配電變壓器高壓側(cè)單相接地對(duì)低壓側(cè)轉(zhuǎn)移過(guò)電壓研究

孫孔明，李玉敦，梁正堂，范榮奇，李乃永

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

10 kV 配電臺(tái)區(qū)的接地就其功能來(lái)說(shuō)包括3 部分：防雷接地、安全接地和工作接地。防雷接地將雷電流引入大地，避免配電設(shè)備遭雷擊損壞［1-2］；安全接地是指為了保證人身安全，防止人身意外觸碰配電變壓器外殼時(shí)觸電；工作接地是指400 V側(cè)中性點(diǎn)接地，以保證對(duì)用電設(shè)備的正常供電。傳統(tǒng)上出于簡(jiǎn)化施工、節(jié)約成本的考慮，安全接地與工作接地共用一個(gè)接地極，且接地極電阻值要求在4 Ω以內(nèi)［3-4］，由此帶來(lái)了轉(zhuǎn)移過(guò)電壓?jiǎn)栴}。當(dāng)配電變壓器高壓側(cè)發(fā)生一相經(jīng)外殼接地故障時(shí)，故障電流流經(jīng)接地極將配電變壓器中性點(diǎn)電壓大幅抬升，進(jìn)而通過(guò)中性線傳導(dǎo)至設(shè)備外殼引起轉(zhuǎn)移過(guò)電壓［5-7］。轉(zhuǎn)移過(guò)電壓會(huì)引發(fā)人身傷亡、設(shè)備損壞、火災(zāi)等事故，給配電系統(tǒng)的供電安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅［8］。

傳統(tǒng)上，我國(guó)10 kV配電系統(tǒng)廣泛采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)［9］，單相接地故障電容電流在10 A及以下，宜采用中性點(diǎn)不接地方式，超過(guò)10 A且小于100～150 A，宜采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，且補(bǔ)償后接地故障殘余電流一般宜控制在10 A以內(nèi)［10］，因此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)電流較小。隨著配電網(wǎng)技術(shù)的改進(jìn)及供電可靠性要求的提高，越來(lái)越多的地區(qū)開(kāi)始試點(diǎn)中性點(diǎn)經(jīng)低電阻或經(jīng)消弧線圈并低電阻接地［11-12］。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，流過(guò)接地點(diǎn)的電流遠(yuǎn)大于不接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)電阻為10 Ω 時(shí)，故障電流理論最大可達(dá)600 A。在故障點(diǎn)電阻不為0 時(shí)，故障電流流過(guò)接地電阻會(huì)將故障點(diǎn)電位大幅抬升，當(dāng)接地故障以側(cè)碰殼的形式出現(xiàn)時(shí)，過(guò)電壓通過(guò)配電變壓器低壓側(cè)中性線傳導(dǎo)至用戶用電設(shè)備外殼，產(chǎn)生轉(zhuǎn)移過(guò)電壓；此外，以故障點(diǎn)為圓心的區(qū)域內(nèi)也將形成較高跨步電壓。

1 轉(zhuǎn)移過(guò)電壓物理機(jī)理分析

轉(zhuǎn)移過(guò)電壓是指配電變壓器高壓側(cè)發(fā)生接地故障后，在低壓側(cè)產(chǎn)生的過(guò)電壓通過(guò)中性線傳導(dǎo)至用戶造成用電設(shè)備外殼電壓大幅升高。就原理來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)生的原因主要包括兩點(diǎn)：配電變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相碰殼接地故障、配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)發(fā)生單相接地故障，下文重點(diǎn)對(duì)這兩種轉(zhuǎn)移過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究。

1.1 碰殼接地轉(zhuǎn)移過(guò)電壓

以圖1所示10 kV/400 V配電網(wǎng)為例對(duì)碰殼接地產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移過(guò)電壓機(jī)理進(jìn)行研究。變電站內(nèi)10 kV母線中性點(diǎn)采用消弧線圈并低電阻接地方式，L0消弧線圈，R0為低電阻。10 kV 配電變壓器采用工作地與安全地共地接線模式，RT為接地電阻。400 V 配電系統(tǒng)采用TN?S接線方式，R1，R2，…，Rn為PEN 線的重復(fù)接地電阻。

圖1 碰殼接地轉(zhuǎn)移過(guò)電壓原理

當(dāng)配電變壓器發(fā)生單相碰殼接地短路時(shí)，由變電站內(nèi)中性點(diǎn)接地設(shè)備（低電阻、接地變壓器等）、10 kV 配電線路、配電變壓器接地電阻、PEN 線重復(fù)接地電阻等構(gòu)成故障回路，在忽略接地變壓器阻抗、線路阻抗情況下，流過(guò)10 kV線路中的故障電流可采用式（1）簡(jiǎn)化計(jì)算。

式中：UN為配電變壓器高壓側(cè)相電壓，此處取值為6.06 kV。

故障電流流經(jīng)配電變壓器接地電阻及PEN 線重復(fù)接地電阻后，產(chǎn)生轉(zhuǎn)移過(guò)電壓如式（2）所示。

由式（2）進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，碰殼接地轉(zhuǎn)移過(guò)電壓影響因素包括：變電站10 kV中性點(diǎn)接地方式、10 kV配電變壓器接地電阻值、400 V側(cè)接地方式。

1.2 配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)接地故障轉(zhuǎn)移過(guò)電壓

以圖2所示10 kV/400 V配電網(wǎng)為例對(duì)配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)單相接地故障造成的轉(zhuǎn)移過(guò)電壓機(jī)理進(jìn)行研究。圖中Rf為接地點(diǎn)處過(guò)渡電阻，Um為距離接地點(diǎn)m處的電壓，以無(wú)限遠(yuǎn)處為零電位參考點(diǎn)。

圖2 配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)接地轉(zhuǎn)移過(guò)電壓原理

忽略接地變壓器及線路阻抗，故障發(fā)生時(shí)，流過(guò)故障點(diǎn)處電流簡(jiǎn)化計(jì)算如式（3）所示。

故障點(diǎn)處電壓簡(jiǎn)化計(jì)算如式（4）所示。

在均勻土壤電阻率情況下，接地點(diǎn)周圍電壓分布如式（5）所示［13］。

式中：ρ為土壤電阻率。

由式（4）—式（5）進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)單相接地故障轉(zhuǎn)移過(guò)電壓影響因素包括：變電站10 kV 中性點(diǎn)接地方式、故障點(diǎn)過(guò)渡電阻值、故障點(diǎn)近區(qū)接地介質(zhì)類型（土壤電阻率）、故障點(diǎn)距配電變壓器接地極距離。

2 碰殼接地轉(zhuǎn)移過(guò)電壓影響因素分析

2.1 站內(nèi)中性點(diǎn)接地方式

站內(nèi)10 kV 母線中性點(diǎn)接地方式直接影響發(fā)生接地故障時(shí)故障電流的大小。中性點(diǎn)接地方式包括不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)低電阻接地。

中性點(diǎn)不接地。中性點(diǎn)不接地方式下，故障時(shí)流過(guò)故障點(diǎn)電流為所有非故障線路對(duì)地電容電流之和，通常該值在0～200 A 之間，由式（2）可得，極端情況下，轉(zhuǎn)移過(guò)電壓可達(dá)800 V。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。在正常補(bǔ)償情況下，發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)電流不大于10 A，配電變壓器接地電阻符合國(guó)標(biāo)要求情況下，轉(zhuǎn)移過(guò)電壓最大僅為40 V。

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地。以中性點(diǎn)電阻R0=10 Ω、配電變壓器接地電阻RT=4 Ω 為例，配電變壓器低壓側(cè)無(wú)重復(fù)接地情況下，由式（2）可得轉(zhuǎn)移過(guò)電壓值為1 731.4 V，且由該式可得，適當(dāng)提高中性點(diǎn)接地電阻值可降低轉(zhuǎn)移過(guò)電壓幅值。

2.2 配電變壓器安全地與工作地連接方式

安全地與工作地共用接地極。配電變壓器安全地與工作地共用接地極，如圖1和圖2所示。由式（2）分析，轉(zhuǎn)移過(guò)電壓數(shù)值隨接地電阻RT阻值增大而遞增。

安全地與工作地分開(kāi)。配電變壓器安全地與工作地分別接地，如圖3 所示。該接地方式下，轉(zhuǎn)移電壓產(chǎn)生機(jī)理與配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)接地故障轉(zhuǎn)移過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理相同。

圖3 配電變壓器工作地與安全地分別接地

2.3 配電變壓器400 V側(cè)接地方式

400 V 配電接地方式主要有IT、TT、TN 3 種接地方式［14］，其中TN 接地方式又可分為TN?S、TN?C、TN?C?S接地方式，其各自拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 400 V配電系統(tǒng)接地方式

IT、TT 接地系統(tǒng)。在IT、TT 系統(tǒng)中，由于用電設(shè)備外殼單獨(dú)接地，與配電變壓器中性點(diǎn)無(wú)中性線連接，轉(zhuǎn)移過(guò)電壓不會(huì)傳導(dǎo)至用電設(shè)備外殼。

TN 接地系統(tǒng)。TN 系統(tǒng)中，中性線會(huì)將過(guò)電壓傳遞至用電設(shè)備外殼，規(guī)程規(guī)定在TN 系統(tǒng)中，PE 線須在進(jìn)用戶時(shí)進(jìn)行重復(fù)接地，由式（2）理論分析可得，轉(zhuǎn)移至用電設(shè)備外殼的過(guò)電壓隨著重復(fù)接地?cái)?shù)量的增多而降低。

等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。用戶等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。配電變壓器位于建筑物內(nèi)部，其低壓側(cè)中性線及外殼直接與建筑物等電位網(wǎng)相連，用電設(shè)備外殼也與等電位網(wǎng)相連。發(fā)生配電變壓器碰殼接地后，整個(gè)建筑物電位一起抬升，但內(nèi)部電位差幾乎可忽略，保證人身安全。

圖5 用戶等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)

2.4 故障切除時(shí)間

接觸電壓對(duì)人體的傷害由兩方面共同決定：接觸電壓幅值、接觸時(shí)長(zhǎng)。GB/T 16895.10—2010《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)》中規(guī)定了故障電壓允許值及持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系［15］，如圖6所示。接觸電壓幅值越大，為了保證免于對(duì)人身及設(shè)備造成危害，故障切除時(shí)間要求越短。

圖6 故障電壓與持續(xù)時(shí)間關(guān)系

3 高壓側(cè)近區(qū)接地轉(zhuǎn)移過(guò)電壓影響因素分析

3.1 故障點(diǎn)過(guò)渡電阻值

由式（3）分析可得，故障點(diǎn)處電壓隨過(guò)渡電阻值的增大而增大，而實(shí)際上過(guò)渡電阻由地上部分Rf1和地下部分Rf2串聯(lián)構(gòu)成（如圖2 所示），距故障點(diǎn)m處的感應(yīng)電壓僅由地下部分的壓降傳導(dǎo)過(guò)去。當(dāng)發(fā)生經(jīng)樹(shù)木等高阻接地故障時(shí)，經(jīng)過(guò)樹(shù)木地上部分的分壓，故障點(diǎn)處地表的電壓遠(yuǎn)小于導(dǎo)線直接墜地時(shí)的地表電壓。若過(guò)渡電阻全部位于地表以上，將不會(huì)有電壓傳導(dǎo)至配電變壓器接地極處。

3.2 接地點(diǎn)與配電變壓器接地極距離

由式（5）分析可得，距接地點(diǎn)m處的地表電位隨m的增大呈指數(shù)規(guī)律下降。利用該特點(diǎn)，降低碰殼接地轉(zhuǎn)移過(guò)電壓的一項(xiàng)有效措施為配電變壓器外殼安全地與低壓側(cè)工作地分別接地，但受于場(chǎng)地的限制，該措施的實(shí)行難度較大。

4 轉(zhuǎn)移過(guò)電壓抑制策略

根據(jù)上述理論分析，提出5條轉(zhuǎn)移過(guò)電壓抑制策略。

策略1：配電變壓器安全地與工作地分別接地，兩者直線距離5 m 以上。碰殼接地轉(zhuǎn)移過(guò)電壓產(chǎn)生的根本原因在于故障時(shí)配電變壓器高低壓側(cè)存在直接的電氣聯(lián)系，該策略通過(guò)將高低壓側(cè)解耦，從根本上解決該問(wèn)題。

策略2：變電站內(nèi)中性點(diǎn)采用消弧線圈接地或不接地方式。該策略的原理在于降低接地故障時(shí)流過(guò)接地電阻的電流，從而降低轉(zhuǎn)移過(guò)電壓。采用該方式，接地電流一般不大于10 A，接地電阻滿足要求的情況下轉(zhuǎn)移過(guò)電壓最高為40 V。

策略3：10 kV側(cè)配置快速跳閘的保護(hù)裝置。轉(zhuǎn)移過(guò)電壓對(duì)人身造成的傷亡取決于電壓幅值及觸電時(shí)間，在無(wú)法降低轉(zhuǎn)移過(guò)電壓幅值的情況下，可通過(guò)快速切除故障縮短人身觸電時(shí)間窗。

策略4：PE 線、PEN 線根據(jù)要求進(jìn)行多次重復(fù)接地。該策略降低了配電變壓器等效接地電阻，從而降低轉(zhuǎn)移過(guò)電壓幅值。

策略5：用戶建筑物具備等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性，針對(duì)不同中性點(diǎn)接地方式、不同配電變壓器接地方式及接地電阻、不同低壓側(cè)接地方式等情況實(shí)際開(kāi)展10 kV接地試驗(yàn)。

5.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)試驗(yàn)

試驗(yàn)場(chǎng)景：變電站10 kV 母線中性點(diǎn)不接地，配電變壓器工作地與安全地共地，配電變壓器等效接地電阻6.6 Ω。

試驗(yàn)結(jié)果：配電變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相碰殼接地故障，試驗(yàn)記錄波形如圖7 所示，接地點(diǎn)故障電流27.4 A，400 V 側(cè)用電設(shè)備外殼電壓（即轉(zhuǎn)移過(guò)電壓）為177 V，該值遠(yuǎn)小于經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移過(guò)電壓1 433 V，證明采用不接地方式可降低轉(zhuǎn)移過(guò)電壓。

圖7 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)試驗(yàn)故障錄波

5.2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)試驗(yàn)

變電站10 kV母線中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地，電阻阻值為16 Ω。

1）安全地與工作地共地，無(wú)重復(fù)接地。

試驗(yàn)場(chǎng)景：配電變壓器工作地與安全地共地，400 V側(cè)為TN接地方式，PE線無(wú)重復(fù)接地。

試驗(yàn)結(jié)果：配電變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相碰殼接地故障，試驗(yàn)記錄波形如圖8 所示，接地點(diǎn)故障電流248 A，400 V 側(cè)用電設(shè)備外殼電壓（即轉(zhuǎn)移過(guò)電壓）為1 433 V。

圖8 安全地與工作地共地且無(wú)重復(fù)接地時(shí)故障錄波

2）安全地與工作地共地，400 V側(cè)重復(fù)接地。

試驗(yàn)場(chǎng)景：配電變壓器工作地與安全地共地，400 V 側(cè)為TN 接地方式，將PE 線進(jìn)行多處重復(fù)接地以降低配電變壓器等效接地電阻，實(shí)測(cè)值為3.6 Ω。

試驗(yàn)結(jié)果：配電變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相碰殼接地故障，試驗(yàn)記錄波形如圖9 所示，接地點(diǎn)故障電流261 A，400 V 側(cè)用電設(shè)備外殼電壓（即轉(zhuǎn)移過(guò)電壓）為927 V，該值小于無(wú)重復(fù)接地時(shí)的轉(zhuǎn)移過(guò)電壓1 433 V，證明400 V 重復(fù)接地可降低轉(zhuǎn)移過(guò)電壓。

圖9 安全地與工作地共地且PE重復(fù)接地時(shí)故障錄波

3）安全地與工作地分別接地，距離1 m。

試驗(yàn)場(chǎng)景：配電變壓器工作地與安全地分別接地，兩者距離1 m，安全地接地電阻RT=6.6 Ω，400 V側(cè)為TN接地方式，PE線無(wú)重復(fù)接地。

試驗(yàn)結(jié)果：配電變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相碰殼接地故障，試驗(yàn)記錄波形如圖10 所示，接地點(diǎn)故障電流174 A，400 V 側(cè)用電設(shè)備外殼電壓（即轉(zhuǎn)移過(guò)電壓）為1 093 V，該值小于安全地與工作地共地時(shí)的轉(zhuǎn)移過(guò)電壓1433 V，證明安全地與工作地分別接地可降低轉(zhuǎn)移過(guò)電壓。

圖10 安全地與工作地分開(kāi)1 m時(shí)故障錄波

4）安全地與工作地分別接地，距離5 m。

試驗(yàn)場(chǎng)景：配電變壓器工作地與安全地分別接地，兩者距離5 m，安全地接地電阻RT=6.6 Ω，400 V側(cè)為TN接地方式，PE線無(wú)重復(fù)接地。

試驗(yàn)結(jié)果：配電變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相碰殼接地故障，試驗(yàn)記錄波形如圖11 所示，接地點(diǎn)故障電流174 A，400 V側(cè)用電設(shè)備外殼電壓（即轉(zhuǎn)移過(guò)電壓）為116 V，該值遠(yuǎn)小于分開(kāi)距離1 m 時(shí)的轉(zhuǎn)移過(guò)電壓值1 093 V，證明分開(kāi)距離越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)移過(guò)電壓越小。

圖11 安全地與工作地分開(kāi)1m故障錄波

5）安全地與工作地共地，用戶側(cè)等電位聯(lián)結(jié)。

試驗(yàn)場(chǎng)景：站內(nèi)中性點(diǎn)小電阻值為10 Ω，配電變壓器工作地與安全地共地，400 V 側(cè)為TN 接地方式，配電變壓器工作地與安全地接于等電位地網(wǎng)。

試驗(yàn)結(jié)果：配電變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相碰殼接地故障，試驗(yàn)記錄波形如圖12 所示，接地點(diǎn)故障電流453 A，400 V 側(cè)中性點(diǎn)電壓（即轉(zhuǎn)移過(guò)電壓）為36 V，用電設(shè)備外殼對(duì)用戶地面電壓為1 V，如圖12（b）所示。與上述試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，表明用戶側(cè)有等電位聯(lián)結(jié)可降低轉(zhuǎn)移過(guò)電壓。6）配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)接地故障1。

圖12 小電阻接地-用戶側(cè)等電位聯(lián)結(jié)

試驗(yàn)場(chǎng)景：站內(nèi)中性點(diǎn)小電阻值為10 Ω，故障點(diǎn)過(guò)渡電阻17.5 Ω，全部位于地表以下。

試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，距離接地點(diǎn)1 m、2 m、3 m、4 m、5 m處電壓分別為1 388 V、864 V、618 V、506 V、426 V。

圖13 配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)接地故障1錄波

7）配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)接地故障2。

試驗(yàn)場(chǎng)景：站內(nèi)中性點(diǎn)小電阻值為10 Ω，故障點(diǎn)過(guò)渡電阻117.5 Ω，其中100 Ω 位于地表以上，17.5 Ω位于地表以下。

試驗(yàn)結(jié)果如圖14 所示，距離接地點(diǎn)1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 處電壓分別為298 V、186 V、133 V、109 V、91 V。

圖14 配電變壓器高壓側(cè)近區(qū)接地故障2錄波

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)10 kV 配電變壓器高壓側(cè)接地故障引起的低壓側(cè)轉(zhuǎn)移過(guò)電壓進(jìn)行了研究，分析了引起轉(zhuǎn)移過(guò)電壓的原因及影響轉(zhuǎn)移過(guò)電壓幅值的因素，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際人工接地試驗(yàn)驗(yàn)證了分析的有效性。

400 V側(cè)采用TN接地方式，變電站10 kV中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地時(shí)，配電變壓器高壓側(cè)接地故障會(huì)在低壓側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重轉(zhuǎn)移過(guò)電壓；中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)電容電流偏大或消弧線圈接地方式下補(bǔ)償容量不夠時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)移過(guò)電壓，但通常較前者幅值小。

在理論分析基礎(chǔ)上，提出5 條涉及變電站中性點(diǎn)接地方式、配電變壓器安全地與工作地接地方式、用戶側(cè)接地方式等的抑制轉(zhuǎn)移過(guò)電壓策略，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況制定合理的抑制方案，優(yōu)化組合策略。