10 kV變電站單相接地故障有關(guān)問題探討

李浩

（中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司西北分公司，陜西西安710075）

10 kV變電站單相接地故障有關(guān)問題探討

李浩

（中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司西北分公司，陜西西安710075）

介紹了10/0.4 kV變電站在高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障的原理，并深入分析了高壓側(cè)單相接地故障對(duì)目前低壓配電系統(tǒng)中廣為應(yīng)用的TN、TT系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓的危害，最后指出了減小這種危害的幾點(diǎn)措施。

10 kV變電站；系統(tǒng)接地；保護(hù)接地；單相接地故障

引言

10/0.4 kV變電站的接地分為系統(tǒng)接地和保護(hù)接地。系統(tǒng)接地的目的是給配電系統(tǒng)提供一個(gè)參考電位，并確保對(duì)地絕緣的要求；保護(hù)接地的目的是在發(fā)生接地故障時(shí)，降低電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分對(duì)地的故障電壓或接觸電壓。

10/0.4 kV變電站有10 kV系統(tǒng)與220/380 V低壓系統(tǒng)，目前中國的10 kV系統(tǒng)多為不接地系統(tǒng)，10 kV側(cè)只有變壓器與高壓開關(guān)柜等電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分的保護(hù)接地。而220/380 V系統(tǒng)則由變壓器中性點(diǎn)直接接地，其接地包括系統(tǒng)接地與保護(hù)接地。

若10/0.4 kV變電站的高、低壓側(cè)單獨(dú)設(shè)置接地系統(tǒng)，發(fā)生高壓側(cè)單相接地故障時(shí)，僅高壓側(cè)保護(hù)接地線電壓會(huì)升高，故障電壓不會(huì)向低壓側(cè)傳遞，變電站內(nèi)僅高壓設(shè)備會(huì)存在過電壓危險(xiǎn)。對(duì)于10/0.4 kV變電站，目前規(guī)范尚未明確高、低壓系統(tǒng)的接地是否獨(dú)立設(shè)置，但若是低壓系統(tǒng)完全處在高壓系統(tǒng)接地所包圍的區(qū)域內(nèi)，高、低壓系統(tǒng)接地應(yīng)相互連接。另外，將高、低壓接地系統(tǒng)分開設(shè)置，在工程實(shí)際中往往較難實(shí)現(xiàn)，通常還是將高、低壓系統(tǒng)的接地相互連接、或共用接地系統(tǒng)。

1　高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障的原理

對(duì)于中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的三相對(duì)地電容電流基本平衡，三相對(duì)地電壓均為相電壓。當(dāng)某一相發(fā)生接地故障時(shí)，該相的相對(duì)地電壓和相對(duì)地電容電流變?yōu)榱?，而未接地兩相的相?duì)地電壓和相對(duì)地電容電流均升高了倍。此時(shí)，接地故障電流等于未接地兩相對(duì)地電容電流的向量和，從數(shù)值上等于未發(fā)生單相接地故障時(shí)一相對(duì)地電容電流的的3倍。

此接地故障電容電流從故障點(diǎn)經(jīng)大地由線路流向電源，經(jīng)過變電站接地點(diǎn)時(shí)會(huì)使保護(hù)接地線上的對(duì)地電壓升高，產(chǎn)生故障電壓。變電站的高、低壓側(cè)接地系統(tǒng)相互連接或共用時(shí)，故障電壓就會(huì)通過PE線、N線或者PEN線向外傳遞，對(duì)低壓系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓影響。

2　高壓側(cè)單相接地故障對(duì)TN系統(tǒng)的影響

10/0.4 kV變電站高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在TN系統(tǒng)引起的過電壓如圖1所示，考慮到TN-S與TN-C-S的通用性，圖中未單獨(dú)畫出N線。

圖1　高壓側(cè)發(fā)生單相故障時(shí)TN系統(tǒng)過電壓示意圖

如圖1中所示可以看出，單相接地故障電流通過變電站接地電阻產(chǎn)生的故障電壓，使得系統(tǒng)中性點(diǎn)、地電位整體升高。對(duì)于TN系統(tǒng)，各相對(duì)地的電位升高值均為，但各相對(duì)中性點(diǎn)的電位保持不變，各相在電源側(cè)與負(fù)載側(cè)的工頻應(yīng)力電壓U1、U2也不變，即低壓設(shè)備的絕緣不受高壓側(cè)單相接地故障的影響。

但中性點(diǎn)升高的電位由PE線或PEN線傳遞到負(fù)載側(cè)時(shí)，會(huì)引起低壓設(shè)備外露可導(dǎo)電部分與地之間出現(xiàn)故障電壓，此故障電壓。若高壓側(cè)的單相接地故障不能立即排除，該故障電壓可能會(huì)對(duì)威脅到人身安全。根據(jù)《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50054—2011）相關(guān)要求，一般環(huán)境下安全特低電壓限值為50 V，為保障間接接觸防護(hù)的要求。若取10/0.4 kV變電站接地電阻為，則要求高壓側(cè)的單相接地故障電流。然而在一些特殊環(huán)境下，安全特低電壓的限值可能為25 V或12 V，此時(shí)對(duì)高壓側(cè)單相接地故障電流的限制將更為嚴(yán)格。

《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50064—2014）3.1.3條對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地故障電流做了明確規(guī)定，即在單相接地故障電流不大于10 A時(shí)，可采用中性點(diǎn)不接地方式，若單相接地故障電流大于10 A又需要系統(tǒng)在故障條件下繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，宜采用中性點(diǎn)諧振接地方式。該規(guī)范中單相接地故障電流10 A限值可以滿足一般環(huán)境下接觸電壓要求，但該限制條件主要是通過研究配電電纜的熄弧下限而確定的，并未考慮高壓側(cè)接地故障對(duì)于低壓側(cè)過電壓的影響，而對(duì)于特殊環(huán)境接觸電壓要求還需要通過合理的保護(hù)設(shè)置和等電位聯(lián)接來解決。

3　高壓側(cè)單相接地故障對(duì)TT系統(tǒng)的影響

10/0.4 kV變電站高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在TT系統(tǒng)引起的過電壓如圖2所示。

圖2　高壓側(cè)發(fā)生單相故障時(shí)TT系統(tǒng)過電壓示意圖

從圖2中可以看出，單相接地故障電流通過變電站接地電阻產(chǎn)生的故障電壓，使得系統(tǒng)電源側(cè)的中性點(diǎn)電位和地電位整體升高，但負(fù)載側(cè)僅中性點(diǎn)的電位升高，地電位沒不變。對(duì)于TT的電源側(cè)，與TN系統(tǒng)相同，雖然有相對(duì)地的電位升高，但相對(duì)中性點(diǎn)的電位保持不變，即電源側(cè)的工頻應(yīng)力電壓U1不變，此時(shí)電源側(cè)低壓設(shè)備的絕緣不受高壓側(cè)單相接地故障的影響。但負(fù)載側(cè)由于TT系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置保護(hù)接地，由中性線傳遞的故障電位將使得負(fù)載側(cè)的工頻應(yīng)力電壓U2升高，此時(shí)。根據(jù)《低壓電氣裝置第4-44部分：安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》（GB/T 16895.10—2010）中相關(guān)規(guī)定，工頻應(yīng)力電壓的允許值如表1所示。

表1　允許的工頻應(yīng)力電壓

根據(jù)該規(guī)范要求，需滿足即在故障持續(xù)時(shí)間。經(jīng)前文的分析和計(jì)算可知，在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中與的值都較小，工頻應(yīng)力電壓的要求是較容易滿足的，這也說明高壓側(cè)單相接地故障在TT系統(tǒng)中引起的過電壓對(duì)低壓設(shè)備絕緣產(chǎn)生影響較小。

另外，由于TT系統(tǒng)在負(fù)載側(cè)設(shè)置獨(dú)立保護(hù)接地，低壓裝置的外露可導(dǎo)電部分直接與地連接，保護(hù)線電位不受系統(tǒng)電源側(cè)地電位升高的影響，因此在負(fù)載側(cè)故障電壓不會(huì)升高。

4　減小10　kV變電站單相接故障危害的措施

4.1合理減小變電站的接地電阻

由公式可知，在高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，減小接地電阻，可以有效地降低故障電壓，從而減小故障對(duì)低壓側(cè)產(chǎn)生過電壓的危害。可通過對(duì)變電站接地方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，選擇合理、可行的接地方案，適當(dāng)?shù)慕档妥冸娬镜慕拥仉娮?，這樣既對(duì)變電站接地系統(tǒng)性能衰減留出一定裕量，也有效降低了發(fā)生高壓側(cè)單相接地故障產(chǎn)生的危害。

4.2合理設(shè)置單相接地保護(hù)

高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的電壓、相位等電氣參數(shù)影響較小，有些情況下需要根據(jù)系統(tǒng)和用戶的要求延時(shí)供電一段時(shí)間，此時(shí)單相接地故障保護(hù)需要對(duì)高、低壓系統(tǒng)的影響綜合考慮，既要考慮高壓系統(tǒng)供電的可靠性，也要兼顧低壓系統(tǒng)電氣安全。

4.3改變高壓系統(tǒng)的接地方式

目前10 kV配電系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，引起的單相接地故障電流也越來越大，這時(shí)可根據(jù)不同的運(yùn)行要求改變高壓系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式，如采取諧振接地方式或小電阻接地方式。

采用諧振接地方式適用于系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)還需要延時(shí)供電的情況，可通過諧振接地限制單相接地故障電流小于10 A，減小對(duì)低壓側(cè)過電壓的影響。采用小電阻接地方式適用于系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)需要切除故障的情況，此時(shí)通過小電阻接地可以在故障情況下獲得較大的單相接地故障電流，確保高壓保護(hù)電器動(dòng)作靈敏度的要求。

5　結(jié)語

10 kV變電站通常是系統(tǒng)配電的終端用戶，高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障可能危及人員安全，因此在10/0.4 kV系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮高壓側(cè)接地故障對(duì)低壓側(cè)產(chǎn)生過電壓的影響，并根據(jù)具體情況計(jì)算單相接地故障電流，合理的設(shè)計(jì)繼電保護(hù)方案與變電站的接地系統(tǒng)形式。

［1］任元會(huì)，卞鎧生，姚家袆.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國電力出版社，2005:152-153.

［2］中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).GB 50054低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2011:2-3.

［3］中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).GB/T 50065交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2011:8-9.

［4］中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).GB/T 50064交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2014:4-5.

［5］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 16895.10低壓電氣裝置（第4-44部分）.安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010:3-6.

（編輯：王慧芳）

Discussion on 10 kV Substation Single-phase Fault Related Issues

Li Hao
（China Civil Airport Construction Corporation Northwest Branch，Xi'an Shaanxi 710075）

This article introduces the principle of 10/0.4kV substations occurred in the high-pressure side of the single-phase ground fault，and in-depth analysis of the high-pressure side of the single-phase ground fault current low-voltage distribution system widely used in TN，TT system produced a hazard voltage，and finally pointed out several measures to reduce this hazard.

10kV substation；system grounding；grounding；single-phase fault

TM7

A

2095-0748（2015）21-0035-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.16

2015-10-12

李浩（1981—），男，陜西延安人，碩士研究生，工程師，研究方向：主要從事民航機(jī)場的電氣設(shè)計(jì)工作。