配电变压器高压侧单相接地对低压侧转移过电压研究

2022-04-28孙孔明李玉敦梁正堂范荣奇李乃永

山东电力技术 2022年4期

孙孔明，李玉敦，梁正堂，范荣奇，李乃永

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003；2.国网山东省电力公司，山东济南 250001）

0 引言

10 kV 配电台区的接地就其功能来说包括3 部分：防雷接地、安全接地和工作接地。防雷接地将雷电流引入大地，避免配电设备遭雷击损坏［1-2］；安全接地是指为了保证人身安全，防止人身意外触碰配电变压器外壳时触电；工作接地是指400 V侧中性点接地，以保证对用电设备的正常供电。传统上出于简化施工、节约成本的考虑，安全接地与工作接地共用一个接地极，且接地极电阻值要求在4 Ω以内［3-4］，由此带来了转移过电压问题。当配电变压器高压侧发生一相经外壳接地故障时，故障电流流经接地极将配电变压器中性点电压大幅抬升，进而通过中性线传导至设备外壳引起转移过电压［5-7］。转移过电压会引发人身伤亡、设备损坏、火灾等事故，给配电系统的供电安全带来严重威胁［8］。

传统上，我国10 kV配电系统广泛采用不接地或经消弧线圈接地系统［9］，单相接地故障电容电流在10 A及以下，宜采用中性点不接地方式，超过10 A且小于100～150 A，宜采用中性点经消弧线圈接地方式，且补偿后接地故障残余电流一般宜控制在10 A以内［10］，因此，当系统发生单相接地时，故障点电流较小。随着配电网技术的改进及供电可靠性要求的提高，越来越多的地区开始试点中性点经低电阻或经消弧线圈并低电阻接地［11-12］。当发生单相接地故障时，流过接地点的电流远大于不接地系统，中性点电阻为10 Ω 时，故障电流理论最大可达600 A。在故障点电阻不为0 时，故障电流流过接地电阻会将故障点电位大幅抬升，当接地故障以侧碰壳的形式出现时，过电压通过配电变压器低压侧中性线传导至用户用电设备外壳，产生转移过电压；此外，以故障点为圆心的区域内也将形成较高跨步电压。

1 转移过电压物理机理分析

转移过电压是指配电变压器高压侧发生接地故障后，在低压侧产生的过电压通过中性线传导至用户造成用电设备外壳电压大幅升高。就原理来说，其产生的原因主要包括两点：配电变压器高压侧发生单相碰壳接地故障、配电变压器高压侧近区发生单相接地故障，下文重点对这两种转移过电压产生机理进行研究。

1.1 碰壳接地转移过电压

以图1所示10 kV/400 V配电网为例对碰壳接地产生的转移过电压机理进行研究。变电站内10 kV母线中性点采用消弧线圈并低电阻接地方式，L0消弧线圈，R0为低电阻。10 kV 配电变压器采用工作地与安全地共地接线模式，RT为接地电阻。400 V 配电系统采用TN⁃S接线方式，R1，R2，…，Rn为PEN 线的重复接地电阻。

图1 碰壳接地转移过电压原理

当配电变压器发生单相碰壳接地短路时，由变电站内中性点接地设备（低电阻、接地变压器等）、10 kV 配电线路、配电变压器接地电阻、PEN 线重复接地电阻等构成故障回路，在忽略接地变压器阻抗、线路阻抗情况下，流过10 kV线路中的故障电流可采用式（1）简化计算。

式中：UN为配电变压器高压侧相电压，此处取值为6.06 kV。

故障电流流经配电变压器接地电阻及PEN 线重复接地电阻后，产生转移过电压如式（2）所示。

由式（2）进一步分析发现，碰壳接地转移过电压影响因素包括：变电站10 kV中性点接地方式、10 kV配电变压器接地电阻值、400 V侧接地方式。

1.2 配电变压器高压侧近区接地故障转移过电压

以图2所示10 kV/400 V配电网为例对配电变压器高压侧近区单相接地故障造成的转移过电压机理进行研究。图中Rf为接地点处过渡电阻，Um为距离接地点m处的电压，以无限远处为零电位参考点。

图2 配电变压器高压侧近区接地转移过电压原理

忽略接地变压器及线路阻抗，故障发生时，流过故障点处电流简化计算如式（3）所示。

故障点处电压简化计算如式（4）所示。

在均匀土壤电阻率情况下，接地点周围电压分布如式（5）所示［13］。

式中：ρ为土壤电阻率。

由式（4）—式（5）进一步分析发现，配电变压器高压侧近区单相接地故障转移过电压影响因素包括：变电站10 kV 中性点接地方式、故障点过渡电阻值、故障点近区接地介质类型（土壤电阻率）、故障点距配电变压器接地极距离。

2 碰壳接地转移过电压影响因素分析

2.1 站内中性点接地方式

站内10 kV 母线中性点接地方式直接影响发生接地故障时故障电流的大小。中性点接地方式包括不接地、经消弧线圈接地、经低电阻接地。

中性点不接地。中性点不接地方式下，故障时流过故障点电流为所有非故障线路对地电容电流之和，通常该值在0～200 A 之间，由式（2）可得，极端情况下，转移过电压可达800 V。

中性点经消弧线圈接地。在正常补偿情况下，发生单相接地故障时，故障点电流不大于10 A，配电变压器接地电阻符合国标要求情况下，转移过电压最大仅为40 V。

中性点经小电阻接地。以中性点电阻R0=10 Ω、配电变压器接地电阻RT=4 Ω 为例，配电变压器低压侧无重复接地情况下，由式（2）可得转移过电压值为1 731.4 V，且由该式可得，适当提高中性点接地电阻值可降低转移过电压幅值。

2.2 配电变压器安全地与工作地连接方式

安全地与工作地共用接地极。配电变压器安全地与工作地共用接地极，如图1和图2所示。由式（2）分析，转移过电压数值随接地电阻RT阻值增大而递增。

安全地与工作地分开。配电变压器安全地与工作地分别接地，如图3 所示。该接地方式下，转移电压产生机理与配电变压器高压侧近区接地故障转移过电压产生机理相同。

图3 配电变压器工作地与安全地分别接地

2.3 配电变压器400 V侧接地方式

400 V 配电接地方式主要有IT、TT、TN 3 种接地方式［14］，其中TN 接地方式又可分为TN⁃S、TN⁃C、TN⁃C⁃S接地方式，其各自拓扑结构如图4所示。

图4 400 V配电系统接地方式

IT、TT 接地系统。在IT、TT 系统中，由于用电设备外壳单独接地，与配电变压器中性点无中性线连接，转移过电压不会传导至用电设备外壳。

TN 接地系统。TN 系统中，中性线会将过电压传递至用电设备外壳，规程规定在TN 系统中，PE 线须在进用户时进行重复接地，由式（2）理论分析可得，转移至用电设备外壳的过电压随着重复接地数量的增多而降低。

等电位联结系统。用户等电位联结系统结构如图5 所示。配电变压器位于建筑物内部，其低压侧中性线及外壳直接与建筑物等电位网相连，用电设备外壳也与等电位网相连。发生配电变压器碰壳接地后，整个建筑物电位一起抬升，但内部电位差几乎可忽略，保证人身安全。

图5 用户等电位联结系统

2.4 故障切除时间

接触电压对人体的伤害由两方面共同决定：接触电压幅值、接触时长。GB/T 16895.10—2010《低压电气装置第4-44部分安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》中规定了故障电压允许值及持续时间之间的关系［15］，如图6所示。接触电压幅值越大，为了保证免于对人身及设备造成危害，故障切除时间要求越短。

图6 故障电压与持续时间关系

3 高压侧近区接地转移过电压影响因素分析

3.1 故障点过渡电阻值

由式（3）分析可得，故障点处电压随过渡电阻值的增大而增大，而实际上过渡电阻由地上部分Rf1和地下部分Rf2串联构成（如图2 所示），距故障点m处的感应电压仅由地下部分的压降传导过去。当发生经树木等高阻接地故障时，经过树木地上部分的分压，故障点处地表的电压远小于导线直接坠地时的地表电压。若过渡电阻全部位于地表以上，将不会有电压传导至配电变压器接地极处。

3.2 接地点与配电变压器接地极距离

由式（5）分析可得，距接地点m处的地表电位随m的增大呈指数规律下降。利用该特点，降低碰壳接地转移过电压的一项有效措施为配电变压器外壳安全地与低压侧工作地分别接地，但受于场地的限制，该措施的实行难度较大。

4 转移过电压抑制策略

根据上述理论分析，提出5条转移过电压抑制策略。

策略1：配电变压器安全地与工作地分别接地，两者直线距离5 m 以上。碰壳接地转移过电压产生的根本原因在于故障时配电变压器高低压侧存在直接的电气联系，该策略通过将高低压侧解耦，从根本上解决该问题。

策略2：变电站内中性点采用消弧线圈接地或不接地方式。该策略的原理在于降低接地故障时流过接地电阻的电流，从而降低转移过电压。采用该方式，接地电流一般不大于10 A，接地电阻满足要求的情况下转移过电压最高为40 V。

策略3：10 kV侧配置快速跳闸的保护装置。转移过电压对人身造成的伤亡取决于电压幅值及触电时间，在无法降低转移过电压幅值的情况下，可通过快速切除故障缩短人身触电时间窗。

策略4：PE 线、PEN 线根据要求进行多次重复接地。该策略降低了配电变压器等效接地电阻，从而降低转移过电压幅值。

策略5：用户建筑物具备等电位联结系统。

5 试验验证

为验证理论分析的准确性，针对不同中性点接地方式、不同配电变压器接地方式及接地电阻、不同低压侧接地方式等情况实际开展10 kV接地试验。

5.1 中性点不接地系统试验

试验场景：变电站10 kV 母线中性点不接地，配电变压器工作地与安全地共地，配电变压器等效接地电阻6.6 Ω。

试验结果：配电变压器高压侧发生单相碰壳接地故障，试验记录波形如图7 所示，接地点故障电流27.4 A，400 V 侧用电设备外壳电压（即转移过电压）为177 V，该值远小于经小电阻接地系统的转移过电压1 433 V，证明采用不接地方式可降低转移过电压。

图7 中性点不接地系统试验故障录波

5.2 中性点经小电阻接地系统试验

变电站10 kV母线中性点经小电阻接地，电阻阻值为16 Ω。

1）安全地与工作地共地，无重复接地。

试验场景：配电变压器工作地与安全地共地，400 V侧为TN接地方式，PE线无重复接地。

试验结果：配电变压器高压侧发生单相碰壳接地故障，试验记录波形如图8 所示，接地点故障电流248 A，400 V 侧用电设备外壳电压（即转移过电压）为1 433 V。

图8 安全地与工作地共地且无重复接地时故障录波

2）安全地与工作地共地，400 V侧重复接地。

试验场景：配电变压器工作地与安全地共地，400 V 侧为TN 接地方式，将PE 线进行多处重复接地以降低配电变压器等效接地电阻，实测值为3.6 Ω。

试验结果：配电变压器高压侧发生单相碰壳接地故障，试验记录波形如图9 所示，接地点故障电流261 A，400 V 侧用电设备外壳电压（即转移过电压）为927 V，该值小于无重复接地时的转移过电压1 433 V，证明400 V 重复接地可降低转移过电压。

图9 安全地与工作地共地且PE重复接地时故障录波

3）安全地与工作地分别接地，距离1 m。

试验场景：配电变压器工作地与安全地分别接地，两者距离1 m，安全地接地电阻RT=6.6 Ω，400 V侧为TN接地方式，PE线无重复接地。

试验结果：配电变压器高压侧发生单相碰壳接地故障，试验记录波形如图10 所示，接地点故障电流174 A，400 V 侧用电设备外壳电压（即转移过电压）为1 093 V，该值小于安全地与工作地共地时的转移过电压1433 V，证明安全地与工作地分别接地可降低转移过电压。

图10 安全地与工作地分开1 m时故障录波

4）安全地与工作地分别接地，距离5 m。

试验场景：配电变压器工作地与安全地分别接地，两者距离5 m，安全地接地电阻RT=6.6 Ω，400 V侧为TN接地方式，PE线无重复接地。

试验结果：配电变压器高压侧发生单相碰壳接地故障，试验记录波形如图11 所示，接地点故障电流174 A，400 V侧用电设备外壳电压（即转移过电压）为116 V，该值远小于分开距离1 m 时的转移过电压值1 093 V，证明分开距离越远，转移过电压越小。

图11 安全地与工作地分开1m故障录波

5）安全地与工作地共地，用户侧等电位联结。

试验场景：站内中性点小电阻值为10 Ω，配电变压器工作地与安全地共地，400 V 侧为TN 接地方式，配电变压器工作地与安全地接于等电位地网。

试验结果：配电变压器高压侧发生单相碰壳接地故障，试验记录波形如图12 所示，接地点故障电流453 A，400 V 侧中性点电压（即转移过电压）为36 V，用电设备外壳对用户地面电压为1 V，如图12（b）所示。与上述试验结果对比，表明用户侧有等电位联结可降低转移过电压。6）配电变压器高压侧近区接地故障1。