陳 凱，王金全，嚴 鋆，凌雷鳴

(1.解放軍理工大學，江蘇 南京 210007； 2.江蘇鎮(zhèn)安電氣設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

ITN系統(tǒng)安全供電范圍分析及人身安全防護措施

陳 凱1，王金全1，嚴 鋆1，凌雷鳴2

(1.解放軍理工大學，江蘇 南京 210007； 2.江蘇鎮(zhèn)安電氣設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

配出中性導體的IT系統(tǒng)(下文統(tǒng)稱ITN系統(tǒng))由于其中性點不直接接地，因此人員觸碰單相電源不會發(fā)生觸電事故。但隨著系統(tǒng)供電距離的增加，對地電容也逐漸增加，當觸碰到單相電源時，可能使得流過人體的電容電流超過人體安全電流30 mA，此時ITN系統(tǒng)不再是“絕對”安全。對該安全距離進行了確定，同時對ITN系統(tǒng)的直接接觸電擊事故和間接接觸電擊事故提出了相應(yīng)的防護措施，從而能夠保證ITN系統(tǒng)的安全可靠運行。

ITN系統(tǒng)；對地電容；安全距離；人身安全防護

0 引言

低壓供配電系統(tǒng)供給的對象是用戶，因此系統(tǒng)的安全問題是首要大事。ITN系統(tǒng)由于其中性點不接地，當人發(fā)生單相接地故障時，故障電流很小，容易給人造成系統(tǒng)是“絕對”安全的錯覺[1]。但是隨著系統(tǒng)供電范圍的增加，系統(tǒng)的對地電容增大[2]，導致電容電流的增加，ITN系統(tǒng)不再是“絕對”安全，因此需對系統(tǒng)的安全供電范圍進行確定，同時還需要對人生安全防護設(shè)計合理的保護方案。

IEC60364-4-41[3]和《JGJ/T 16民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第8.6.4.15條[4]規(guī)定，采用ITN系統(tǒng)供電時，發(fā)生第一次單相接地故障時，如果滿足Id·RA≤UL的要求，則不會對設(shè)備和人身造成威脅，可不自動切斷供電，僅需采用絕緣監(jiān)視電器進行聲光報警，防止再發(fā)生異相接地形成相間短路即可。此外，IEC61140-2009中將系統(tǒng)的電擊防護分為基本防護和故障防護[5]：對于基本防護的定義為“處于無故障條件下的防觸電保護”，這一原則表明，系統(tǒng)處于無故障狀態(tài)時，同樣也需要進行人身安全保護，這一標準在ITN系統(tǒng)供電范圍增加時，顯得尤其重要；對于故障防護的定義為“處于任意條件下的防觸電保護”，這一描述涵蓋了系統(tǒng)的所有可能的情況下的人生安全防護，這與ITN系統(tǒng)注重人生安全這一原則相一致。我國GB 16895.21-2012標準將直接防護與基本防護相對應(yīng)，間接防護與故障防護相對應(yīng)，同時，標準中對間接接觸定義為“人身在系統(tǒng)正常工作時不帶電，發(fā)生事故時由于絕緣損壞或其他原因可能與外露導電部分接觸”。通過比較發(fā)現(xiàn)IEC的標準更加完善，認為只要發(fā)生以下幾種情況就被認為是故障防護[6]：(1)觸碰到非危險的帶電導體使之變?yōu)槲ｋU的帶電導體；(2)觸碰到正常條件下不帶電的設(shè)備外殼使之變?yōu)閹щ娡鈿ぃ?3)觸碰到危險的帶電部分。

IEC對于系統(tǒng)故障防護與人身安全的描述更加細致，這與ITN系統(tǒng)防護設(shè)計理念相一致，使用直接防護和間接防護來概括ITN系統(tǒng)的安全防護是不夠的。若系統(tǒng)處于故障的運行狀態(tài)，發(fā)出警報需要相關(guān)人員進行故障排查，而國標中間接防護的定義只包含了觸碰故障帶電外殼這一情況，而對維修人員直接觸碰帶電導體的保護也十分重要。因此，IEC的標準更適合于ITN系統(tǒng)的保護設(shè)計理念，建議國標中也擴大故障防護的范圍，使得系統(tǒng)在“任意”條件下都能保證人身安全。

1 ITN系統(tǒng)安全供電范圍分析

1.1 電流通過人體效應(yīng)分析

當電流通過人體時，會對人體的肌肉收縮、神經(jīng)信號傳遞、內(nèi)臟功能、循環(huán)系統(tǒng)等產(chǎn)生影響[7]，其危險程度取決于通過人體的電流強度和持續(xù)時間。而人體發(fā)生觸電事故時，電流導致的心室纖維性顫動是導致人發(fā)生致命事故的主要原因。

IEC60479-1標準將電流/時間對人體造成的病理效應(yīng)劃分成4塊區(qū)域，如圖1所示。

圖1 電流/時間對人體造成的病理效應(yīng)示意圖

電流對人體的影響如表1所示。

表1 交流15 Hz～100 Hz電流/時間對人體生理效應(yīng)

根據(jù)IEC60479-1的標準，將人體的安全電流定為30 mA作為系統(tǒng)電容電流的極限值，也是系統(tǒng)安全供電范圍的臨界值,此電流30 mA應(yīng)為峰值電流。

1.2 系統(tǒng)安全供電范圍計算

圖2 考慮ITN系統(tǒng)分布電容下人直接接觸電路圖

考慮系統(tǒng)的分布電容，畫出ITN系統(tǒng)的等效電路圖，如圖2所示。圖中CA、CB、CC、CN分別為系統(tǒng)對地電容，Rg變壓器中性點對地電阻其值一般很大，Rbody為對人體電阻，ISC為系統(tǒng)的電容電流，Ibody為流過人體的電流，In為系統(tǒng)剩余電流。

(1)

系統(tǒng)理想情況下，三相電源對稱，對地電容近似等于C，那么式(1)等于0，即中性點電壓等于0。進而可以得到A、B、C三相的對地電壓為：

(2)

當人體接觸單相帶電導體時，可得到ISC、Ibody、In之間的關(guān)系為：

In=ISC+Ibody

(3)

通常情況下變壓器對地絕緣水平非常好[9]，即Rg值很大，所以In值很小，約等于0，即式(3)等于0。那么：

ISC=-Ibody

(4)

(5)

那么可以得到:

(6)

進一步可以得到流經(jīng)人體的電流為：

(7)

式(7)顯示了流進人體電流與系統(tǒng)對地電容之間的關(guān)系。

人體電阻Rbody約為1 kΩ，變壓器中性點對地電阻Rg約為200 kΩ。為分析隨著系統(tǒng)接地電容的變化與系統(tǒng)泄露電流和流經(jīng)人體電流變化規(guī)律，利用Origin軟件畫出式(6)和式(7)中In和Ibody隨電容C的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)對地電容變化時，In和Ibody變化曲線

從圖3中可以看出，隨著系統(tǒng)對地電容的變化，泄露電流In基本不變接近0，而流過人體的電流Ibody逐漸增大，人體極限的安全電流30 mA對應(yīng)的N點，此時系統(tǒng)的對地電容為C=0.11 μF。查閱原型系統(tǒng)中0.6/1 kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜參數(shù)，型號為YJV22，橫截面積5×16 mm2，電纜外徑為23 mm，其分布電容參數(shù)為ρ=0.57 pF/m，那么系統(tǒng)安全運行距離s計算公式為:

(8)

帶入C和ρ的數(shù)值可以計算出在該電纜條件下ITN系統(tǒng)的安全運行距離為193 m。此時系統(tǒng)的運行條件為空載，求得的電容C為系統(tǒng)每一相電纜的對地電容數(shù)值。

1.3 仿真分析

為驗證上文分析的正確性。在MATLAB/Simulink中搭建人接觸ITN系統(tǒng)單相電源的仿真模型。根據(jù)上文的分析設(shè)置仿真參數(shù)，得到流進人體的電流如圖4所示。

圖4 流經(jīng)人體的電容電流仿真波形

從圖4中可以看出，在該工況下流經(jīng)人體電流的最大值為28 mA，小于30 mA，表明在這種條件下，人體觸碰ITN系統(tǒng)單相電源不會發(fā)生觸電事故，當系統(tǒng)電容數(shù)值大于0.11 μF時，就有可能發(fā)生觸電事故，這與上文理論分析結(jié)果一致。

2 人身安全防護措施

ITN系統(tǒng)面對的是用戶，因此相關(guān)的人身安全是最先需要考慮的，需設(shè)計相應(yīng)的防護措施，防止人身電擊事故的產(chǎn)生。下面針對ITN系統(tǒng)的特點分別對直接、間接接觸電擊防護進行分析。

2.1 ITN系統(tǒng)的直接接觸電擊防護

在ITN系統(tǒng)正常工作時，人體由于誤觸到系統(tǒng)中帶電部分引起的觸電事故稱為直接接觸電擊事故。ITN系統(tǒng)的中性點對地阻抗很大，單相接地故障電流很小，根據(jù)上文的分析可知，隨著系統(tǒng)供電范圍增加，系統(tǒng)的電容電流增加，當人接觸單相電源時可能使得流經(jīng)人體的電容電流超過人體安全電流，引發(fā)觸電事故，ITN系統(tǒng)不再“絕對”安全。目前主要有以下三種方法來防止人身直接接觸電擊事故：

(1)大部分的觸電事故就是由于人接觸到系統(tǒng)中帶電部分，對這部分加強絕緣措施，能夠大大提高系統(tǒng)的絕緣水平，減小人身發(fā)生直接接觸電擊事故的可能。

(2)對于系統(tǒng)中部分無法裝設(shè)絕緣覆蓋的地方，如需要較好的散熱條件的用電器，可在這些帶電導體外加以阻隔設(shè)施或危險警示牌來避免人身對其的觸碰。

(3)系統(tǒng)中裝設(shè)剩余電流保護器(RCD)進行人身安全防護。

RCD目前是作為電力系統(tǒng)中防止人身安全電擊事故最重要的器件之一。國內(nèi)對于RCD的研究始于礦井電網(wǎng)的人身安全保護，現(xiàn)在已在電力系統(tǒng)行業(yè)得到了巨大的發(fā)展，目前在建筑電氣領(lǐng)域的TT、TN系統(tǒng)中多是針對人身安全防護。在ITN系統(tǒng)中發(fā)生故障狀態(tài)時的人身安全防護也可使用RCD，這對于保證ITN系統(tǒng)人身安全有著積極的意義。

2.2 ITN系統(tǒng)的間接接觸電擊防護

當ITN系統(tǒng)中某個器件因絕緣層的破壞導致外殼與大地間直接或者經(jīng)過度電阻連接，人身觸碰到故障外殼引起觸電事故稱為間接接觸電擊事故。此類事故較直接接觸電擊事故發(fā)生概率更高。由于ITN系統(tǒng)發(fā)生單相一次接地故障時可繼續(xù)運行一段時間，需要相關(guān)人員進行排查，此時就有間接接觸電擊事故的產(chǎn)生的可能。目前主要有以下四種方法來防止人身間接接觸電擊事故：

(1)采用Ⅱ類電氣設(shè)備。此類設(shè)備的絕緣措施非常高，不必擔心因絕緣層損壞引起人身觸電事故，因此不需要額外安裝防護器件。

(2)在系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生觸電事故的設(shè)備附近設(shè)立隔離場所，避免人員的靠近，但有些設(shè)備難以設(shè)立隔離場所，所以該方法除特殊需要外，一般不使用。

(3)利用隔離變壓器將電源端和用電設(shè)備隔離開。

(4)在可能發(fā)生觸電事故的用電設(shè)備端加裝RCD[10]。

在系統(tǒng)發(fā)生一次單相接地故障之后，維護人員需進行故障排查，此時系統(tǒng)已經(jīng)存在風險，若維護人員操作不當，就可能引起觸電事故。圖5為A相發(fā)生與設(shè)備的碰殼故障，從兩種類型負載角度考慮，加裝RCD進行分析。圖中M為單相負載，P為三相負載，發(fā)生了一次接地故障，兩種負載分別加裝了RCD1和RCD2，R1、R2分別為兩種負載的外殼對地電阻。

圖5 單相、三相負載發(fā)生一次接地故障后RCD的故障防護

對于負載M，人員觸碰了帶電外殼，系統(tǒng)中所有非故障相的電容電流從電阻R1上通過，若此時ITN系統(tǒng)滿足R1IC≤50 V，其中IC為電容電流，系統(tǒng)能保證安全，若R1數(shù)值為50 Ω，IC數(shù)值應(yīng)小于1 A，同時，根據(jù)上文人身安全電流的分析，可選用規(guī)格為30 mA的RCD進行防護。

負載P為三相負載，人員觸碰了中性導體，故障回路阻抗較大，短路電流很小，因此主回路中過流保護裝置拒動，但此時的電流有可能超過人體安全電流30 mA。此時可加裝30 mA的RCD2，當電流超過30 mA時，RCD2動作，切斷故障，實現(xiàn)人身安全防護。

3 結(jié)論

ITN系統(tǒng)的安全運行關(guān)系到用戶的生命安全。通過考慮ITN系統(tǒng)分布電容情況下系統(tǒng)的安全供電范圍，分析了系統(tǒng)電容電流與系統(tǒng)供電范圍的直接關(guān)系，得出當系統(tǒng)分布電容小于0.11 μF時，用戶觸碰單相電源不會發(fā)生觸電事故，當系統(tǒng)供電范圍超過這一限定值，就需要加裝相應(yīng)的防護設(shè)施，同時對ITN系統(tǒng)的直接接觸電擊防護與間接接觸電擊防護提出了相關(guān)的措施。

[1] 李乾.配出中性導體的IT系統(tǒng)保護技術(shù)研究[D].南京：解放軍理工大學，2014.

[2] 呂強.新型船舶岸電系統(tǒng)諧波研究[D]. 南京：解放軍理工大學,2013.

[3] International Electrotechnical Commission. IEC 60364 2008：Electrical installations of buildings-Part 4-41:Protection for safety-Protection against electric shock[S].2008.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部. JGJ/T 16-2008 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S]. 2008.

[5] 張金波,張學武.制約數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)囊蛩丶敖鉀Q辦法[J].微型機與應(yīng)用，2000,19(10):25-26.

[6] 中國機械工業(yè)聯(lián)合會.GB50054-2011低壓配電設(shè)計規(guī)范[S]. 2012.

[7] 姚海峰，劉世龍，李光，等. 主動式人體電流感覺閾值的測量方法研究[J].傳感技術(shù)學報，2004，6(2):228-231.

[8] 楊濤. 配出中性導體IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：解放軍理工大學，2013.

[9] 陳凱.含整流器負載的ITN系統(tǒng)保護關(guān)鍵技術(shù)研究[D] .南京：解放軍理工大學，2017.

[10] 賀楊.剩余電流動作保護器(RCD)綜述[J].電氣應(yīng)用,2016,35(17)：38-43.

Analysis of ITNsystem safe power supply range and personal safety

Chen Kai1, Wang Jinquan1, Yan Jun1, Lin Leiming2

(1. PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China；2. Jiangsu Zhen’an Electrical Equipment Co., Ltd., Zhenjiang 212000, China)

Because the neutral point of IT system with neutral conductor (hereinafter referred to as ITNsystem) is not directly grounded, when people touch single-phase power supply, electric shock accident does not occur. But with the system power supply distance increases, the ground capacitance is gradually increased, and when people touch to single-phase power supply, the flow of electricity through the body may exceed the human body safety current 30 mA. Then ITNsystem is no longer ‘a(chǎn)bsolute’ security. This article will confirm the safety distance, at the same time, it will put forward the corresponding protective measures for ITNsystem direct contact accident and indirect contact electric shock accident, which can guarantee the ITNsystem safe and reliable operation.

ITNsystem; to-ground capacitance; safety distance; personal safety protection

TM726.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.029

陳凱，王金全，嚴鋆，等.ITN系統(tǒng)安全供電范圍分析及人身安全防護措施[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(20)：104-107.

2017-03-25)

陳凱(1992-),男，碩士，主要研究方向：小電流接地系統(tǒng)保護。

王金全(1964-),男，博士，博士生導師，主要研究方向：新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)。

嚴鋆(1985-),男，博士，主要研究方向：新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)。