10kV小电阻接地系统低压侧过电压防护分析

2021-05-22国网冀北三河市供电公司冀维成

中国电业与能源 2021年4期

国网冀北三河市供电公司冀维成

为满足城市建设发展需要，解决线路通道走廊受限，提高电能输送容量等问题，电力企业供电模式逐步由架空线路改由地下电缆进行供电。随着电缆线路的增多，当发生单相接地故障时，故障的电容电流也在逐步增大。部分地区10kV 配电网的不接地系统或经消弧线圈接地系统已不能满足电网安全运行要求，需对当前的10kV 接地系统进行改造，即采取小电阻接地系统形式。为此建设单位就小电阻接地系统改造给出了相关的指导原则（简称指导原则），但在一些单位的指导原则中，由于对小电阻接地系统发生单相接地故障时引起的低压侧暂时工频过电压的危害未引起足够的重视，造成给出的相关指导意见中对过电压的防护措施不明确或工程上实施困难等问题。下面就10kV配电网改由小电阻接地系统后高压侧发生接地故障时低压系统出现的暂时工频过电压的防护问题进行分析探讨。

10kV 配电网不接地系统单相接地故障分析

目前，10kV配电网很多都是采用三角形接线的不接地或经消弧线圈等非有效接地系统，也被称为小电流接地系统，即10kV配电网的电源端带电导体采取不接地或经消弧线圈接地方式，而负荷端的外露导电部分采取保护接地的方式。10kV 配电变压器低压侧中性点的系统接地与变压器的保护接地接于同一RB上，共用一个接地极，如图1所示。

在图1 所示的不接地系统中，当变压器发生10kV 侧接地故障时，故障电流Id没有返回电源的通路，它只能通过另外两个非故障相的对地电容返回电源。因容抗较大，所以Id值很小（见图2），一般在10A 以下。当10kV 电源侧采取利用接地变提供的中性点串接消弧线圈的接地方式后，接地故障电流经过消弧线圈补偿后往往也不超过10A。规程规定RB的阻值一般不大于4Ω，为此故障电压降Uf=IdRB=10×4=40V。这样Uf值既满足外露导电部分接触电压限值不大于50V的要求，同时也满足低压设备对地绝缘最高电压限值不大于250V 的要求（IEC 标准，见表1）。所以10kV高压侧发生接地故障时引起的低压侧工频过电压导致人身电击及对绝缘击穿等事故几率很小。为此，对于10kV 不接地或经消弧线圈接地系统而言，发生上述故障时，故障回路电源侧的断路器可不切断电源，只需发出接地信号，10kV 故障线路仍可坚持运行2 小时，这是10kV 配电网不接地系统的优点。

图1 10kV小电流接地系统

图2 10kV不接地系统发生单相接地故障

图3 10kV小电阻接地系统发生单相接地故障

表1 低压电气绝缘允许承受的过电压和切断电源时间

10kV 配电网小电阻接地系统单相接地故障分析

由于大容量的电缆供电方式造成对地电容电流的增大，在发生单相接地故障时，单相接地故障的电弧能量容易造成相间短路故障，迫使断路器跳闸，为此10kV配电网不接地系统的优点已经不复存在。对故障时电容电流大或纯电缆线路，采用了小电阻接地系统（见图3）。

《配电网规划设计技术导则》（Q/GDW 1738-2020）中规定，单相接地故障电容电流在10A及以下，宜采用中性点不接地方式；单相接地故障电容电流超过10A 且小于100A～150A，宜采用中性点经消弧线圈接地方式。单相接地故障电容电流超过100A～150A以上，或以电缆网为主时，宜采用中性点经低电阻接地方式。

10kV 不接地系统改由小电阻接地系统，就是利用接地变压器为中性点不接地系统提供的一个人为的中性点，在其上串接一个10Ω左右的小电阻R后，再与接地极R′B可靠连接，即成为小电阻接地系统。当负荷侧的10/0.4kV 配电站房或柱式变压器台等处发生高压侧接地故障时（如高压开关柜、高压电缆、变压器等），故障电流Id获得经RB、R′B和R 的返回电源通路，因RB、R′B和R 阻值较小，导致故障电流Id可达到数百安。RB一般不大于4Ω，设Id为600A，则Uf=IdRB=600×4=2400V。如此高的过电压将使低压系统电位升高，不但使TT 系统的相线、中性线电位同时升高。而且也会使TN 系统的相线、中性线、PE 线及设备的外露导电部分的电位同时升高，为此高压侧故障引起的暂时工频对地过电压将会导致人身电击、设备绝缘击穿及电气火灾等事故的发生。

如何防范10kV配电网改由小电阻接地后，高压侧发生单相接地故障时引起的暂时工频过电压所造成的危害呢，下面就低压侧应采取的一些防范措施进行分析。

低压侧采取的防范措施分析

从上述的分析可知，由于改造前不接地系统的变压器等设备的保护接地和低压的系统接地共用一个接地极RB，改由小电阻接地系统后，当接地故障发生时，产生的故障电压Uf转移至低压用户，引起大幅值的对地过电压，将会导致低压用户内的各种电气事故，下面就低压常采用的TN、TT系统进行说明。

TN系统应采取的防范措施

当此部分的电气装置在建筑物内时，建筑物采用总等电位联结，即使相线、中性线、PEN 线、PE 线及设备的外露导电部分的电位升高（见图4），图中红色线是转移故障电压Uf传导至设备外露导电部分的路径。建筑物内人体可同时触及的导电部分都处于同一个Uf电位水平上，不会出现电位差，不论Uf值有多高，都不致于引起人身电击事故，同时也不会发生设备内绝缘击穿事故。

图4 TN系统内电击危险

当此部分的电气装置给建筑物外的设备供电时，如果依然采用TN系统，当发生上述的接地故障时，设备的金属外壳将带Uf电压，由于人站在户外地面上，户外地面的电位为零伏，将会导致人体在触及带电的设备外壳时，发生人身电击事故。为防止转移故障电压的发生，应采取将户外TN 系统改为局部TT系统，即不采用TN系统的PE线进行接地，而是采用设备外壳单独接地方式，且应保证两者在电气上无联系。

一些地方的指导原则中指出：“对于用户侧含TN 系统的配电变压器，且用户采用保护总等电位联结系统时，建筑物外未采用总等电位联结装置应将自身接地改为TT 接地。”。首先“TT 接地”这一说法不准确，未明确是低压电源的系统接地还是设备外露导电部分的保护接地，容易造成误解。其次这一规定值得商榷，因除一些特殊的建筑结构外，在户外实现总等电位联结不现实，户外TN 系统必须改为局部TT 系统，才能保证人身安全，而不是简单的说明未采取总等电位联结时应改为单独的保护接地，需要按具体情况分析。

当TN系统中未采用总等电位联结时（如变压器在建筑物外，老旧建筑物无法实现总等电位联结），为避免高压侧故障时低压侧暂时工频过电压导致的人身电击事故的发生，最彻底的解决措施是将站房内或柱上变压器的高压侧的保护接地RB和低压系统的系统接地R＂B分开独立设置（见图5）。如一些指导原则中仅提出“用户未采用保护总等电位联结系统时，配电变压器的工作接地与外壳保护接地应分开。如工作接地和保护接地无法分开，接地电阻不应大于0.5Ω”的规定，但如何分开，具体怎么实施并未给出。为保证这两个接地极互不影响，IEC 规定两者应相距至少20m以上，同时该系统接地应采用绝缘电缆引出，并与站房内任何金属部分完全绝缘，这是这两个接地极分开设置的关键。同时在无法实施与建筑物总等电位联结时，要保证工作接地和保护接地共用的接地电阻在0.5Ω以下是比较困难的，给施工造成了一定的难度。

图5 TN系统内设置两个接地极

图6 TT系统对地的绝缘击穿危险

TT系统应采取的防范措施

当采用低压TT 系统供电时，由于低压设备的保护接地为单独的接地极，故障电压Uf不会传导到低压设备的外露导电部分而引起电击事故，但却存在电气设备和线路的对地绝缘被此故障电压Uf击穿的危险。因为此时设备外壳和线路之间的绝缘将承受Uf+U0电压，即Uf+220V（相量和）的暂时工频过电压（见图6），低压TT系统内的绝缘就可能有击穿的危险，特别是在一些老旧建筑物内绝缘老化的电气设备的危险性更大。

在站房内或柱上变压器等处设置两个接地极。采取像TN 系统那样，将两个“地”分开。这样高压侧故障时的过电压就不会沿着相线、中性线传导到低压系统内，自然不会出现带电导体对地的过电压，也就不会发生对地绝缘击穿的危险。

当采取像10kV 不接地系统那样，仍共用一个接地极时，由上面的分析可知，当10kV 小电阻接地系统发生高压侧接地故障时，Uf可达到2400V，TT 系统内的线路或设备绝缘可能被击穿导致火灾或设备损坏等事故。所以应限制故障电流Id和共用的接地电阻RB的大小，使其IdRB的乘积不大于1200V（IEC 标准，见表1）。有的指导原则中指出“对于用户侧仅有TT 系统的配电变压器，可不将工作接地和保护接地分开，但应将接地电阻将至2欧以下”，目前现有接地极规定在4Ω以下，需要对现有的接地极进行改造，为此建议TT系统最好也采取将高压侧保护接地和低压侧的系统接地分开设置，重新装设低压侧的系统接地的接地极，同时加强运维管理水平，确保接地电阻值符合要求。如果设置电位上互不影响的两个接地极确有困难时，可共用一个接地极，但必须限制其工频过电压数值Uf≤1200V，降低接地电阻RB在2Ω以下是切实可行的，同时也要限制接地故障电流Id不大于600A。

采用同一个接地极的TT系统的低压总配电箱处，往往需要采用SPD装置来限制工频暂时过电压和雷电冲击过电压。改用小电阻接地后，在暂时工频过电压下（时间为毫秒级～秒级），SPD会因动作时间过长而损毁，为此原SPD的安装形式和位置应予以调整，宜采用“3+1”连接方式（见《建筑物防雷设计规范》），即将3个相线的SPD接于中性线上，再串接一个放电间隙接于PE线上，同时将安装位置调整至RCD 电源端，这样就在上述中的Uf≤1200V 电压情况下阻止SPD 的导通，SPD只能在更高幅值的雷电过电压下放电间隙被击穿而导通，防止了暂时工频过电压造成SPD的损坏。