标准中所反映的IT系统

标准中所反映的IT系统

网络类型

在标准DIN VDE 0100-100 (VDE 0100-100):2009-06 中131.1条款说明了基本的电网类型,根据标准的要求,按预期规定的方式使用电气系统,就能预防对人身、牲畜和财产的安全的危险和损坏。所涉及的风险包括发生危险的冲击电流和电源中断。

IT系统在IEC 60364-1:2005-11,312.2.3(AC)和312.2.4.5(DC)中进行了描述。该定义指出,所有导电体都必须与地绝缘,或者一个点必须通过阻抗连接到地。电气系统上暴露的导电部分(电气设备的部件)要么单独地、成组地接地,要么与系统一起接地(请参考IEC 60364-4-41:2017-03,411.6)。该系统还可以通过足够高的阻抗与地连接。在德国,这只适用于测量或功能性目的。

图1:发生第一次绝缘故障期间,IT系统(左)和TN系统(右)的比较

电源

必须区分“正常”IT系统的电源和医疗IT系统的电源。电源需要以基本绝缘的方式断开。实际上,通常采取使用隔离变压器的方式。这个功能也可以通过电池、独立光伏(PV)系统或移动电源来实现。在医疗IT系统中,心内介入(例如心脏直视手术)期间的漏电流必须非常低,因为这对病人有潜在的风险。所需的隔离变压器都在IEC 61558-2-15:2011-11标准中有所描述。

电源

事实上,IT系统常被称为“不接地电源系统”。文章中的“不接地”仅指所有导电体与接地系统之间的连接。根据 IEC 60364-4-41:2017-03, 411.3.1.1中的“保护接地”,裸露的导电部分必须连接到保护线,这取决于接地的类型。根据第411.6.2条款,这对IT系统意味着必须单独、成组或整体接地,并必须满足下列条件:

 

在交流电系统中          RA × Id ≤ 50 V

 

RA          分别为裸露导电部分的接地电极和保护导体电阻之和,在用Ω表示;

Id           导线与裸露导电部分之间极低阻抗的第一次故障的故障电流,用A表示。

 

考虑直流系统中,无接触电压所限制的Id值可以被认为是极低的。

图3:IT系统和TN系统的接地比较

IT系统的首次故障

裸露导线或接地的第一次故障发生后的故障电流 Id是极低的,而无需自动关闭(IEC  60364-4-41:2017-03,411.6.1),其前提是满足411.6.2章节中所定义的接地要求。这意味着保护导体电阻RA与人体电阻平行,在交流系统中,已经有非常低的故障电流流过这个保护导体,触点电压仍明显低于50V的最高允许值。这在医疗场所尤其有益。

第一故障时的故障电流Id值由标称电压、标称频率和包括系统漏电电容和接地绝缘电阻的并联电路决定。在发生第一次故障时,故障电流在线路导体和裸露导电部分之间的阻抗可忽略不计。在电气系统中绝缘状况好的情况下,Id可以近似系统泄漏电容,计算如下:

用于三相系统

 ICe = U⁄√3 ×3ω × Ce = U ×√3×ω ×Ce 

用于单相系统

ICe = U × ω × Ce 

图4:IT系统中第一个绝缘故障的故障电流Id(备份电路图)

图5:第一次故障后的接触电压UT示例

保护和监视设备

IEC 60364-4-41:2017-03, 411.6.3指出,下列监视和保护装置可用于IT系统:

  • 绝缘监视仪 (IMDs);
  • 剩余电流监视仪 (RCMs);
  • 绝缘故障定位系统 (IFLS);
  • 过电流保护设备;
  • 故障电流保护设备 (RCDs)。

第411.6.3.1条规定,绝缘监视仪(IMD)必须发送第一次带电部分和裸露导电部分之间的故障或接地故障的报告。该设备必须发出声光报警的信号,只要绝缘故障存在,该信号必须持续很长时间。最好在实际可操作的情况下,尽快派出第一次故障,“尽可能快地排故”取决于与系统有关的实际参数。从根本上来说,IT系统有一个显著的优势,即绝缘故障不必立即消除,而是可以通过延迟来消除,例如,直到系统的下一个维护周期。

绝缘故障定位系统 (IFLS)
使用绝缘故障定位系统(IFLS),可以在运行期间定位故障输出和/或设备,例如,不需要关闭系统。为了排除故障,测量脉冲叠加在IT系统上,然后通过测量电流互感器来获取这些脉冲并且进行评估。根据测量电流互感器/输出的分配,容易就能找出故障输出。

图6:有IMD和几个IFLS的IT系统原理图

剩余电流监视设备 (RCM)
剩余电流监视仪(RCM)只能在某些限制下工作(参见故障电流保护装置(RCD)。

过电流保护设备
过流保护装置的配置需要考虑IEC 60364-4-43:2008标准的内容。对于IT系统,必须考虑以下几点:

  • 在医疗IT系统中,不允许在变压器的输出电路(次级电路)中有过载保护装置,即只需要短路保护。因此,必须监视变压器的负载电流和温度,并报告任何差异(IEC 60364-7-710:2002,710.411.6.3.101)。
  • 根据IEC 60364-4-43:08-08,431.1.1的规定,所有导电体必须受到保护(所有极)。关于涉及到的IEC 60364-5-55:2011+A1:2012,第557条(“辅助电路”),第557.3.6.1条规定,“不接地交流或直流辅助电路应通过保护装置切断所有导线,防止短路电流”。在IEC 60364-4-43:2008-08,第431.2.2条中也可以找到同样的信息。
  • 如果需要对IT系统中三相/N的中性线(N线)导体进行过电流检测,则必须断开所有带电导体(IEC 60364-4-43:2008-08,第431.2.2款)。可以分配过流保护装置,举例来说,N线在电源侧被保护,不受过电流的影响。
  • 关闭所有极也有助于5项安全规则中“脱离”IT系统中的所有极。
  • 在这一点上,对IEC 60364-4-43:2008-08,第433.3.3条款,普遍适用的观点是,对于供电电流使用设备的电路,如果意外断开电路而构成危险,则可以省略过载保护装置。在这种情况下,应考虑过载警报。

图7:IT系统中,需要全极过电流保护装置的解释

故障电流保护设备 (RCD)
根据IEC 60364-4-41:2017-03款第411.3.3条,交流电压系统必须以故障电流保护装置的形式,即<32A插座,为非专业人员和通用用途提供额外保护。当然,RCDs在IT系统中实现所期望的这类保护操作,这是不可行的。首先,在发生第一次故障后的RCD的工作原理是要求故障电流Id必须高于RCD的额定故障电流IDn(例如>30 mA)。然而,在实践中,情况并非如此。即使是两个独立的绝缘故障在两个带电导体或连接的设备也不会引起RCD跳闸,因为这两个故障的作用就像一个负载。

此外,IEC 60364-4-41:2017-03还指出,如果第一次故障时故障电流Id>15 mA,那么IT系统也需要为使用 IDn £ 30 mA的RCDs的插座电路,以提供额外的保护。然而,仔细检查后,很明显这一要求在技术上是有问题的:

除了插座是IT系统中的例外而不是常态,如何在计划阶段确定故障电流Id?故障电流Id主要取决于电缆长度、负载数以及系统对地的漏电电流。然而,没有一个计划人员能够用最好的计划来确定这些变量。
目前市面上可用的RCDS没有IDn<15 mA的响应值。此外,德国DIN VDE 0100-530(VDE 0100-530):2018-06,第538.4条指出,在交流IT系统中推荐使用有分辨能力的(方向选择性)剩余电流设备,以避免连接剩余电流装置的下游出现高泄漏电容时,由于泄漏电流而产生不必要的通知/报警。而在此的问题是,这种有分辨能力的RCDs也是不可用的。

第8段:在一个RCD“后面”的不同导体上的两个绝缘故障

第9段 一个RCD“前”“后”系统泄漏电容的划分

第10段  RCDs在支路IT系统中的应用

IT系统中AFDDs的使用
管理IT系统的主要目的是,当发生首次故障时,系统不会应意外关闭。因此,没有必要在IT系统中为终结电路使用高达16A的电弧保护装置。这也是2017年11月德国DKE发出最新声明的主题。这包括以下规定:

  • 德国标准DIN VDE 0100-420 (VDE 0100-420):2016-02, 第421.7条不包括任何DIN VDE 0100-710 (VDE 0100-710):2012-10第710.1条款中应用领域的电气系统的要求。因此,在老年人之家和医疗护理设施中,用于医疗目的病人所接受治疗的场所不包含在DIN VDE 0100-420(VDE 0100-420):2016-02,421.7的范围内。
  • 当电源意外中断会造成损坏的风险的情况下,在提供电源消耗的电路上没有必要使用电弧故障检测设备(AFDD)。例如,这适用于:
    • 为提高电源的安全性而安装的IT系统,或
    • 适用于符合DIN VDE 0100-560(VDE 0100-560)标准的安全的电气系统,特别是在安全照明系统中。
       

关于安装和设备选择的进一步说明和要求

绝缘监视仪的选择
绝缘监视仪是根据如下要求进行选择的:

  • 最大标称电压
  • 网络类型:交流、直流或交直流
  • 主回路、控制回路或特殊应用
  • 系统泄露电容
  • 响应值
  • 包含绝缘故障定位系统
  • 特定环境条件

为了简化计划人员和用户选择绝缘监视仪的过程,绝缘监视仪的产品标准IEC 61557-8:2014/CORI:2016中有进一步的规定:

  • 指定相应的应用场所
  • 根据IT系统中可能的组件对绝缘监视仪的类型进行了区分:
    • AC型绝缘监视仪用于纯交流IT系统
    • DC型绝缘监视仪用于纯直流IT系统
    • AC/DC型绝缘监视仪用于带有直接连接整流器、纯直流IT系统以及带直接连接交流逆变器的直流IT系统的交流IT系统
  • 对用于特殊应用场所的绝缘监视仪做了如下区分:
    • 医疗场所
    • 光伏应用

绝缘监视仪的要求 (IMDs)
IT系统项目规划的重要说明在DIN VDE 0100-530(VDE 0100-530):2011-061第538.3章节“电气设备的选择和安装-隔离、开关和控制”中有所描述。IMDS必须遵守IEC 61557-8:2014

  • 测量结果不受直流电流分量的影响
  • IMD必须在外部导体和大地之间对称地接,或任何预期外部导体和大地之间(在3相/N系统中N线也是如此)单极对称连接
  • 在数个IT系统连接在一起的情况下,只能有一个IMD工作
  • IMD必须有最大额定电源电压
  • 建议使用IMD来报告电源回路导线和接地的测量连接的任何中断
  • 绝缘故障定位系统必须符合IEC 61557-9:2014-12条款4的要求。

设置响应值
必须为受影响的系统来适当地设置响应值。根据德国标准第538.1.3条款,推荐响应值为100Ω/V,预报警值为300Ω/V。在该标准的前一个版本中,推荐指导响应值为50Ω/V。这两个参数从原则上讲都是正确的,并受使用数量和装置质量(例如湿度、灰尘等)的影响。实际上,显示在IMD屏幕上的值用于设置小于此显示值的报警值,因此表示所要求的最小值,从而为服务和维护工作留出足够的余量。在此也要注意,所有重要的系统输出也在运行中。
当然,其另一个优点是,通过打开或关闭负载或系统组件,绝缘电阻的任何重大变化都会在IMD上显示,从而能够识别潜在的弱点。

离线负载地监视
根据VDE 0100-530(VDE 0100-530):2011-06,第538.3条款,TN、TT和IT系统中的绝缘监视仪可以被用于监视已经关闭的电路。例如,可以监视包括电动绞车、电梯和滑阀驱动器等设备。但是,这要求被监视的电路与系统的所有极点隔离。

图12:电机的离线监视,例如:在起重机上

对第二次绝缘故障的正确响应
按照IEC 60364-4-41:2017-03,第411.6.4条款,在首次故障发生后,必须满足当不同带电导体发生第二次故障后,系统自动断开连接的条件。在实际中,这意味着必须达到规定的环路阻抗水平。对于没有中心线的IT系统,环路阻抗被定义为:

ZS ≤ U/(2 × Ia )

在此:

U = 导线间的标称交流电压
Ia = 按照第411.3.2.2/411.3.2.3条中所规定的时间内,使保护装置触发的电流(用A表示)。

如果出于可用性的原因,如果系统在发生首次故障时不关闭,请确保在使用RCD时,故障电流Id < 0.4IΔn。对于30 mA的RCD,这意味着Id<12 mA。

此外,应该指出的是,不同导电体上的对称故障不应引起导致系统关闭的故障电流。

只有当过电流保护的关闭条件不能满足时,RCD才能用于每个备件,因为例如:

  • 不可能精确地定义环路阻抗 (电缆长度难以估计,类似线的金属材料)。
  • 故障电流太低,无法达到使用过电流保护装置允许的最大断开时间。
  • 环路电阻太高,无法确保自动关机。
  • 附加等电位联结也是不可能的。

图13:IT系统中的第二次故障

三相IT系统的N线
IEC 60364-4-43:2008-08中第431.2.2中有个注释,意思是在IT系统中不适宜有N线路径。当单相负载也被连接到三相/N IT系统时,就应该考虑到这一点。如果L1发生绝缘故障,则导线L2/L3上的对地电压增加到相对相电压,例如400 V。这会损坏切换接地的抑制电容器。需要确保电压偏移仅影响接地电压。有点导线之间不产生电压偏移。单相设备必须有适当的配置,即它们必须适用于三相/N系统中的操作。在实际使用中,经常会建立两个独立的IT系统,一个用于单相负载,另一个用于三相负载。

按照这个观点,IEC 60364-4-43:2008-08中第433.3.3中普遍通用的解释,即如果电路意外断开而产生的风险源,则可以省略过载保护设备。在这种情况下,应考虑过载报警。

总结
在发生第一次故障时,在保护电源不断开的情况下,IT系统总能获得最大的好处。按照标准设置系统、正确选择保护和监视设备是无故障、安全运行的基础。

建议进一步阅读:

Hofheinz, Wolfgang - Protection technology with insulation monitoring, VDE-Verlag GmbH, Berlin

本文中涉及的标准

DIN VDE 0100-100 VDE 0100-100:2009-06

IEC 60364-1:2005-11
低压电气装置
第1部分:基本原则、一般特征的评估、定义

IEC 60364-4-41:2017-03
低压电气装置
第4-41部分:保护措施 - 防止电击

IEC 60364-4-42:2010/AMD1 2014 
低压电气装置
第4-42部分:保护措施 - 防止热效应

IEC 60364-4-43:2008-08
低压电气装置
第4-43部分:保护措施 - 防止过电流

IEC 60364-7-710:2002-11 
建筑物的电气装置
第7-710部分:特殊装置或场所要求 - 医疗场所

DIN EN 61557-8:2014-12 
高达AC 1000V和DC 1500V的低压配电系统的电气安全 - 用于测试、测量或保护测量监视的设备
第8部分:IT系统的绝缘监视仪

IEC 61557-9: 2014-12 
高达AC 1000V和DC 1500V的低压配电系统的电气安全 - 用于测试、测量或保护测量监视的设备
第9部分:IT系统中绝缘故障定位设备

DIN VDE 0100-530 (VDE 0100-530):2018-06 
Errichten von Niederspannungsanlagen 
Teil 530: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel – Schalt- und Steuergeräte

标准可以从VDE-Verlag[出版商]或Beuth获得。

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类型命名尺寸语言时间戳D-/B-数量
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技术信息 White Paper: Effective Control and Auxiliary Circuit Monitoring Can Reduce Downtime and Increase Profitability 433.8 KB EN2019/05/13 10:29:2213.05.2019 10:29:22

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