配電變壓器高壓側單相接地對低壓側轉移過電壓研究

孫孔明，李玉敦，梁正堂，范榮奇，李乃永

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

10 kV 配電臺區的接地就其功能來說包括3 部分：防雷接地、安全接地和工作接地。防雷接地將雷電流引入大地，避免配電設備遭雷擊損壞［1-2］；安全接地是指為了保證人身安全，防止人身意外觸碰配電變壓器外殼時觸電；工作接地是指400 V側中性點接地，以保證對用電設備的正常供電。傳統上出于簡化施工、節約成本的考慮，安全接地與工作接地共用一個接地極，且接地極電阻值要求在4 Ω以內［3-4］，由此帶來了轉移過電壓問題。當配電變壓器高壓側發生一相經外殼接地故障時，故障電流流經接地極將配電變壓器中性點電壓大幅抬升，進而通過中性線傳導至設備外殼引起轉移過電壓［5-7］。轉移過電壓會引發人身傷亡、設備損壞、火災等事故，給配電系統的供電安全帶來嚴重威脅［8］。

傳統上，我國10 kV配電系統廣泛采用不接地或經消弧線圈接地系統［9］，單相接地故障電容電流在10 A及以下，宜采用中性點不接地方式，超過10 A且小于100～150 A，宜采用中性點經消弧線圈接地方式，且補償后接地故障殘余電流一般宜控制在10 A以內［10］，因此，當系統發生單相接地時，故障點電流較小。隨著配電網技術的改進及供電可靠性要求的提高，越來越多的地區開始試點中性點經低電阻或經消弧線圈并低電阻接地［11-12］。當發生單相接地故障時，流過接地點的電流遠大于不接地系統，中性點電阻為10 Ω 時，故障電流理論最大可達600 A。在故障點電阻不為0 時，故障電流流過接地電阻會將故障點電位大幅抬升，當接地故障以側碰殼的形式出現時，過電壓通過配電變壓器低壓側中性線傳導至用戶用電設備外殼，產生轉移過電壓；此外，以故障點為圓心的區域內也將形成較高跨步電壓。

1 轉移過電壓物理機理分析

轉移過電壓是指配電變壓器高壓側發生接地故障后，在低壓側產生的過電壓通過中性線傳導至用戶造成用電設備外殼電壓大幅升高。就原理來說，其產生的原因主要包括兩點：配電變壓器高壓側發生單相碰殼接地故障、配電變壓器高壓側近區發生單相接地故障，下文重點對這兩種轉移過電壓產生機理進行研究。

1.1 碰殼接地轉移過電壓

以圖1所示10 kV/400 V配電網為例對碰殼接地產生的轉移過電壓機理進行研究。變電站內10 kV母線中性點采用消弧線圈并低電阻接地方式，L0消弧線圈，R0為低電阻。10 kV 配電變壓器采用工作地與安全地共地接線模式，RT為接地電阻。400 V 配電系統采用TN?S接線方式，R1，R2，…，Rn為PEN 線的重復接地電阻。

圖1 碰殼接地轉移過電壓原理

當配電變壓器發生單相碰殼接地短路時，由變電站內中性點接地設備（低電阻、接地變壓器等）、10 kV 配電線路、配電變壓器接地電阻、PEN 線重復接地電阻等構成故障回路，在忽略接地變壓器阻抗、線路阻抗情況下，流過10 kV線路中的故障電流可采用式（1）簡化計算。

式中：UN為配電變壓器高壓側相電壓，此處取值為6.06 kV。

故障電流流經配電變壓器接地電阻及PEN 線重復接地電阻后，產生轉移過電壓如式（2）所示。

由式（2）進一步分析發現，碰殼接地轉移過電壓影響因素包括：變電站10 kV中性點接地方式、10 kV配電變壓器接地電阻值、400 V側接地方式。

1.2 配電變壓器高壓側近區接地故障轉移過電壓

以圖2所示10 kV/400 V配電網為例對配電變壓器高壓側近區單相接地故障造成的轉移過電壓機理進行研究。圖中Rf為接地點處過渡電阻，Um為距離接地點m處的電壓，以無限遠處為零電位參考點。

圖2 配電變壓器高壓側近區接地轉移過電壓原理

忽略接地變壓器及線路阻抗，故障發生時，流過故障點處電流簡化計算如式（3）所示。

故障點處電壓簡化計算如式（4）所示。

在均勻土壤電阻率情況下，接地點周圍電壓分布如式（5）所示［13］。

式中：ρ為土壤電阻率。

由式（4）—式（5）進一步分析發現，配電變壓器高壓側近區單相接地故障轉移過電壓影響因素包括：變電站10 kV 中性點接地方式、故障點過渡電阻值、故障點近區接地介質類型（土壤電阻率）、故障點距配電變壓器接地極距離。

2 碰殼接地轉移過電壓影響因素分析

2.1 站內中性點接地方式

站內10 kV 母線中性點接地方式直接影響發生接地故障時故障電流的大小。中性點接地方式包括不接地、經消弧線圈接地、經低電阻接地。

中性點不接地。中性點不接地方式下，故障時流過故障點電流為所有非故障線路對地電容電流之和，通常該值在0～200 A 之間，由式（2）可得，極端情況下，轉移過電壓可達800 V。

中性點經消弧線圈接地。在正常補償情況下，發生單相接地故障時，故障點電流不大于10 A，配電變壓器接地電阻符合國標要求情況下，轉移過電壓最大僅為40 V。

中性點經小電阻接地。以中性點電阻R0=10 Ω、配電變壓器接地電阻RT=4 Ω 為例，配電變壓器低壓側無重復接地情況下，由式（2）可得轉移過電壓值為1 731.4 V，且由該式可得，適當提高中性點接地電阻值可降低轉移過電壓幅值。

2.2 配電變壓器安全地與工作地連接方式

安全地與工作地共用接地極。配電變壓器安全地與工作地共用接地極，如圖1和圖2所示。由式（2）分析，轉移過電壓數值隨接地電阻RT阻值增大而遞增。

安全地與工作地分開。配電變壓器安全地與工作地分別接地，如圖3 所示。該接地方式下，轉移電壓產生機理與配電變壓器高壓側近區接地故障轉移過電壓產生機理相同。

圖3 配電變壓器工作地與安全地分別接地

2.3 配電變壓器400 V側接地方式

400 V 配電接地方式主要有IT、TT、TN 3 種接地方式［14］，其中TN 接地方式又可分為TN?S、TN?C、TN?C?S接地方式，其各自拓撲結構如圖4所示。

圖4 400 V配電系統接地方式

IT、TT 接地系統。在IT、TT 系統中，由于用電設備外殼單獨接地，與配電變壓器中性點無中性線連接，轉移過電壓不會傳導至用電設備外殼。

TN 接地系統。TN 系統中，中性線會將過電壓傳遞至用電設備外殼，規程規定在TN 系統中，PE 線須在進用戶時進行重復接地，由式（2）理論分析可得，轉移至用電設備外殼的過電壓隨著重復接地數量的增多而降低。

等電位聯結系統。用戶等電位聯結系統結構如圖5 所示。配電變壓器位于建筑物內部，其低壓側中性線及外殼直接與建筑物等電位網相連，用電設備外殼也與等電位網相連。發生配電變壓器碰殼接地后，整個建筑物電位一起抬升，但內部電位差幾乎可忽略，保證人身安全。

圖5 用戶等電位聯結系統

2.4 故障切除時間

接觸電壓對人體的傷害由兩方面共同決定：接觸電壓幅值、接觸時長。GB/T 16895.10—2010《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》中規定了故障電壓允許值及持續時間之間的關系［15］，如圖6所示。接觸電壓幅值越大，為了保證免于對人身及設備造成危害，故障切除時間要求越短。

圖6 故障電壓與持續時間關系

3 高壓側近區接地轉移過電壓影響因素分析

3.1 故障點過渡電阻值

由式（3）分析可得，故障點處電壓隨過渡電阻值的增大而增大，而實際上過渡電阻由地上部分Rf1和地下部分Rf2串聯構成（如圖2 所示），距故障點m處的感應電壓僅由地下部分的壓降傳導過去。當發生經樹木等高阻接地故障時，經過樹木地上部分的分壓，故障點處地表的電壓遠小于導線直接墜地時的地表電壓。若過渡電阻全部位于地表以上，將不會有電壓傳導至配電變壓器接地極處。

3.2 接地點與配電變壓器接地極距離

由式（5）分析可得，距接地點m處的地表電位隨m的增大呈指數規律下降。利用該特點，降低碰殼接地轉移過電壓的一項有效措施為配電變壓器外殼安全地與低壓側工作地分別接地，但受于場地的限制，該措施的實行難度較大。

4 轉移過電壓抑制策略

根據上述理論分析，提出5條轉移過電壓抑制策略。

策略1：配電變壓器安全地與工作地分別接地，兩者直線距離5 m 以上。碰殼接地轉移過電壓產生的根本原因在于故障時配電變壓器高低壓側存在直接的電氣聯系，該策略通過將高低壓側解耦，從根本上解決該問題。

策略2：變電站內中性點采用消弧線圈接地或不接地方式。該策略的原理在于降低接地故障時流過接地電阻的電流，從而降低轉移過電壓。采用該方式，接地電流一般不大于10 A，接地電阻滿足要求的情況下轉移過電壓最高為40 V。

策略3：10 kV側配置快速跳閘的保護裝置。轉移過電壓對人身造成的傷亡取決于電壓幅值及觸電時間，在無法降低轉移過電壓幅值的情況下，可通過快速切除故障縮短人身觸電時間窗。

策略4：PE 線、PEN 線根據要求進行多次重復接地。該策略降低了配電變壓器等效接地電阻，從而降低轉移過電壓幅值。

策略5：用戶建筑物具備等電位聯結系統。

5 試驗驗證

為驗證理論分析的準確性，針對不同中性點接地方式、不同配電變壓器接地方式及接地電阻、不同低壓側接地方式等情況實際開展10 kV接地試驗。

5.1 中性點不接地系統試驗

試驗場景：變電站10 kV 母線中性點不接地，配電變壓器工作地與安全地共地，配電變壓器等效接地電阻6.6 Ω。

試驗結果：配電變壓器高壓側發生單相碰殼接地故障，試驗記錄波形如圖7 所示，接地點故障電流27.4 A，400 V 側用電設備外殼電壓（即轉移過電壓）為177 V，該值遠小于經小電阻接地系統的轉移過電壓1 433 V，證明采用不接地方式可降低轉移過電壓。

圖7 中性點不接地系統試驗故障錄波

5.2 中性點經小電阻接地系統試驗

變電站10 kV母線中性點經小電阻接地，電阻阻值為16 Ω。

1）安全地與工作地共地，無重復接地。

試驗場景：配電變壓器工作地與安全地共地，400 V側為TN接地方式，PE線無重復接地。

試驗結果：配電變壓器高壓側發生單相碰殼接地故障，試驗記錄波形如圖8 所示，接地點故障電流248 A，400 V 側用電設備外殼電壓（即轉移過電壓）為1 433 V。

圖8 安全地與工作地共地且無重復接地時故障錄波

2）安全地與工作地共地，400 V側重復接地。

試驗場景：配電變壓器工作地與安全地共地，400 V 側為TN 接地方式，將PE 線進行多處重復接地以降低配電變壓器等效接地電阻，實測值為3.6 Ω。

試驗結果：配電變壓器高壓側發生單相碰殼接地故障，試驗記錄波形如圖9 所示，接地點故障電流261 A，400 V 側用電設備外殼電壓（即轉移過電壓）為927 V，該值小于無重復接地時的轉移過電壓1 433 V，證明400 V 重復接地可降低轉移過電壓。

圖9 安全地與工作地共地且PE重復接地時故障錄波

3）安全地與工作地分別接地，距離1 m。

試驗場景：配電變壓器工作地與安全地分別接地，兩者距離1 m，安全地接地電阻RT=6.6 Ω，400 V側為TN接地方式，PE線無重復接地。

試驗結果：配電變壓器高壓側發生單相碰殼接地故障，試驗記錄波形如圖10 所示，接地點故障電流174 A，400 V 側用電設備外殼電壓（即轉移過電壓）為1 093 V，該值小于安全地與工作地共地時的轉移過電壓1433 V，證明安全地與工作地分別接地可降低轉移過電壓。

圖10 安全地與工作地分開1 m時故障錄波

4）安全地與工作地分別接地，距離5 m。

試驗場景：配電變壓器工作地與安全地分別接地，兩者距離5 m，安全地接地電阻RT=6.6 Ω，400 V側為TN接地方式，PE線無重復接地。

試驗結果：配電變壓器高壓側發生單相碰殼接地故障，試驗記錄波形如圖11 所示，接地點故障電流174 A，400 V側用電設備外殼電壓（即轉移過電壓）為116 V，該值遠小于分開距離1 m 時的轉移過電壓值1 093 V，證明分開距離越遠，轉移過電壓越小。

圖11 安全地與工作地分開1m故障錄波

5）安全地與工作地共地，用戶側等電位聯結。

試驗場景：站內中性點小電阻值為10 Ω，配電變壓器工作地與安全地共地，400 V 側為TN 接地方式，配電變壓器工作地與安全地接于等電位地網。

試驗結果：配電變壓器高壓側發生單相碰殼接地故障，試驗記錄波形如圖12 所示，接地點故障電流453 A，400 V 側中性點電壓（即轉移過電壓）為36 V，用電設備外殼對用戶地面電壓為1 V，如圖12（b）所示。與上述試驗結果對比，表明用戶側有等電位聯結可降低轉移過電壓。6）配電變壓器高壓側近區接地故障1。

圖12 小電阻接地-用戶側等電位聯結

試驗場景：站內中性點小電阻值為10 Ω，故障點過渡電阻17.5 Ω，全部位于地表以下。

試驗結果如圖13所示，距離接地點1 m、2 m、3 m、4 m、5 m處電壓分別為1 388 V、864 V、618 V、506 V、426 V。

圖13 配電變壓器高壓側近區接地故障1錄波

7）配電變壓器高壓側近區接地故障2。

試驗場景：站內中性點小電阻值為10 Ω，故障點過渡電阻117.5 Ω，其中100 Ω 位于地表以上，17.5 Ω位于地表以下。

試驗結果如圖14 所示，距離接地點1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 處電壓分別為298 V、186 V、133 V、109 V、91 V。

圖14 配電變壓器高壓側近區接地故障2錄波

6 結語

對10 kV 配電變壓器高壓側接地故障引起的低壓側轉移過電壓進行了研究，分析了引起轉移過電壓的原因及影響轉移過電壓幅值的因素，通過現場實際人工接地試驗驗證了分析的有效性。

400 V側采用TN接地方式，變電站10 kV中性點經小電阻接地時，配電變壓器高壓側接地故障會在低壓側產生嚴重轉移過電壓；中性點不接地系統電容電流偏大或消弧線圈接地方式下補償容量不夠時，也會產生轉移過電壓，但通常較前者幅值小。

在理論分析基礎上，提出5 條涉及變電站中性點接地方式、配電變壓器安全地與工作地接地方式、用戶側接地方式等的抑制轉移過電壓策略，現場應根據實際情況制定合理的抑制方案，優化組合策略。