10kV小電阻接地系統(tǒng)低壓側(cè)過電壓防護(hù)分析

國(guó)網(wǎng)冀北三河市供電公司冀維成

為滿足城市建設(shè)發(fā)展需要，解決線路通道走廊受限，提高電能輸送容量等問題，電力企業(yè)供電模式逐步由架空線路改由地下電纜進(jìn)行供電。隨著電纜線路的增多，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障的電容電流也在逐步增大。部分地區(qū)10kV 配電網(wǎng)的不接地系統(tǒng)或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)已不能滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行要求，需對(duì)當(dāng)前的10kV 接地系統(tǒng)進(jìn)行改造，即采取小電阻接地系統(tǒng)形式。為此建設(shè)單位就小電阻接地系統(tǒng)改造給出了相關(guān)的指導(dǎo)原則（簡(jiǎn)稱指導(dǎo)原則），但在一些單位的指導(dǎo)原則中，由于對(duì)小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)引起的低壓側(cè)暫時(shí)工頻過電壓的危害未引起足夠的重視，造成給出的相關(guān)指導(dǎo)意見中對(duì)過電壓的防護(hù)措施不明確或工程上實(shí)施困難等問題。下面就10kV配電網(wǎng)改由小電阻接地系統(tǒng)后高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)低壓系統(tǒng)出現(xiàn)的暫時(shí)工頻過電壓的防護(hù)問題進(jìn)行分析探討。

10kV 配電網(wǎng)不接地系統(tǒng)單相接地故障分析

目前，10kV配電網(wǎng)很多都是采用三角形接線的不接地或經(jīng)消弧線圈等非有效接地系統(tǒng)，也被稱為小電流接地系統(tǒng)，即10kV配電網(wǎng)的電源端帶電導(dǎo)體采取不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，而負(fù)荷端的外露導(dǎo)電部分采取保護(hù)接地的方式。10kV 配電變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)的系統(tǒng)接地與變壓器的保護(hù)接地接于同一RB上，共用一個(gè)接地極，如圖1所示。

在圖1 所示的不接地系統(tǒng)中，當(dāng)變壓器發(fā)生10kV 側(cè)接地故障時(shí)，故障電流Id沒有返回電源的通路，它只能通過另外兩個(gè)非故障相的對(duì)地電容返回電源。因容抗較大，所以Id值很?。ㄒ妶D2），一般在10A 以下。當(dāng)10kV 電源側(cè)采取利用接地變提供的中性點(diǎn)串接消弧線圈的接地方式后，接地故障電流經(jīng)過消弧線圈補(bǔ)償后往往也不超過10A。規(guī)程規(guī)定RB的阻值一般不大于4Ω，為此故障電壓降Uf=IdRB=10×4=40V。這樣Uf值既滿足外露導(dǎo)電部分接觸電壓限值不大于50V的要求，同時(shí)也滿足低壓設(shè)備對(duì)地絕緣最高電壓限值不大于250V 的要求（IEC 標(biāo)準(zhǔn)，見表1）。所以10kV高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)引起的低壓側(cè)工頻過電壓導(dǎo)致人身電擊及對(duì)絕緣擊穿等事故幾率很小。為此，對(duì)于10kV 不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)而言，發(fā)生上述故障時(shí)，故障回路電源側(cè)的斷路器可不切斷電源，只需發(fā)出接地信號(hào)，10kV 故障線路仍可堅(jiān)持運(yùn)行2 小時(shí)，這是10kV 配電網(wǎng)不接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 10kV小電流接地系統(tǒng)

圖2 10kV不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障

圖3 10kV小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障

表1 低壓電氣絕緣允許承受的過電壓和切斷電源時(shí)間

10kV 配電網(wǎng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障分析

由于大容量的電纜供電方式造成對(duì)地電容電流的增大，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，單相接地故障的電弧能量容易造成相間短路故障，迫使斷路器跳閘，為此10kV配電網(wǎng)不接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)不復(fù)存在。對(duì)故障時(shí)電容電流大或純電纜線路，采用了小電阻接地系統(tǒng)（見圖3）。

《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》（Q/GDW 1738-2020）中規(guī)定，單相接地故障電容電流在10A及以下，宜采用中性點(diǎn)不接地方式；單相接地故障電容電流超過10A 且小于100A～150A，宜采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。單相接地故障電容電流超過100A～150A以上，或以電纜網(wǎng)為主時(shí)，宜采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式。

10kV 不接地系統(tǒng)改由小電阻接地系統(tǒng)，就是利用接地變壓器為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)提供的一個(gè)人為的中性點(diǎn)，在其上串接一個(gè)10Ω左右的小電阻R后，再與接地極R′B可靠連接，即成為小電阻接地系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)荷側(cè)的10/0.4kV 配電站房或柱式變壓器臺(tái)等處發(fā)生高壓側(cè)接地故障時(shí)（如高壓開關(guān)柜、高壓電纜、變壓器等），故障電流Id獲得經(jīng)RB、R′B和R 的返回電源通路，因RB、R′B和R 阻值較小，導(dǎo)致故障電流Id可達(dá)到數(shù)百安。RB一般不大于4Ω，設(shè)Id為600A，則Uf=IdRB=600×4=2400V。如此高的過電壓將使低壓系統(tǒng)電位升高，不但使TT 系統(tǒng)的相線、中性線電位同時(shí)升高。而且也會(huì)使TN 系統(tǒng)的相線、中性線、PE 線及設(shè)備的外露導(dǎo)電部分的電位同時(shí)升高，為此高壓側(cè)故障引起的暫時(shí)工頻對(duì)地過電壓將會(huì)導(dǎo)致人身電擊、設(shè)備絕緣擊穿及電氣火災(zāi)等事故的發(fā)生。

如何防范10kV配電網(wǎng)改由小電阻接地后，高壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)引起的暫時(shí)工頻過電壓所造成的危害呢，下面就低壓側(cè)應(yīng)采取的一些防范措施進(jìn)行分析。

低壓側(cè)采取的防范措施分析

從上述的分析可知，由于改造前不接地系統(tǒng)的變壓器等設(shè)備的保護(hù)接地和低壓的系統(tǒng)接地共用一個(gè)接地極RB，改由小電阻接地系統(tǒng)后，當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的故障電壓Uf轉(zhuǎn)移至低壓用戶，引起大幅值的對(duì)地過電壓，將會(huì)導(dǎo)致低壓用戶內(nèi)的各種電氣事故，下面就低壓常采用的TN、TT系統(tǒng)進(jìn)行說明。

TN系統(tǒng)應(yīng)采取的防范措施

當(dāng)此部分的電氣裝置在建筑物內(nèi)時(shí)，建筑物采用總等電位聯(lián)結(jié)，即使相線、中性線、PEN 線、PE 線及設(shè)備的外露導(dǎo)電部分的電位升高（見圖4），圖中紅色線是轉(zhuǎn)移故障電壓Uf傳導(dǎo)至設(shè)備外露導(dǎo)電部分的路徑。建筑物內(nèi)人體可同時(shí)觸及的導(dǎo)電部分都處于同一個(gè)Uf電位水平上，不會(huì)出現(xiàn)電位差，不論Uf值有多高，都不致于引起人身電擊事故，同時(shí)也不會(huì)發(fā)生設(shè)備內(nèi)絕緣擊穿事故。

圖4 TN系統(tǒng)內(nèi)電擊危險(xiǎn)

當(dāng)此部分的電氣裝置給建筑物外的設(shè)備供電時(shí)，如果依然采用TN系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生上述的接地故障時(shí)，設(shè)備的金屬外殼將帶Uf電壓，由于人站在戶外地面上，戶外地面的電位為零伏，將會(huì)導(dǎo)致人體在觸及帶電的設(shè)備外殼時(shí)，發(fā)生人身電擊事故。為防止轉(zhuǎn)移故障電壓的發(fā)生，應(yīng)采取將戶外TN 系統(tǒng)改為局部TT系統(tǒng)，即不采用TN系統(tǒng)的PE線進(jìn)行接地，而是采用設(shè)備外殼單獨(dú)接地方式，且應(yīng)保證兩者在電氣上無聯(lián)系。

一些地方的指導(dǎo)原則中指出：“對(duì)于用戶側(cè)含TN 系統(tǒng)的配電變壓器，且用戶采用保護(hù)總等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)時(shí)，建筑物外未采用總等電位聯(lián)結(jié)裝置應(yīng)將自身接地改為TT 接地?！薄Ｊ紫取癟T 接地”這一說法不準(zhǔn)確，未明確是低壓電源的系統(tǒng)接地還是設(shè)備外露導(dǎo)電部分的保護(hù)接地，容易造成誤解。其次這一規(guī)定值得商榷，因除一些特殊的建筑結(jié)構(gòu)外，在戶外實(shí)現(xiàn)總等電位聯(lián)結(jié)不現(xiàn)實(shí)，戶外TN 系統(tǒng)必須改為局部TT 系統(tǒng)，才能保證人身安全，而不是簡(jiǎn)單的說明未采取總等電位聯(lián)結(jié)時(shí)應(yīng)改為單獨(dú)的保護(hù)接地，需要按具體情況分析。

當(dāng)TN系統(tǒng)中未采用總等電位聯(lián)結(jié)時(shí)（如變壓器在建筑物外，老舊建筑物無法實(shí)現(xiàn)總等電位聯(lián)結(jié)），為避免高壓側(cè)故障時(shí)低壓側(cè)暫時(shí)工頻過電壓導(dǎo)致的人身電擊事故的發(fā)生，最徹底的解決措施是將站房?jī)?nèi)或柱上變壓器的高壓側(cè)的保護(hù)接地RB和低壓系統(tǒng)的系統(tǒng)接地R＂B分開獨(dú)立設(shè)置（見圖5）。如一些指導(dǎo)原則中僅提出“用戶未采用保護(hù)總等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)時(shí)，配電變壓器的工作接地與外殼保護(hù)接地應(yīng)分開。如工作接地和保護(hù)接地?zé)o法分開，接地電阻不應(yīng)大于0.5Ω”的規(guī)定，但如何分開，具體怎么實(shí)施并未給出。為保證這兩個(gè)接地極互不影響，IEC 規(guī)定兩者應(yīng)相距至少20m以上，同時(shí)該系統(tǒng)接地應(yīng)采用絕緣電纜引出，并與站房?jī)?nèi)任何金屬部分完全絕緣，這是這兩個(gè)接地極分開設(shè)置的關(guān)鍵。同時(shí)在無法實(shí)施與建筑物總等電位聯(lián)結(jié)時(shí)，要保證工作接地和保護(hù)接地共用的接地電阻在0.5Ω以下是比較困難的，給施工造成了一定的難度。

圖5 TN系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置兩個(gè)接地極

圖6 TT系統(tǒng)對(duì)地的絕緣擊穿危險(xiǎn)

TT系統(tǒng)應(yīng)采取的防范措施

當(dāng)采用低壓TT 系統(tǒng)供電時(shí)，由于低壓設(shè)備的保護(hù)接地為單獨(dú)的接地極，故障電壓Uf不會(huì)傳導(dǎo)到低壓設(shè)備的外露導(dǎo)電部分而引起電擊事故，但卻存在電氣設(shè)備和線路的對(duì)地絕緣被此故障電壓Uf擊穿的危險(xiǎn)。因?yàn)榇藭r(shí)設(shè)備外殼和線路之間的絕緣將承受Uf+U0電壓，即Uf+220V（相量和）的暫時(shí)工頻過電壓（見圖6），低壓TT系統(tǒng)內(nèi)的絕緣就可能有擊穿的危險(xiǎn)，特別是在一些老舊建筑物內(nèi)絕緣老化的電氣設(shè)備的危險(xiǎn)性更大。

在站房?jī)?nèi)或柱上變壓器等處設(shè)置兩個(gè)接地極。采取像TN 系統(tǒng)那樣，將兩個(gè)“地”分開。這樣高壓側(cè)故障時(shí)的過電壓就不會(huì)沿著相線、中性線傳導(dǎo)到低壓系統(tǒng)內(nèi)，自然不會(huì)出現(xiàn)帶電導(dǎo)體對(duì)地的過電壓，也就不會(huì)發(fā)生對(duì)地絕緣擊穿的危險(xiǎn)。

當(dāng)采取像10kV 不接地系統(tǒng)那樣，仍共用一個(gè)接地極時(shí)，由上面的分析可知，當(dāng)10kV 小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生高壓側(cè)接地故障時(shí)，Uf可達(dá)到2400V，TT 系統(tǒng)內(nèi)的線路或設(shè)備絕緣可能被擊穿導(dǎo)致火災(zāi)或設(shè)備損壞等事故。所以應(yīng)限制故障電流Id和共用的接地電阻RB的大小，使其IdRB的乘積不大于1200V（IEC 標(biāo)準(zhǔn)，見表1）。有的指導(dǎo)原則中指出“對(duì)于用戶側(cè)僅有TT 系統(tǒng)的配電變壓器，可不將工作接地和保護(hù)接地分開，但應(yīng)將接地電阻將至2歐以下”，目前現(xiàn)有接地極規(guī)定在4Ω以下，需要對(duì)現(xiàn)有的接地極進(jìn)行改造，為此建議TT系統(tǒng)最好也采取將高壓側(cè)保護(hù)接地和低壓側(cè)的系統(tǒng)接地分開設(shè)置，重新裝設(shè)低壓側(cè)的系統(tǒng)接地的接地極，同時(shí)加強(qiáng)運(yùn)維管理水平，確保接地電阻值符合要求。如果設(shè)置電位上互不影響的兩個(gè)接地極確有困難時(shí)，可共用一個(gè)接地極，但必須限制其工頻過電壓數(shù)值Uf≤1200V，降低接地電阻RB在2Ω以下是切實(shí)可行的，同時(shí)也要限制接地故障電流Id不大于600A。

采用同一個(gè)接地極的TT系統(tǒng)的低壓總配電箱處，往往需要采用SPD裝置來限制工頻暫時(shí)過電壓和雷電沖擊過電壓。改用小電阻接地后，在暫時(shí)工頻過電壓下（時(shí)間為毫秒級(jí)～秒級(jí)），SPD會(huì)因動(dòng)作時(shí)間過長(zhǎng)而損毀，為此原SPD的安裝形式和位置應(yīng)予以調(diào)整，宜采用“3+1”連接方式（見《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》），即將3個(gè)相線的SPD接于中性線上，再串接一個(gè)放電間隙接于PE線上，同時(shí)將安裝位置調(diào)整至RCD 電源端，這樣就在上述中的Uf≤1200V 電壓情況下阻止SPD 的導(dǎo)通，SPD只能在更高幅值的雷電過電壓下放電間隙被擊穿而導(dǎo)通，防止了暫時(shí)工頻過電壓造成SPD的損壞。

結(jié)束語

由以上分析可知，當(dāng)10kV 電網(wǎng)改由小電阻接地系統(tǒng)后，重點(diǎn)需要從防人身電擊和絕緣對(duì)地?fù)舸﹥蓚€(gè)方面，來防范高壓側(cè)接地故障時(shí)低壓側(cè)暫時(shí)工頻過電壓所造成的危害。

對(duì)于TN 系統(tǒng)，當(dāng)變壓器在建筑物內(nèi)部時(shí)，因具有總等電位聯(lián)結(jié)條件，建筑物內(nèi)不存在高壓側(cè)接地故障引起的暫時(shí)過電壓的危害。當(dāng)變壓器不在建筑物內(nèi)部時(shí)，最有效的防止暫時(shí)過電壓危害的措施是將保護(hù)接地和系統(tǒng)接地分開設(shè)置。否則建筑物內(nèi)應(yīng)采取總等電位聯(lián)結(jié)措施。戶外按現(xiàn)場(chǎng)具體情況采用局部TT系統(tǒng)。

對(duì)于TT 系統(tǒng)，防止暫時(shí)過電壓危害的措施最好也是將保護(hù)接地和系統(tǒng)接地分開設(shè)置，否則不但要降低共用接地極的接地電阻RB，也要限制故障短路電流Id，使IdRB的乘積不大于1200V，以防止低壓設(shè)備絕緣擊穿事故的發(fā)生。同時(shí)還應(yīng)注意總配電箱中的SPD 的安裝形式和位置，防止SPD的損壞。■