10kV小電阻接地系統低壓側過電壓防護分析

國網冀北三河市供電公司冀維成

為滿足城市建設發展需要，解決線路通道走廊受限，提高電能輸送容量等問題，電力企業供電模式逐步由架空線路改由地下電纜進行供電。隨著電纜線路的增多，當發生單相接地故障時，故障的電容電流也在逐步增大。部分地區10kV 配電網的不接地系統或經消弧線圈接地系統已不能滿足電網安全運行要求，需對當前的10kV 接地系統進行改造，即采取小電阻接地系統形式。為此建設單位就小電阻接地系統改造給出了相關的指導原則（簡稱指導原則），但在一些單位的指導原則中，由于對小電阻接地系統發生單相接地故障時引起的低壓側暫時工頻過電壓的危害未引起足夠的重視，造成給出的相關指導意見中對過電壓的防護措施不明確或工程上實施困難等問題。下面就10kV配電網改由小電阻接地系統后高壓側發生接地故障時低壓系統出現的暫時工頻過電壓的防護問題進行分析探討。

10kV 配電網不接地系統單相接地故障分析

目前，10kV配電網很多都是采用三角形接線的不接地或經消弧線圈等非有效接地系統，也被稱為小電流接地系統，即10kV配電網的電源端帶電導體采取不接地或經消弧線圈接地方式，而負荷端的外露導電部分采取保護接地的方式。10kV 配電變壓器低壓側中性點的系統接地與變壓器的保護接地接于同一RB上，共用一個接地極，如圖1所示。

在圖1 所示的不接地系統中，當變壓器發生10kV 側接地故障時，故障電流Id沒有返回電源的通路，它只能通過另外兩個非故障相的對地電容返回電源。因容抗較大，所以Id值很小（見圖2），一般在10A 以下。當10kV 電源側采取利用接地變提供的中性點串接消弧線圈的接地方式后，接地故障電流經過消弧線圈補償后往往也不超過10A。規程規定RB的阻值一般不大于4Ω，為此故障電壓降Uf=IdRB=10×4=40V。這樣Uf值既滿足外露導電部分接觸電壓限值不大于50V的要求，同時也滿足低壓設備對地絕緣最高電壓限值不大于250V 的要求（IEC 標準，見表1）。所以10kV高壓側發生接地故障時引起的低壓側工頻過電壓導致人身電擊及對絕緣擊穿等事故幾率很小。為此，對于10kV 不接地或經消弧線圈接地系統而言，發生上述故障時，故障回路電源側的斷路器可不切斷電源，只需發出接地信號，10kV 故障線路仍可堅持運行2 小時，這是10kV 配電網不接地系統的優點。

圖1 10kV小電流接地系統

圖2 10kV不接地系統發生單相接地故障

圖3 10kV小電阻接地系統發生單相接地故障

表1 低壓電氣絕緣允許承受的過電壓和切斷電源時間

10kV 配電網小電阻接地系統單相接地故障分析

由于大容量的電纜供電方式造成對地電容電流的增大，在發生單相接地故障時，單相接地故障的電弧能量容易造成相間短路故障，迫使斷路器跳閘，為此10kV配電網不接地系統的優點已經不復存在。對故障時電容電流大或純電纜線路，采用了小電阻接地系統（見圖3）。

《配電網規劃設計技術導則》（Q/GDW 1738-2020）中規定，單相接地故障電容電流在10A及以下，宜采用中性點不接地方式；單相接地故障電容電流超過10A 且小于100A～150A，宜采用中性點經消弧線圈接地方式。單相接地故障電容電流超過100A～150A以上，或以電纜網為主時，宜采用中性點經低電阻接地方式。

10kV 不接地系統改由小電阻接地系統，就是利用接地變壓器為中性點不接地系統提供的一個人為的中性點，在其上串接一個10Ω左右的小電阻R后，再與接地極R′B可靠連接，即成為小電阻接地系統。當負荷側的10/0.4kV 配電站房或柱式變壓器臺等處發生高壓側接地故障時（如高壓開關柜、高壓電纜、變壓器等），故障電流Id獲得經RB、R′B和R 的返回電源通路，因RB、R′B和R 阻值較小，導致故障電流Id可達到數百安。RB一般不大于4Ω，設Id為600A，則Uf=IdRB=600×4=2400V。如此高的過電壓將使低壓系統電位升高，不但使TT 系統的相線、中性線電位同時升高。而且也會使TN 系統的相線、中性線、PE 線及設備的外露導電部分的電位同時升高，為此高壓側故障引起的暫時工頻對地過電壓將會導致人身電擊、設備絕緣擊穿及電氣火災等事故的發生。

如何防范10kV配電網改由小電阻接地后，高壓側發生單相接地故障時引起的暫時工頻過電壓所造成的危害呢，下面就低壓側應采取的一些防范措施進行分析。

低壓側采取的防范措施分析

從上述的分析可知，由于改造前不接地系統的變壓器等設備的保護接地和低壓的系統接地共用一個接地極RB，改由小電阻接地系統后，當接地故障發生時，產生的故障電壓Uf轉移至低壓用戶，引起大幅值的對地過電壓，將會導致低壓用戶內的各種電氣事故，下面就低壓常采用的TN、TT系統進行說明。

TN系統應采取的防范措施

當此部分的電氣裝置在建筑物內時，建筑物采用總等電位聯結，即使相線、中性線、PEN 線、PE 線及設備的外露導電部分的電位升高（見圖4），圖中紅色線是轉移故障電壓Uf傳導至設備外露導電部分的路徑。建筑物內人體可同時觸及的導電部分都處于同一個Uf電位水平上，不會出現電位差，不論Uf值有多高，都不致于引起人身電擊事故，同時也不會發生設備內絕緣擊穿事故。

圖4 TN系統內電擊危險

當此部分的電氣裝置給建筑物外的設備供電時，如果依然采用TN系統，當發生上述的接地故障時，設備的金屬外殼將帶Uf電壓，由于人站在戶外地面上，戶外地面的電位為零伏，將會導致人體在觸及帶電的設備外殼時，發生人身電擊事故。為防止轉移故障電壓的發生，應采取將戶外TN 系統改為局部TT系統，即不采用TN系統的PE線進行接地，而是采用設備外殼單獨接地方式，且應保證兩者在電氣上無聯系。

一些地方的指導原則中指出：“對于用戶側含TN 系統的配電變壓器，且用戶采用保護總等電位聯結系統時，建筑物外未采用總等電位聯結裝置應將自身接地改為TT 接地。”。首先“TT 接地”這一說法不準確，未明確是低壓電源的系統接地還是設備外露導電部分的保護接地，容易造成誤解。其次這一規定值得商榷，因除一些特殊的建筑結構外，在戶外實現總等電位聯結不現實，戶外TN 系統必須改為局部TT 系統，才能保證人身安全，而不是簡單的說明未采取總等電位聯結時應改為單獨的保護接地，需要按具體情況分析。

當TN系統中未采用總等電位聯結時（如變壓器在建筑物外，老舊建筑物無法實現總等電位聯結），為避免高壓側故障時低壓側暫時工頻過電壓導致的人身電擊事故的發生，最徹底的解決措施是將站房內或柱上變壓器的高壓側的保護接地RB和低壓系統的系統接地R＂B分開獨立設置（見圖5）。如一些指導原則中僅提出“用戶未采用保護總等電位聯結系統時，配電變壓器的工作接地與外殼保護接地應分開。如工作接地和保護接地無法分開，接地電阻不應大于0.5Ω”的規定，但如何分開，具體怎么實施并未給出。為保證這兩個接地極互不影響，IEC 規定兩者應相距至少20m以上，同時該系統接地應采用絕緣電纜引出，并與站房內任何金屬部分完全絕緣，這是這兩個接地極分開設置的關鍵。同時在無法實施與建筑物總等電位聯結時，要保證工作接地和保護接地共用的接地電阻在0.5Ω以下是比較困難的，給施工造成了一定的難度。

圖5 TN系統內設置兩個接地極

圖6 TT系統對地的絕緣擊穿危險

TT系統應采取的防范措施

當采用低壓TT 系統供電時，由于低壓設備的保護接地為單獨的接地極，故障電壓Uf不會傳導到低壓設備的外露導電部分而引起電擊事故，但卻存在電氣設備和線路的對地絕緣被此故障電壓Uf擊穿的危險。因為此時設備外殼和線路之間的絕緣將承受Uf+U0電壓，即Uf+220V（相量和）的暫時工頻過電壓（見圖6），低壓TT系統內的絕緣就可能有擊穿的危險，特別是在一些老舊建筑物內絕緣老化的電氣設備的危險性更大。

在站房內或柱上變壓器等處設置兩個接地極。采取像TN 系統那樣，將兩個“地”分開。這樣高壓側故障時的過電壓就不會沿著相線、中性線傳導到低壓系統內，自然不會出現帶電導體對地的過電壓，也就不會發生對地絕緣擊穿的危險。

當采取像10kV 不接地系統那樣，仍共用一個接地極時，由上面的分析可知，當10kV 小電阻接地系統發生高壓側接地故障時，Uf可達到2400V，TT 系統內的線路或設備絕緣可能被擊穿導致火災或設備損壞等事故。所以應限制故障電流Id和共用的接地電阻RB的大小，使其IdRB的乘積不大于1200V（IEC 標準，見表1）。有的指導原則中指出“對于用戶側僅有TT 系統的配電變壓器，可不將工作接地和保護接地分開，但應將接地電阻將至2歐以下”，目前現有接地極規定在4Ω以下，需要對現有的接地極進行改造，為此建議TT系統最好也采取將高壓側保護接地和低壓側的系統接地分開設置，重新裝設低壓側的系統接地的接地極，同時加強運維管理水平，確保接地電阻值符合要求。如果設置電位上互不影響的兩個接地極確有困難時，可共用一個接地極，但必須限制其工頻過電壓數值Uf≤1200V，降低接地電阻RB在2Ω以下是切實可行的，同時也要限制接地故障電流Id不大于600A。

采用同一個接地極的TT系統的低壓總配電箱處，往往需要采用SPD裝置來限制工頻暫時過電壓和雷電沖擊過電壓。改用小電阻接地后，在暫時工頻過電壓下（時間為毫秒級～秒級），SPD會因動作時間過長而損毀，為此原SPD的安裝形式和位置應予以調整，宜采用“3+1”連接方式（見《建筑物防雷設計規范》），即將3個相線的SPD接于中性線上，再串接一個放電間隙接于PE線上，同時將安裝位置調整至RCD 電源端，這樣就在上述中的Uf≤1200V 電壓情況下阻止SPD 的導通，SPD只能在更高幅值的雷電過電壓下放電間隙被擊穿而導通，防止了暫時工頻過電壓造成SPD的損壞。

結束語

由以上分析可知，當10kV 電網改由小電阻接地系統后，重點需要從防人身電擊和絕緣對地擊穿兩個方面，來防范高壓側接地故障時低壓側暫時工頻過電壓所造成的危害。

對于TN 系統，當變壓器在建筑物內部時，因具有總等電位聯結條件，建筑物內不存在高壓側接地故障引起的暫時過電壓的危害。當變壓器不在建筑物內部時，最有效的防止暫時過電壓危害的措施是將保護接地和系統接地分開設置。否則建筑物內應采取總等電位聯結措施。戶外按現場具體情況采用局部TT系統。

對于TT 系統，防止暫時過電壓危害的措施最好也是將保護接地和系統接地分開設置，否則不但要降低共用接地極的接地電阻RB，也要限制故障短路電流Id，使IdRB的乘積不大于1200V，以防止低壓設備絕緣擊穿事故的發生。同時還應注意總配電箱中的SPD 的安裝形式和位置，防止SPD的損壞。■