小電阻接地改造引起配電網若干問題的探討

周佳威 王 勇 王春柳

（蘇州電力設計研究院有限公司，江蘇蘇州215000）

0 引言

電力系統接地方式可以分為兩大類，一類為大電流接地系統，指中性點直接或經小電阻接地；另一類為小電流接地系統，指中性點不接地或經高阻、消弧線圈接地。對于10（20）kV中壓配電網，GB 50613—2010《城市配電網規劃設計規范》中規定：單相接地電容電流不超過10 A時，應采用不接地方式；10～150 A時，宜采用經消弧線圈接地方式；超過150 A或為電纜網時，宜采用低電阻接地方式。

小電流接地系統因具有單相接地持續運行的特點，有助于提升用戶供電可靠性，因此在中壓配電網中得到了廣泛應用。由于城市發展需要，城市內中壓配網線路電纜化率逐漸提升，電纜故障多為永久性故障且電容電流大，電纜溝運行環境普遍惡劣，為避免單根電纜故障引起同溝其他電纜事故，能夠快速切除接地故障的小電阻接地方式愈發得到重視[1]。

截至2017年初，江蘇某市10（20）kV配電網電纜化率超過45%，A+區域電纜化率100%，其中20 kV配電網建設時已采用小電阻接地方式。由于10 kV配電網電纜化率的不斷提升，該市目前正在針對現存的變電站10 kV側進行小電阻接地改造，為避免產生各類電氣危險[2]以及電能計量的誤差，10 kV配電網應進行相應改造。

本文以該市正在進行的變電站小電阻接地改造為基礎，論述小電阻接地改造對配電網產生的影響及對應改造的困難，并對配電網接地方式的選擇提出了建議。

1 配電網接地方式及小電阻接地特點

1.1 配電網接地方式

我國配電網采用的接地方式主要包括：不接地、經消弧線圈接地、經小電阻接地和直接接地。

中性點不接地方式是指中性點沒有直接與大地連接，該種接地方式的特點是在發生單相接地故障時，線電壓維持不變，系統仍三相平衡，電氣設備可正常運行2 h左右，這是其主要優點所在。但非故障相電壓升高可能造成絕緣擊穿，進而引發兩相接地短路故障，且電容電流大于10 A時，接地點電弧不能可靠熄滅，從而會帶來危害[3]。

中性點經消弧線圈接地方式是指中性點接入消弧線圈裝置后與大地連接，該種接地方式同樣允許帶故障運行，但同樣不能超過2 h，當單相接地電容電流超過10 A時，中性點經消弧線圈接地方式能很好地減小接地故障時接地電流大小，從而有效熄滅電弧。

由于目前對于小電流接地系統缺乏可靠的故障選線手段，并且隨著城市電纜線路的增加，小電阻接地方式得到了更多的關注與應用。由于我國變電站內主變10 kV側為三角形接線，因而小電阻接地需由接地變提供中性點，接地變的容量選擇與中性點電阻值選擇相匹配，其原理示意圖如圖1所示。接地變一般采用Z型接地變，即將三相鐵芯每個芯柱上的繞組平均分為兩段，兩段繞組極性相反，三相繞組按Z形連接法接成星型接線[4]。

圖1 小電阻接地原理示意圖

1.2 小電阻接地改造特點

配電網小電阻接地有其優越性，但也同時存在不足，具體優缺點包括[5-6]：

（1）限制弧光接地過電壓和預防諧振過電壓。當選取Rn＜（1～2）/3ωC時（C為系統對地電容），過電壓一般就不超過2.1倍相電壓。中性點經小電阻接地電網由于過電壓降低，對系統絕緣薄弱點影響減小，單相接地時電容充電的暫態過電流受到抑制，并能預防諧振過電壓的產生。

（2）故障選線功能良好，供電可靠性提高。小電流接地系統的單相接地電流小，采用中性點經消弧線圈接地時，故障線路的電流甚至可能低于非故障線路電流，因此采用常規的基于穩態零序電流的保護方法難以準確地檢出故障線路來，需通過試拉試送來尋找故障線路，進而造成了非故障線路不必要的斷電。而在小電阻接地的大電流接地系統中，故障線路流過接地點的電流很大，啟動線路零序保護，可以準確快速地切除故障線路，縮短故障排查時間，提高供電可靠性。

（3）單相接地跳閘次數增多，影響用戶正常供電。對于中性點小電阻接地的情況，單相接地故障無論是永久性還是非永久性故障，均作用于跳閘，使得線路跳閘次數增加。但另一方面，迅速切除故障線路防止了單相接地故障進一步發展為相間故障。

（4）對通信線路產生干擾。中性點小電阻接地時，單相接地故障電流較大，可能對通信線路產生干擾，因此需對該項內容進行校核。

2 小電阻接地改造對配電網產生的影響

小電阻接地改造并不是簡單地在變電站內主變10 kV側增加接地變與接地電阻即可，還需考慮改造對配電網產生的整體影響。以下就從小電阻接地改造產生的用戶電氣危險和計量方式變化來說明這一點。

2.1 小電阻接地改造產生的用戶電氣危險

2.1.1 TN系統的接觸電壓危險

在10/0.4 kV的配電站所內，變壓器需做設備外殼的安全接地，同時0.4 kV側中性點需做工作接地，在小電流系統中，這兩個接地經常共用一個接地極。但在小電阻接地系統中，接地短路時短路電流較大，配電站所接地極上產生的電壓降可超過1 000 V。如果此時配電站所安全接地與工作接地共用一個接地極，中性點對地電壓可通過PEN或PE線傳導至用戶側電氣設備的外殼（即圖2中Uf），如果人體此時接觸到電氣設備外殼，存在觸電危險。

圖2 配電站所和低壓裝置對地連接示意圖[7]

為避免上述電擊危險，可采取以下防范措施：

（1）用戶側實施總等電位聯結。總等電位聯結是將保護接地導體、總接地導體、建筑物內的金屬管道和可利用的建筑物金屬結構等可導電部分連接在一起，這樣可使人體觸及電氣設備外殼時，手、足均處于Uf電位，無電壓差，因此可防范電擊事故。

（2）局部采用TT系統。即電氣設備外殼不接來自配電站所的PE線，而采取另打接地極的方式，從而避免故障電壓的傳導，因此可防范電擊事故。

（3）將配電站所內安全接地與工作接地分開。這樣就從根本上杜絕了10 kV接地故障傳導至低壓用戶側。

2.1.2 TT系統的應力電壓危險[2]

當配電站所10 kV側發生接地故障時，由于N線的傳導，低壓電氣設備將承受Uf+U0的工頻過電壓（Uf+U0為相電壓），IEC標準規定一般低壓電氣設備當切斷時間不大于5 s時，允許工頻過電壓為U0+1 200 V。

因此，避免TT系統中電氣設備絕緣擊穿的第一個措施便是：正確選取接地故障電流并適當降低安全接地電阻，令兩者乘積不大于1 200 V。另外，將配電站所內安全接地與工作接地分開，同樣可防止10 kV接地短路產生的過電壓威脅設備絕緣。

2.2 小電阻接地改造帶來的計量方式變化

中性點接地方式的改變對電能計量方式也將產生影響，DL/T 825—2002《電能計量裝置安裝接線規則》中規定：“中性點非有效接地系統一般采用三相三線有功、無功電能表，中性點有效接地系統應采用三相四線有功、無功電能表。”DL/T 448—2016《電能計量裝置技術管理規程》中也強調：“接入中性點絕緣系統的電能計量裝置，應采用三相三線有功、無功或多功能電能表。接入非中性點絕緣系統的電能計量裝置，應采用三相四線有功、無功或多功能電能表。”這主要是因為三相三線電路中沒有中性線，因此零序電流沒有回路，從而ia+ib+ic=0。以有功功率為例：

所以，如圖3所示，中性點非有效接地系統中可采用二表法測量三相功率，這樣可以節省一個表計，從而減少投資。

圖3 中性點非有效接地系統二表法原理圖

但在中性點有效接地系統中有中性線構成回路，即in=ia+ib+ic≠0，因此必須采用三表法測量三相功率，否則將產生（-ubin）的計量誤差。

3 配電網對應改造的困難

前文分析所述在用戶側采取的措施，例如實現總等電位聯結等，在改造中是難以做到的。對于供電公司而言，最可行的防范措施是將配電站所內安全接地與工作接地分開，這樣可以同時防范TN系統的接觸電壓危險和TT系統的應力電壓危險。分開時應將變壓器中性點引出單芯電纜接至工作接地專用的接地極上，且與安全接地距離不小于10 m[2]。

對于計量方式，在小電流接地系統中，為節約投資，高供高計的專變電能計量廣泛采用了二表法，如需確保小電阻接地改造后的系統計量準確無誤，需對相關計量設備進行改造。

江蘇某市區已于2017年開始對變電站10 kV側進行小電阻接地改造，該市以往在10 kV配電網中，變壓器工作接地與安全接地相連，且高供高計的專變電能計量采用二表法。根據上文所述，配電網需進行相應的改造。該市在開展配電網對應改造過程中，遇到了如下困難：

（1）配網中配電站所數量多、分布廣，全部改造涉及的停電范圍廣、施工難度大。

（2）居民小區內的公變建成后移交供電公司運維管理，屬于供電公司資產，改造應由供電公司出資。但專變以及其對應的高壓計量柜屬于用戶資產，因供電公司所管理的變電站改造而引起的用戶資產改造，用戶存在不愿出資的情況，這部分改造資金的來源存在爭議，巨大的改造成本成為難題。

（3）配網工程由于過去重視程度不夠，對于竣工資料的收集、存檔幾乎處于缺失狀態，對于站所接地網這類隱蔽工程亦難以通過后期查勘獲得資料，因此改造方案制定困難，工程設計難以準確估算投資。

（4）配電站所或與其他建筑合建，或位于小區地塊內隱蔽處，所處環境多數較為復雜。由于改造涉及接地網，土建工程可能影響地塊內正常的生產、生活，得不到地塊業主的理解與配合。

4 結論和建議

從江蘇某市配電網接地方式改造時遇到的困難來看，由小電流系統向大電流接地系統轉變時，配電網對應改造所面對的改造難度較大，由于供電公司內部門設置的原因，變電站內進行小電阻接地改造時未能充分考慮配電網對應改造的難度與成本。目前已有對于配電網采用何種接地方式不同的聲音[8]，未來城市進行配電網接地方式的改造，應充分估算變電站及配電網兩部分的改造成本，并進行相關調查走訪，評估改造難度。

對于中長期規劃中電容電流可能超出150 A或規劃建設電纜網架的新建電力網絡，無論當前配電網采取何種接地方式，都應將配電變壓器的安全接地與工作接地分開設置，10 kV側的計量裝置也應采用三相四線電能計量裝置。這兩項工作雖然將增加小部分初始投資，但能夠防止未來可能的配電網接地方式改造時帶來的麻煩。

[1]陳文浩，劉艷，劉方.電力系統10 kV配電網接地方式探討[J].電工技術，2015（12）：69-70.

[2]王厚余.小電阻接地10 kV網絡內變電所接地短路對低壓用戶的電氣危險及其防范措施[J].電網技術，1998，22（11）：56-58.

[3]朱亮.10 kV配電網小電阻接地系統單相短路故障及其保護研究[D].長沙：湖南大學，2011.

[4]付曉奇，徐糧珍，趙寶麗.10 kV配網中性點小電阻接地技術與應用[J].電力系統保護與控制，2010，38（23）：227-230.

[5]韓利群.10 kV各類中性點接地方式運行情況研究[D].廣州：華南理工大學，2014.

[6]楊衛東，姜霞，林劍.深圳電網10 kV系統中性點接地方式分析[J].廣東電力，2002，15（3）：19-22.

[7]中國航空規劃設計研究總院有限公司.工業與民用供配電設計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.

[8]徐丙垠，李天友.配電網中性點接地方式若干問題的探討[J].供用電，2015（6）：12-16，29.