口三角形，接入電壓繼電器。正常運行時，電網三相對地電壓對稱，各相對地電壓等於相電壓，也沒有零序電壓，當有一相接地時，該相對地電壓為零，另兩相電壓升為380V，通過電壓表檢測數值即可判斷出接地故障相。在故障時出現零序電壓U0，電壓繼電器接通信號電源可提供報警，也可使電壓表接入位置替換為燈泡，直接通過燈泡的亮滅來判斷接地。這種方式確實無法監測N相上的接地，中性導體未發生接地故障時，如果三相負載平衡，中性導體對地電壓應該為0V，中性導體發生接地後對地電壓被鉗制到0V，前後沒有改變，監測線纜上電壓變化的方法達不到報警的效果。

20世紀我國曾提出一種380V、660V絕緣系統漏電保護器，綜合採用了國家“七五”期間一項科技攻關成果“帶人為旁路接地檢漏繼電器”和一些新型元器件，對中性點不接地運行的低壓電網進行監測。

這種方法的思路是人為構造一個較大的接地電流，改變IT 系統發生單相接地故障時不存在短路電流（或短路電流極小，僅是為兩非故障相對地電容電流的相量和）的特性。

其裝置由一個選線電阻R0（一般380V時為76Ω左右，660V時為120Ω左右）、一個接觸器和若干電流檢測元件（可採用零序電流互感器）組成。系統正常運行時接觸器斷開，中性點不接地，如需檢測絕緣故障，則閉合接觸器使中性點經R0接地，若此時出線C相接地，則會有一個3A左右的故障電流流過該路互感器CT，即可通過該CT感應出電壓，發出報警信號。但這種裝置仍然無法對中性導體的接地進行監測，因為當中性導體發生接地時，雖然通過大地也構成了故障迴路，但該回路是無源迴路，無電流通過，故障前後也沒有電氣量變化可供對比。

這種做法相對簡便易行，僅靠硬件即可實現，不需要複雜的檢測設備和算法，但檢測精度不夠，某些時候非金屬性接地時相對地電壓下降不明顯，而個別用燈泡指示的做法又過度依靠人的感官，很難實現準確監測，且無法對中性導體進行監測。但這種方法是有現實意義的，因為該方法可明確指示出到底是哪一相發生了故障。對於發生在埋地三芯電纜或四芯電纜上的第一次接地故障來説，指示出哪一相意義不大，因為三相是固化在一條電纜中的，挖開電纜溝排查故障或撤換電纜時，即使知道了故障相也不會減少工作量，但實際現場中絕緣下降很有可能發生在出線櫃內的母排等三相分設的環節，例如母排過流發熱導致複合絕緣的外層熱縮套管劣化等，這時IMD能夠指示到具體哪一相，就會方便故障排查。

IMD原理相比第一種有所改善，不再依靠系統本身的故障特徵而是人為製造故障特徵，實現的不僅是絕緣監測，更重要的是具備了選線功能，可明確指出是哪一路出線發生接地，如果妥善處理這種思路，對於故障定位能夠起到極大的作用。綜上所述，依靠現有的技術，一套完善的IMD可以該做到：絕緣監測報警、定位故障迴路、指示故障相。

故障電流回路為出線的中性導體發生接地故障時的電流走向。裝置工作具體方法如下：

（1）絕緣故障報警和定位故障迴路。絕緣故障報警可通過兩種途徑實現，一是檢測採樣電阻R 的端電壓，端電壓突然上升則説明某處接地導致了故障電流的產生，流經R時產生了電壓從而判定系統絕緣故障；二是檢測每一路出線上的電流互感器CT是否感應出故障電壓，當某一路CT對應的出線發生接地時，故障電流流經該CT，即可感應出故障電壓從而判定該路故障，原理與剩餘電流保護的檢測類似。相比第一種，第二種途徑能夠更進一步指示出故障迴路，但第一種無需大量裝設互感器，如果只需對整個系統報警的話，第一種途徑經濟性相對較好。

（2）指示故障相。該項功能通過三個電壓表實現，發生單相接地時，電壓表測量數值升高的相即為故障相。需要特別説明的是，如果第一步已經檢測出系統存在接地故障，而三個電壓表數值均未爬升，則可判定接地故障發生在中性導體上。

需要對這種裝置進一步説明的有以下幾點：

（1）IMD 最好做成時間離散的巡檢模式，即每隔一個很小的固定時間（3分鐘或5分鐘）投入檢測一次，檢查無故障後即行退出，也應處於常開狀態，每次投入時再閉合。這樣做有兩項好處，一是注入信號源時無論信號幅值多大，畢竟人為抬高了中性點對地電位，造成了三相對地電壓不平衡，對系統整體絕緣不利，採用離散的檢測可有效降低不平衡的時間；二是IT系統需要較好的對地絕緣，注入信號源和電壓表均有內阻，這些設備內阻相當於並聯後接在系統帶電部分與地之間，極大降低了IT系統的絕緣性能。對於IMD來説，三個電壓表並聯後的內阻阻值很可能已經低於絕緣損壞的報警閾值導致IMD誤報；對於整個系統來説，三個電壓表加上一個電源內阻並聯接入系統後，當系統發生單相接地時，故障電流必然大於完全浮空的IT系統單相接地時微小的電容電流，很可能燒壞注入電源設備，也有可能對人體觸碰造成威脅，甚至觸發過流保護動作。系統做成離散的巡檢模式後，發生這種危險的幾率就大為降低了。如果為了更進一步防止IMD誤報，還可以先閉合注入信號的開關，判斷出絕緣故障迴路後，再斷開注入信號的開關並閉合三個電壓表的開關，把選線和定相拆分成兩個步驟。

（2）注入信號的電源和CT選型時需要注意配合，如果選用直流源，CT需要選取能夠檢測直流信號的霍爾傳感器；如果選用交流源，則CT需要選取零序互感器。

（3）注入信號源和電壓表應儘可能選取內阻大的，最好是兆歐級以上的產品，防止裝置投入後浮空的IT系統變為經大電阻接地導致的絕緣水平大幅下降。

我國國內尚未有這類針對低壓IT系統的綜合性產品的報道，施耐德曾推出過可用於IT系統的固定式XM100和移動式GR10X兩種尋找故障的裝置，方法與注入信號加CT檢測的模式基本類似，但無法指示到故障相，價格也很昂貴。事實上這種技術在實施上並沒有太大的難點，成本也不高，不僅能對配出中性導體的IT系統做出全面監測，也可以對普通的中性點不接地進行監測，是一種較好的手段。希望國內儘快有該類產品問世，全面提高IT系統的建設水平。

IEC 60364-4-473 標準不建議IT系統配出中性導體，但並未解釋具體原因。國內普遍認為是中性導體上的絕緣損壞不能被監測，但《簡析》一文和上文所述説明該問題已不存在。1996年的第一版IEC1200-413：曾對中性導體問題做了若干説明，該文件提到，這種提法無可厚非，當IT系統中性導體接地時，確實會轉變成TT或TN 系統，也不再具有第一次接地故障不跳閘和人體觸碰帶電部分相對安全的優勢，也正因如此，IT系統才必須裝設IMD應對該類情況的發生。

IEC建議IT系統不配出中性導體的兩點初衷，一是擔心中性導體的截面積小，載流量有限，同一設備內發生兩次故障時會在中性導體上發生過流；二是擔心設備存在過壓。這兩種説法令人費解：如果擔心中性導體載流量不夠，適當增大截面積甚至採用與三條相導體相同的截面積完全可以實現，且花費有限，較之加裝降壓變壓器帶單相負載的方法，還是有很高的經濟性。

而設備的過壓無論是產生原因，還是防範手段，筆者認為與IT系統是否配出中性導體沒有太大關係，比如突然甩負荷造成的操作過壓，無論IT系統還是TN、TT系統都同樣存在，並不會因為多出一條中性導體導致過壓保護更加困難。

IEC 1200-413在論述中還提到很關鍵的一條，IT不配出中性導體，會使過流保護和故障定位更容易。故障定位問題如前文所述，故障選線方法可很容易地定位到某一路出線，且不會因為配出中性導體而受到影響，這種顧慮似已不再必要。

IT系統發生第二次異相接地故障時，應由過電流保護電器或剩餘電流動作保護器切斷故障電路，並符合下列要求：

（1）當IT系統不引出N導體，且線路標稱電壓為220/380V時，保護電器應在0.4s內切斷故障迴路；

（2）當IT系統引出N導體，且線路標稱電壓為220/380V時，保護電器應在0.8s內切斷故障迴路。

當IT系統配出中性導體後，計算用的電壓值應取相電壓220V，相比不配出時取線電壓380V，也就是説保護要求的靈敏度提高了，IEC所説的過流保護困難可能指的就是這方面。如果配電線路過長或用電設備分設接地極導致地阻過大，普通過流保護電器無法可靠動作，完全可以使用高靈敏度的剩餘電流保護電器替代普通的斷路器，在現今的建築電氣設計和設備選型中使用剩餘電流保護也不難解決該問題 ^[2]  。

雖然當下斷言IT系統能夠配出中性導體的理由還並不充分，但在現有的電氣檢測、保護設備的設計理念和技術條件下，確實已經可以解答和解決部分問題。IT系統如果能夠配出中性導體，在低壓配電領域的發展前景還是相當可觀的，該系統安全可靠、施工便捷的優點也使其確實值得推廣。希望這一問題能夠得到業內的關注，通過廣泛的討論乃至小範圍的工程實踐，為IT系統的中性導體問題尋找更多的答案 ^[2]  。