浅谈船舶IT配电系统的特点及应用

安科瑞 华楠

摘要：介绍了国际电工委员会对于IT 、TT 、TN配电系统的定义。根据IT 、TT 、TN 三种配电系统的接地型式不同，比较了IT系统与TT及TN 配电系统的特点，分析归纳了IT 配电系统供电连续性较高、供电安全性较好的优势以及供电灵活性较低、设备绝缘要求高的缺点。在此基础上，通过对船舶IT 配电系统的应用案例，探讨了IT配电系统发生一次和第二次接地故障时需采取的保护措施，介绍了船舶IT 配电系统的设备配置。

 

关键词：IT 配电系统；绝缘监测；接地故障

 

0 前言

根据国际电工委员会（IEC）的标准，低压配电系统按照其保护接地的型式，可以分为IT 、TT 、TN三种配电系统。其中IT配电系统具有供电连续性及安全性高的优势，但由于系统成本较高，且不适用于长距离电力传输，因此并未被陆地电网广泛采用。对于船舶低压电力系统而言，电网供电连续性对航行安全有着非常重要的作用，且船舶电网配电线路较短，电气设备比较有限，因此初期投入成本的影响因素相对有限。若船舶运输危险货物，IT 系统相对其他系统而言产生的电弧或电火花较小，从安全性角度来说有一定的优势。综上所述，目前船舶低压电力系统广泛采用 IT 配电系统。

1 IT 、TT、TN 配电系统的定义

 

国际电工委员会（IEC）对于IT 、TT 、TN 三种配电系统的定义是根据各系统保护接地的型式。系统名称中首字母表示电源端与地的关系；次字母表示电气装置的外露可导电部分与地的关系，字母具体含义如表1所示。

 

由表1可见，IT配电系统即电源中性点不接地或经高电阻接地的同时，电气设备的外露可导电部分直接接地的配电系统。船舶低压IT配电系统通常电源中性点不接地，其系统示意图如图1所示。

 

TT配电系统即电源中性点直接接地，电气设备的外露可导电部分直接接地的配电系统，其系统示意图见图2。

 

TN配电系统即电源中性点直接接地，电气设备外露可导电部分用中性线（N线）及保护接地线（PE线）与电源端接地点连接的配电系统，其中根据N线及PE接地线的不同组合， TN 系统又分为TN-C 、TN-S 、TN-C-S三种子系统。TN-C 表示系统内N线与PE线是合一的； TN-S表示系统内N线和PE线是分开的；TN-C-S为TN-C与TN-S的结合型式，表示系统中N 线与PE线部分合一部分分开。上述三种子系统的示意图分别见图 3、图4 及图 5 

 

 

 

2 IT配电系统的特点

2.1 供电连续性

IT 配电系统发生一个接地故障时故障电流较小，因此通常不跳闸，只产生报警信号。 其原理如图6所示，当发生图示的接地故障时，因故障电流没有返回电源的直接通路，只能通过两非故障相的带电导体对地的电容电流返回电源，因此接地故障的故障回路阻抗仅包括非故障相导体对地容抗XC和外露可导电部分保护接地的接地电阻RA。由于XC垌RA，故障电流主要取决于导体对地电容的容抗XC，因此可以按式（1）计算三相交流回路：

Id = 2 √3πfUC（1）

式中： Id —— —故障电流， A ；

     f —— —系统标称频率，Hz ；

     U —— —单相时为回路标称电压，三相时为相间标称电压，V ；

     C —— —非故障带电导体对地电容，F

 

由图6可见，公式中的C值为相导体对地电容。由于相导体对地绝缘，其对地电容值很小，因此通过上述公式计算所得的故障电流值很小，不足以引发电气事故。此时保护电器不动作，在发生故障后可持续运行，以保证供电的不间断。因此，IT系统适用于对供电连续性要求较高的场所。

 

 

TT 配电系统发生接地故障的示意图如图7所示。故障回路阻抗主要由相导体阻抗、电气设备外壳接地电阻、电源装置接地电阻及电源内阻构成。TN配电系统以TN-S配电系统为例，其发生接地故障的示意图如图8所示，故障回路阻抗主要由相导体阻抗、PE线导体阻抗和电源内阻构成。由于导体阻抗、接地电阻及电源内阻值均较小，因此上述两种配电系统的故障电流值较大，在带电设备外露导电部分及大地之间形成的电压降较大，容易导致电击事故；若故障持续时间过长，故障电流在回路导体产生的异常高温将增加引起电气火灾的危险。因此当发生接地故障时，过电流保护电器应迅速切断电源，导致供电连续性较低。

 

2.2 供电安全性

由于IT配电系统电源侧中性点与地绝缘或经高阻抗接地，所以人体只要不同时触及不同的导电部分就构不成故障回路。如图6所示，当系统发生一次接地故障时产生的故障电流Id极小，接触电压Ut = RA×Id，一般小于人体接触交流电压限值（50V），该电压对人体不会造成危险的病理生理反应。如果出现电弧或电火花其能量也很小，不足以引发电击、火灾或其他电气事故。

TT及TN配电系统若发生接地故障时，带电设备外露可导电部分产生的接触电压大于人体接触交流电压限值，若此时人体触及到带电设备外壳会导致间接接触电击事故，若不及时切断电源，更易引起火灾等其他电气事故，相对IT系统而言安全性较低。

2.3 供电灵活性

IT配电系统若引出中性线，绝缘监测仪无法探测到中性线接地故障，致使故障持续存在，若此时发生第二次接地故障则保护将起作用直接切断电源，致使重要用电设备供电中断，导致严重后果。因此船舶IT配电系统通常不引出中性线。系统提供AC380V或 AC440V线电压。对于船舶上设有大量的单相交流220V负荷，如照明、电加热器及控制电源等，由于系统内无法直接提供上述设备的电源，必须采用配置变压器方式来满足负荷需求。 由此可见，IT配电系统的灵活性较低。TT与TN配电系统均可引出中性线，可灵活地提供三相交流380V电源及单相交流220V电源。供电灵活性比IT系统高。

2.4 绝缘要求

IT配电系统的单相发生接地故障时，另两相对地电压将升高为220V的 √3倍，升高为380V。如果系统带故障长时间运行，则会加快电气设备及电缆的绝缘老化，使之收到不同程度的损坏。TT及TN配电系统中，由于电源中性点直接接地，在发生单相接地故障时能够抑制电网对地电压的升高。 因此IT配电系统对线路和设备绝缘水平要求比其他两种配电系统高，增加了建设初期的设备成本。综上所述，根据IT、TT、TN 配电系统接地型式的不同，可以得出IT配电系统与其他两种配电系统的主要特点比较，如表2所示。

 

 

3 船舶低压IT配电系统的应用

3.1 船舶低压IT 配电系统的配置

通常，船舶低压IT配电系统由发电机组、配电板（包括绝缘监测仪）、变压器组成。

 

以交流380 V、50Hz电制的运输船舶为例，低压配电系统主要由4组汇流排组成，分别为主配电板AC380V、AC220V、应急配电板AC380V、AC220V。在每组汇流排上均应设有绝缘监测仪（简称为IMD）以持续监测船舶电网绝缘状态，如图9所示。

为避免船上厨房、洗衣设备因潮湿而引起的绝缘保护误动作，部分船舶采用隔离变压器的方式，既可解决此问题，同时还可确保船上重要设备供电的连续性，如图 10 所示。

 

3.2 首次接地故障的保护

IT配电系统绝缘监测器发现系统出现首次接地故障后，应发出报警信号，提醒相关操作人员根据信号进行故障排除， 此时IT配电系统仍正常运行。但是预期接触电压不得超过50V，这就要求在设计时必须注意到系统内线缆的长度以及电气设备的数量，以减少首次接地故障时的故障电流Id 或降低保护接地的接地电阻RA，使系统首次接地故障时无需切断电源。

船上IT配电系统，为了提高供电不间断性，通常不等发生首次接地故障而是利用绝缘监测仪在电气装置绝缘水平降低到整定值时即发出报警信号，以便及早消除绝缘隐患。 该整定值只需小于IT配电系统负载无故障运作时的对地绝缘电阻即可。因 IT 配电系统投入使用后接用了大量用电设备，大大降低了对地绝缘电阻，目前海上船舶动力网对地绝缘正常值大多在1MΩ上下，照明电网对地绝缘电阻正常值大多在0.4~0.8 MΩ。

绝缘监测仪一般安装在三根相线与地之间，如图11所示为直流法绝缘监测仪原理图。 图11中R1为分压电阻，Rf为绝缘监测仪监测的对象—— —系统对地电阻，电源端的带电导体不接地，只作设备外壳的保护接地。正常情况下系统与地是绝缘的，此时Rf在理论上应等效为无穷大；当系统出现绝缘故障时，系统导线与外壳直接接触，则导致系统与地直接连接，此时的Rf理论上应等效0。绝缘监测仪向系统注入直流信号，经过Rf进入绝缘监测仪构成一个闭合回路， 通过简单的欧姆定律即可算出Rf的大小。直流法绝缘监测仪简单可靠，适用于不含直流分量的IT配电系统，又因采用直流信号可以有效地避免系统电容造成的影响，使其测量的阻抗具有较高的准确度。

 

对于绝缘监测仪的配置，各船级社均有明确的要求，用于电力、电热和照明的绝缘配电系统，无论是一次系统还是二次系统，均应设有连续监测绝缘电阻、且能在绝缘电阻异常低时发出听觉或视觉报警信号的绝缘电阻监测报警器。 可见绝缘监测仪对于船舶电网的持续安全运行起着十分重要的作用，因此对其可靠性也有较高的要求。在绝缘监测仪的安装、检验和维护管理中应特别注意其接地导通的良好。否则当IT配电系统发生接地故障时将无法报警，从而使 IT 配电系统不能体现其高供电可靠性。

3.3 第二次接地故障的保护

当电网中不同相线上发生第二个接地故障会造成线间短路，电流流向如图12中虚线所示，短路电流不仅会发生人身危险，对电气设备的损坏非常严重，如发生在发电机端会烧毁发电机，造成船上大面积停电。 这对于航行是十分危险的。 因此，当发生第二个接地故障时，必须通过漏电保护器或过电流保护电器及时地切断电源。由于船用电气装置的外露导电部分均为单独接地，所以保护电器应符合式（2）要求：

RA1×Ia ≤50V

RA2×Ia ≤50V（2）

式中： RA1、RA2 —— —电气设备外露可导电部分接地极的接地电阻，Ω ；

 

Ia —— —保护电器切断故障回路的动作电流， A

 

4 安科瑞工业用绝缘监测仪介绍

4.1 概述

随着工业科技的发展，漏电流对工业生产安全构成了很大的威胁。为了提高供电的连续性和可靠性，许多重要生产场所采用了不接地供电系统。安科瑞AIM-T系列工业用绝缘监测仪主要应用于工业领域如矿井、玻璃厂、电炉和试验设备、冶金厂、化工厂、爆炸危险场所、计算机中心及应急电源等的交流不接地系统中，用来实时监测系统对地的绝缘状况，当系统出现接地故障时，及时报警，提醒相关人员排查故障。产品的设计严格按照国家标准和规范进行。

 

4.2 AIM-T系统工业用绝缘监测仪介绍

 

AIM-T系列绝缘监测仪主要应用在工业场所IT配电系统中，用来监测IT系统对地绝缘状况，在系统出现绝缘故障时及时报警，以提醒电气维护人员对故障及时排查。产品主要包括AIM-T300\AIM-T500两大系列，其中两款绝缘监测装置除去适用电压等级不同以外，均适用于纯交流、纯直流以及交直流混合的系统。

 

4.3 AIM-T系列绝缘监测仪应用

AIM-T300绝缘监测仪主要适用于在450V以下交流、直流以及交直流混合的不接地系统中；AIM-T500绝缘监测仪主要适用于800V以下交流、直流以及交直流混合的不接地系统中。用于给矿井、玻璃厂、电炉和试验设备、冶金厂、化工厂、爆炸危险场所、计算机中心以及应急电源等场所的IT系统中，实时监测IT系统对地的绝缘状况。同时AIM-T500支持双套IT系统母线互联功能，即当两套IT系统通过母联合为一套IT系统时，只有1台绝缘监测仪工作，另一台在检测到母联开关闭合后，自动停止绝缘监测功能。绝缘监测装置在主配电系统中的应用示意图如下所示。

4.4 安科瑞工业用绝缘检测仪选型

 

 

5 结束

IT 配电系统的供电连续性与安全性相对其他系统具有无法比拟的优势，特别是针对船舶低压电力系统，对于船舶电气设备的供电连续性及安全性有很高的要求。目前船舶低压电力系统的应用方案也已十分成熟，很好地弥补了其不足之处，因此 IT配电系统在船舶低压电力系统中得到广泛的应用。

 

【参考文献】

[1]杨涛，王金全，王巍，等 . 配出中性导体的低压 IT 系统综述［ J ］ . 船电技术， 2012 （ 8 ）： 43-465

[2]杨璟，船舶低压IT配电系统的特点及应用

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版