10 kV變電站單相接地故障有關問題探討

李浩

（中國民航機場建設集團公司西北分公司，陜西西安710075）

10 kV變電站單相接地故障有關問題探討

李浩

（中國民航機場建設集團公司西北分公司，陜西西安710075）

介紹了10/0.4 kV變電站在高壓側發生單相接地故障的原理，并深入分析了高壓側單相接地故障對目前低壓配電系統中廣為應用的TN、TT系統產生過電壓的危害，最后指出了減小這種危害的幾點措施。

10 kV變電站；系統接地；保護接地；單相接地故障

引言

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

10/0.4 kV變電站有10 kV系統與220/380 V低壓系統，目前中國的10 kV系統多為不接地系統，10 kV側只有變壓器與高壓開關柜等電氣設備外露可導電部分的保護接地。而220/380 V系統則由變壓器中性點直接接地，其接地包括系統接地與保護接地。

若10/0.4 kV變電站的高、低壓側單獨設置接地系統，發生高壓側單相接地故障時，僅高壓側保護接地線電壓會升高，故障電壓不會向低壓側傳遞，變電站內僅高壓設備會存在過電壓危險。對于10/0.4 kV變電站，目前規范尚未明確高、低壓系統的接地是否獨立設置，但若是低壓系統完全處在高壓系統接地所包圍的區域內，高、低壓系統接地應相互連接。另外，將高、低壓接地系統分開設置，在工程實際中往往較難實現，通常還是將高、低壓系統的接地相互連接、或共用接地系統。

1　高壓側發生單相接地故障的原理

對于中性點不接地運行方式，正常運行時系統的三相對地電容電流基本平衡，三相對地電壓均為相電壓。當某一相發生接地故障時，該相的相對地電壓和相對地電容電流變為零，而未接地兩相的相對地電壓和相對地電容電流均升高了倍。此時，接地故障電流等于未接地兩相對地電容電流的向量和，從數值上等于未發生單相接地故障時一相對地電容電流的的3倍。

此接地故障電容電流從故障點經大地由線路流向電源，經過變電站接地點時會使保護接地線上的對地電壓升高，產生故障電壓。變電站的高、低壓側接地系統相互連接或共用時，故障電壓就會通過PE線、N線或者PEN線向外傳遞，對低壓系統產生過電壓影響。

2　高壓側單相接地故障對TN系統的影響

10/0.4 kV變電站高壓側發生單相接地故障時，在TN系統引起的過電壓如圖1所示，考慮到TN-S與TN-C-S的通用性，圖中未單獨畫出N線。

圖1　高壓側發生單相故障時TN系統過電壓示意圖

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生的故障電壓，使得系統中性點、地電位整體升高。對于TN系統，各相對地的電位升高值均為，但各相對中性點的電位保持不變，各相在電源側與負載側的工頻應力電壓U1、U2也不變，即低壓設備的絕緣不受高壓側單相接地故障的影響。

但中性點升高的電位由PE線或PEN線傳遞到負載側時，會引起低壓設備外露可導電部分與地之間出現故障電壓，此故障電壓。若高壓側的單相接地故障不能立即排除，該故障電壓可能會對威脅到人身安全。根據《低壓配電設計規范》（GB 50054—2011）相關要求，一般環境下安全特低電壓限值為50 V，為保障間接接觸防護的要求。若取10/0.4 kV變電站接地電阻為，則要求高壓側的單相接地故障電流。然而在一些特殊環境下，安全特低電壓的限值可能為25 V或12 V，此時對高壓側單相接地故障電流的限制將更為嚴格。

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》（GB/T 50064—2014）3.1.3條對于中性點不接地系統的單相接地故障電流做了明確規定，即在單相接地故障電流不大于10 A時，可采用中性點不接地方式，若單相接地故障電流大于10 A又需要系統在故障條件下繼續運行時，宜采用中性點諧振接地方式。該規范中單相接地故障電流10 A限值可以滿足一般環境下接觸電壓要求，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，并未考慮高壓側接地故障對于低壓側過電壓的影響，而對于特殊環境接觸電壓要求還需要通過合理的保護設置和等電位聯接來解決。

3　高壓側單相接地故障對TT系統的影響

10/0.4 kV變電站高壓側發生單相接地故障時，在TT系統引起的過電壓如圖2所示。

圖2　高壓側發生單相故障時TT系統過電壓示意圖

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生的故障電壓，使得系統電源側的中性點電位和地電位整體升高，但負載側僅中性點的電位升高，地電位沒不變。對于TT的電源側，與TN系統相同，雖然有相對地的電位升高，但相對中性點的電位保持不變，即電源側的工頻應力電壓U1不變，此時電源側低壓設備的絕緣不受高壓側單相接地故障的影響。但負載側由于TT系統獨立設置保護接地，由中性線傳遞的故障電位將使得負載側的工頻應力電壓U2升高，此時。根據《低壓電氣裝置第4-44部分：安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護》（GB/T 16895.10—2010）中相關規定，工頻應力電壓的允許值如表1所示。

表1　允許的工頻應力電壓

根據該規范要求，需滿足即在故障持續時間。經前文的分析和計算可知，在中性點不接地的系統中與的值都較小，工頻應力電壓的要求是較容易滿足的，這也說明高壓側單相接地故障在TT系統中引起的過電壓對低壓設備絕緣產生影響較小。

另外，由于TT系統在負載側設置獨立保護接地，低壓裝置的外露可導電部分直接與地連接，保護線電位不受系統電源側地電位升高的影響，因此在負載側故障電壓不會升高。

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，在高壓側發生單相接地故障時，減小接地電阻，可以有效地降低故障電壓，從而減小故障對低壓側產生過電壓的危害。可通過對變電站接地方案進行經濟、技術比較，選擇合理、可行的接地方案，適當的降低變電站的接地電阻，這樣既對變電站接地系統性能衰減留出一定裕量，也有效降低了發生高壓側單相接地故障產生的危害。

4.2合理設置單相接地保護

高壓側發生單相接地故障時，對系統的電壓、相位等電氣參數影響較小，有些情況下需要根據系統和用戶的要求延時供電一段時間，此時單相接地故障保護需要對高、低壓系統的影響綜合考慮，既要考慮高壓系統供電的可靠性，也要兼顧低壓系統電氣安全。

4.3改變高壓系統的接地方式

目前10 kV配電系統的規模不斷擴大，引起的單相接地故障電流也越來越大，這時可根據不同的運行要求改變高壓系統中性點的接地方式，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在發生單相接地故障時還需要延時供電的情況，可通過諧振接地限制單相接地故障電流小于10 A，減小對低壓側過電壓的影響。采用小電阻接地方式適用于系統在發生單相接地故障時需要切除故障的情況，此時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，確保高壓保護電器動作靈敏度的要求。

5　結語

10 kV變電站通常是系統配電的終端用戶，高壓側發生單相接地故障可能危及人員安全，因此在10/0.4 kV系統設計中應綜合考慮高壓側接地故障對低壓側產生過電壓的影響，并根據具體情況計算單相接地故障電流，合理的設計繼電保護方案與變電站的接地系統形式。

［1］任元會，卞鎧生，姚家袆.工業與民用配電設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2005:152-153.

［2］中國機械工業聯合會.GB 50054低壓配電設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2011:2-3.

［3］中國電力企業聯合會.GB/T 50065交流電氣裝置的接地設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2011:8-9.

［4］中國電力企業聯合會.GB/T 50064交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2014:4-5.

［5］中國國家標準化管理委員會.GB/T 16895.10低壓電氣裝置（第4-44部分）.安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護［S］.北京:中國標準出版社，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：主要從事民航機場的電氣設計工作。