IT系统短路故障研究探讨分析
szhp75027
szhp75027 Lv.9
2015年08月03日 14:18:00
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1 前言 短路故障是引发电气火灾的主要原因之一。据2011年《中国消防年鉴》统计,2010年我国共发生电气火灾40481起,其中因短路引发的电气火灾占电气火灾总数39.4%[1].我国建筑配电系统主要采用TN-C-S系统,该系统在发生单相接地短路故障时,因故障电流大而引发火灾。而IT系统发生单相接地短路故障时,由于故障电流较小,不会破坏电源电压的平衡,所以比TN-C-S系统相对安全。由于IT系统在安全方面优于TN-C-S系统,因此发达国家的居民建筑基本上都采用IT系统。我国的一些高端小区也开始使用此系统。

1 前言

短路故障是引发电气火灾的主要原因之一。据2011年《中国消防年鉴》统计,2010年我国共发生电气火灾40481起,其中因短路引发的电气火灾占电气火灾总数39.4%[1].我国建筑配电系统主要采用TN-C-S系统,该系统在发生单相接地短路故障时,因故障电流大而引发火灾。而IT系统发生单相接地短路故障时,由于故障电流较小,不会破坏电源电压的平衡,所以比TN-C-S系统相对安全。由于IT系统在安全方面优于TN-C-S系统,因此发达国家的居民建筑基本上都采用IT系统。我国的一些高端小区也开始使用此系统。

目前,国内对IT系统短路故障的研究大多停留在理论分析阶段,还未进行仿真验证。理论研究表明,IT系统发生单相接地故障时,故障相相电压为变为0,故障相接地点的对地故障电流则为正常运行时的3倍,两相接地故障电流和两相相间短路电流均约为三相短路电流的倍,而三相短路电流与系统的阻抗和有关[2]。

本文利用Matlab软件中的simulink模块,建立仿真模型,研究了IT系统输电线路的四种短路故障:单相接地、两相接地、两相相间短路和三相短路。并与TN-C-S系统进行了对比。结果发现:从电流和电压的变化量来讲,IT系统比TN-C-S系统更具优势。

2 IT系统及特点

IT系统俗称三相三线制系统,主要由降压变电所、低压配电线路和用电设备组成,其原理图如图1所示。

IT系统的电源中性点不接地或经约1000Ω阻抗接地,其中所有设备的外露可导电部分也都各自经PE线单独接地。此系统中各设备之间也不会发生多次干扰,且IT系统在发生接地故障时由于不具备故障电流返回电源的通路,其故障电流仅为非故障相的对地电容电流,其值甚小,因此对地故障电压很低,不致引发事故。

3 仿真模型的建立

以Matlab/Simulink软件为分析工具,根据图1建立如图2所示的仿真图。仿真元件如表1所示。

由于单相异步电机是刚性系统,所以系统选用ode23tb算法,相对误差为le-3[3-5]。

4 仿真结果分析

本文以图1中的①点为故障点,设置故障时间为0.04s~0.1s.

4.1 单相直接接地故障

以A相接地为例,故障点前的电压电流仿真结果如图3中的(a)和(b)所示。发生故障后,故障相相电压下降为0,非故障相相电压上升为线电压。故障相相电流约为故障前的3倍,三相用电设备及接线电压的单相设备仍能正常运行。设置A相相角初值为60°和130°时,故障点前的电压波形与初相角为0时相似,相电流仿真结果如图3中的(c)和(d)所示。由此可知,发生单相直接接地故障时,故障电流与故障相相角无关。

而TN-C-S系统发生单相接地故障后,故障相相电流大小由系统自身的阻抗决定,最高可达到三相短路电流值。与IT系统相比较,TN-C-S系统单相接地更能引发电气火灾。

4.2 两相接地故障

图4为A、B两相发生两相接地故障时故障点前的电压与电流波形,两故障相相电压趋于0,非故障相相电压上升,约为故障前的1.5倍。两故障相相电流迅速增加,约为故障前的550倍。此时, 低压断路器QF2能动作,各用电设备不会烧毁。此类故障与TN-C-S系统发生两相接地故障相似。

4.3 两相相间短路故障

IT系统和TN-C-S系统A、B两相发生两相相间短路时,电压与电流变化相同,故障点前的电压与电流波形如图5所示。两故障相电压减小到故障前的一半,故障电流上升,约为故障前的550倍。非故障相电压与电流无变化。此时,故障相用电设备处于欠电压和欠电流状态下运行,若不及时排除故障,用电设备发热严重,最终被绝缘击穿,引发火灾。非故障相单相用电设备还能正常工作。

4.4 三相短路故障

IT系统与TN-C-S系统发生三相短路故障时,电压电流变化情况相同,故障点前的电压与电流波形如图6所示。故障相相电压迅速下降趋于0,故障相相电流增大近650倍,由于三相短路,故障点后的电压电流均下降为0,各用电设备停止工作。

通过对IT系统与TN-C-S系统发生短路故障的仿真研究,得到了故障点前的电压和电流变化特征,其结果与理论分析值一致,其结果如表2所示。

5 结论

通过对上述仿真结果的分析,得到了以下结论:两种系统单相接地故障时,IT系统的故障电流为故障前的3倍,与TN-C-S系统相比较,IT系统发生单相接地故障时的故障电流明显小于TN-C-S系统。由于电气火灾绝大多数是由单相接地故障引起的,因此与TN-C-S系统相比较,IT系统更适合作为建筑配电系统。
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beida_energy
2015年08月03日 16:06:45
2楼
但是IT系统只能在局部应用,不能广泛使用。
因为其安全性取决于系统的绝缘和系统的分布参数的大小,系统一大,分布参数就不能忽略不计啦。
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hzhsj
2015年08月03日 16:19:50
3楼
同意楼主“从电流和电压的变化量来讲,IT系统比TN-C-S系统更具优势”的观点。并无IT系统“局部可行、全局不可行”之说。任何接地系统形式只要符合规范要求,都是安全可靠的。
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beida_energy
2015年08月03日 21:41:29
4楼
hzhsj 发表于 2015-8-3 16:19 同意楼主“从电流和电压的变化量来讲,IT系统比TN-C-S系统更具优势”的观点。并无IT系统“局部可行 …不是吧?IT系统为何安全呢?就是说IT系统单根导体接触的时候也是不发生触电伤害的!所以,可以用在手术室。系统大了,分布参数有效的情况下,就不安全了!你也可以这样说,你见过,或者你设计过一个很大的居民区全运行IT 系统的吗?不要只会啥“并无IT系统“局部可行、全局不可行”之说”!讲出道理来!
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gl099010
2015年08月03日 22:57:10
5楼
IT系统配备有绝缘监测器,当线路绝缘损坏时会报警的,网上有多论文,可以搜搜看。第一次故障时,IT系统的绝缘监测系统报警,此时的接触电流很小,系统可以继续运行,不用切断电路。但此时系统已由IT系统转换为TN系统,所以第二次发生故障时,系统还是会跳掉的。IT系统国内确实用得很少。
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hzhsj
2015年08月04日 07:34:52
6楼
beida_energy 发表于 2015-8-3 21:41 不是吧?IT系统为何安全呢?就是说IT系统单根导体接触的时候也是不发生触电伤害的!所以,可以用在手 …道理不言自明:因为没有权威规范说过IT系统“局部可行、全局不可行”!“系统大了,分布参数有效的情况下,就不安全了!”仅是一家之言,估计连论者自己也很难自圆其说!我见过,10KV采用IT系统就十分普遍,并没有止步在“局部可行、全局不可行”的歪理前面!
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hzhsj
2015年08月04日 07:37:26
7楼
gl099010 发表于 2015-8-3 22:57 IT系统配备有绝缘监测器,当线路绝缘损坏时会报警的,网上有多论文,可以搜搜看。第一次故障时,IT系统的绝 …“系统已由IT系统转换为TN系统”的说法有误!
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beida_energy
2015年08月04日 09:00:10
8楼
hzhsj 发表于 2015-8-4 07:34 道理不言自明:因为没有权威规范说过IT系统“局部可行、全局不可行”!“系统大了,分布参数有效的情况 …你这句话外行了!所谓,IT ,指的就是低压系统!高压10KV不是IT系统的范围!国际电工委IEC定义的那几个接地系统都是指低压配电系统的接地!那么另外,你再分析一下,在低压系统运行IT时,系统大了,其分布参数也没有任何影响的吧?
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beida_energy
2015年08月04日 09:12:57
9楼
hzhsj 发表于 2015-8-4 07:34 道理不言自明:因为没有权威规范说过IT系统“局部可行、全局不可行”!“系统大了,分布参数有效的情况 …而且,楼主的结论是IT与TN-C-S系统的比较,那么问你一句,TN-C-S系统跟10KV系统有关系吗?根本就是指的低压系统嘛!你举出的10KV系统,那个不属于我们楼主讨论的接地系统的范围,10KV系统为中性点不接地系统,根本就不属于IT系统!那么请你现在再举例,IT系统你见过有大范围运行的吗?或者你设计过这样的应用吗?
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beida_energy
2015年08月04日 10:08:17
10楼
hzhsj 发表于 2015-8-4 07:34 道理不言自明:因为没有权威规范说过IT系统“局部可行、全局不可行”!“系统大了,分布参数有效的情况 …请看国标中的论述,出自GB50065-2011,交流电气装置的接地设计规范。
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beida_energy
2015年08月04日 10:09:09
11楼
hzhsj 发表于 2015-8-4 07:34 道理不言自明:因为没有权威规范说过IT系统“局部可行、全局不可行”!“系统大了,分布参数有效的情况 …所以,你拿10KV系统来说事,岂不荒唐?
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