關于10kV變電站高低壓共用接地條件的分析

唐山濱海冶金技術咨詢有限公司 崔玉萌 王 昆 朱云鵬

1 引言

10kV 高壓系統的保護接地和低壓系統的中性點工作接地共用接地時，高壓側接地故障過電壓會通過中性線N 或者接地線PE 轉移給低壓側，提升外露可導電部分與地之間的故障接觸電壓Uf、線導體與低壓裝置的外露可導電部分之間的工頻應力電壓U2（用戶側應力電壓）和線導體與變電所低壓裝置的外露可導電部分之間的工頻應力電壓U1（電源側應力電壓）。其中，Uf可能對人體造成電擊事故，而U1、U2則可能對低壓設備造成擊穿。因此，10kV 變電站變壓器的保護接地和低壓系統的中性點需要進行分析判斷后才能確定是否可共用接地，其主要影響因素為高壓側的接地方式、低壓側的接地型式，以及是否有等電位連接等的配電環境。

2 轉移過電壓機理分析

本文對TN、TT、IT 系統分別進行轉移過電壓理論分析。

根據《GB/T50065-2011交流電氣裝置的接地設計規范》，當高壓系統發生單相接地故障時，其故障點處的電壓為Uf=ImRE[1]。

與高壓保護接地共同接地的TN 系統典型接線形式如圖1（a）所示。由于共同接地，此故障電壓會傳遞給變壓器外殼及低壓側中性點，同時通過PEN 線傳遞給低壓電氣裝置外殼，因此該系統的Uf、U1和U2分別為：ImRE、220V、220V， 即故障電壓傳遞給了Uf。通常情況下，由于TN 系統PEN 線分出PE 線后多點接地，此時根據《GB/T16895.10-2010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》，Uf可按0.5ImRE計算[2]。

當低壓為TT 系統如圖1（b）時，由于TT 系統低壓側外殼接地，而外殼對中性線是絕緣的，因此通過接地的N 線轉移過來的故障電壓就會加在低壓設備U2上，此時系統的Uf、U1和U2分別為：0V、220V 和220V+ImRE。

對于IT 系統，由于形式的多樣性，且可能帶一次故障運行，分析較為復雜，典型的IT 系統接線形式如圖1（c）所示，其中系統低壓電源中性點通過高阻抗接地，低壓側設備外殼直接接地。若無低壓一次故障，由于高壓故障電壓轉移至中性點和變壓器外殼，因此故障電壓增加至U2上，即Uf、U1和U2分別為：0V、220V 和220V+ImRE。若有低壓一次（L3相）發生接地故障，由于L3相變為0V，L1相對外殼電壓由220V+ImRE抬升為380V+ImRE，且此時低壓設備外殼對地有電流Id，此時的Uf、U1和U2分別變為IdRA、380V 和380V+ImRE，由于RA較大，假設RE、RA分別為100Ω 和1000Ω，此時可通過式（1）得到Uf為20V，而這種假設是比較不利的情況，因此這種情況下的Uf往往可以忽略不計。

圖1 低壓系統接地型式示意圖（高壓系統接地故障）

實際上，上述僅為典型接地系統形式，對于不同接地系統的接地形式，其應力、故障接觸電壓匯總如表1所示（表中RB 為變壓器低壓側中性點接地電阻）。

3 規范規定及分析

根據《GB/T50065-2011交流電氣裝置的接地設計規范》，共同接地的條件為：

（a）工作于不接地、諧振接地和高電阻接地，建筑物內低壓采用保護總等電位連接系統，且接地電阻滿足

式中：RE——最大的接地電阻（Ω）；

Im——單相接地故障電流（A）。

（b）有效接地系統和低電阻接地系統，接地電阻滿足公式（3），且低壓系統采用總等電位連接的TN 系統，且接地電阻滿足

式中：IG——經接地網入地的最大接地故障不對稱電流有效值（A）。

不滿足上述情況的TN 系統，以及TT 系統、IT 系統，其配電變壓器外殼嚴禁共用接地。

《DL/T621-1997交流電氣裝置的接地》中將能否共同接地分為了兩種情況來討論：配電變壓器安裝在建筑物內時和建筑物外。其中，變壓器安裝在建筑物內時的規定與GB/T50065-2011相同，而安裝在建筑物外的情況規定：當向低壓系統供電的配電變壓器的高壓側工作于低電阻接地系統時，低壓系統不得與電源配電變壓器的保護接地共用接地裝置，低壓系統電源接地點應距該配電變壓器適當的地點設置專用接地裝置，其接地電阻不宜超過4Ω[3]。

4 對于規范的補充

規范上述規定固然合理，但這種“一刀切”的做法不夠靈活，通過以下分析，提出共用接地更細化的允許條件。

4.1 接觸安全電壓要求

共用接地時，如果高壓系統為不接地、諧振接地和高電阻系統，公式（2）中小于50V 安全電壓的要求。在不滿足公式（2）的情況下，根據《GB16895.11-2001低壓電器裝置對暫時過電壓和高壓系統與地之間的故障的防護》，只要Uf-t 點落在圖2中曲線的左邊即可保證人身安全[4]。

圖2 接觸電壓限值曲線

4.2 TN 系統不滿足規范要求時應對措施

根據表1，TN 系統的薄弱環節在于接觸電壓Uf。若TN 系統的ImRE值無法達到規范要求，如果電氣設備在室內，則通過等電位連接的方式完全可以將Uf降低至安全電壓以下（接近0V）；如果電氣設備在無法設置等電位連接的室外，根據《GB50054-2011低壓配電設計規范》，應盡量使工作接地極的電阻RB與接地故障電阻RE之比滿足下式以減少電擊危險[5]。

式中：RB——與系統接地極并聯的總接地電阻，Ω；

RE——相導體與大地之間的接地電阻，Ω；

U0——相導體對地電壓，V；

其中，當U0為220V 時，RB/RE0.29。

對于無法滿足上式條件的無等電位連接的電氣設備，則需要將其TN 系統改用局部TT 系統，以避免故障電壓通過PEN 或PE 導體傳導。

此外，對于配電變壓器在建筑物外的情況，可通過在電源進線處設置重復接地的措施降低預期接觸電壓，此時重復接地電阻越低，預期電壓降低越明顯。TN 系統共同接地條件判斷流程圖如圖3所示。

圖3 TN 系統共同接地條件判斷流程圖

4.3 IT 系統不滿足規范要求時應對措施

IT 系統相對來說較為復雜，因為除了一次故障，還要考慮一、二次疊加故障。

由表1可知，IT-a、e 兩種形式下，RE和RA是直接連通的，因此高壓側的一次故障電壓會傳到用電設備外殼，其電壓值為Uf=ImRE，需要通過圖2進行判斷。鑒于IT 自身特點，表中IT-b、c 兩種形式的故障電壓Uf=IdRA，由前面分析得知，一般IdRA不需要考慮。對于IT-b，低壓故障時低壓設備應力電壓U2為需要通過表1對其進行評判。IT-c、d 兩種接地形式將高壓側故障電壓停留在了高壓側U1而未向U2傳導。

根據《GB50057-2010建筑物防雷設計規范》，380V 低壓系統電源處的設備耐壓要求大于6kV[6]，一般電源側應力電壓U1很容易滿足要求。而用電設備耐壓相對小很多，用戶側應力電壓U2相對不容易滿足要求。Uf是設計人身安全的，防護優先級較兩者都高。因此，可以將防護“三要素”Uf、U1和U2的防護優先級排序為Uf＞U2＞U1，對應的，IT系統可先考慮采用共同接地形式IT-a、e，不滿足規范要求時可以改為共同接地形式IT-b，再不滿足時才考慮分別接地的IT-c、d，而此時U1要需要滿足表2的要求。IT 系統共同接地形式選擇流程如圖4所示。

圖4 IT 系統共同接地形式選擇流程圖

5 案例計算

5.1 高壓側單相接地故障接觸電壓/應力電壓計算

單相對地短路故障邊界條件，

用對稱分量法表示為：

整理后得

根據公式（5）、公式（7）可得短路點的故障電流

當發生短路時，實際每序的ZΣ增加為ZΣ+RE，因此公式（8）變為[7]：

忽略正、負序阻抗，則

圖5 單相短路的復合序網圖

因此接觸電壓/應力電壓為

5.2 Z0Σ 的選取

5.2.1 非有效接地系統

對于10kV 不接地系統，高壓故障接地電容電流IF ≤30A，取30A；經消弧線圈接地系統IF≤10A，取10A。其中，IF計算公式為：

由于在上述兩種接地系統中零序阻抗Z0Σ幾乎沒有阻性成分，因此結合上式可得到

經計算，不接地、經消弧線圈接地系統的零序阻抗Z0Σ分別為577.4Ω、1732.2Ω。

5.2.2 小電阻接地系統

取系統電容電流為100A，為了得到較小的過電壓倍數，按照4倍系統電容電流來確定阻性電流，此時IR=100A×4=400A。則用公式（14）計算得到的接地電阻阻值R=14.4Ω，因此取Z0Σ為15Ω。

5.3 值的計算及共用接地判斷

根據公式（2）及后續分析，取RE 為4Ω[8]，將三種高壓側接地系統的分別帶入公式（11）中，經過計算，不接地、經消弧線圈接地、經小電阻接地系統的RE×Im值分別為117.6V、39.7V 和2566.2V。通過代入表1，對應得到不同高、低壓側接地系統時的共用接地條件判斷如表2所示。

表2 不同高、低壓側接地系統時的共用接地條件判斷

6 結語

一是以低壓側380V 的系統為例，概括闡述了不同接地形式、不同用電條件下可能出現的應力電壓和故障電壓值，并分析了變壓器保護接地與工作接地共用接地的規范條件及原因。

二是提出了防護三要素的防護優先級排序為Uf＞U2＞U1。

三是對TN 系統不滿足規范條件時進行了分析，其中對于高于50V 的電壓，可通過曲線進行判斷，并可將其改造為局部TT 系統。另外，可以通過降低重復接地電阻阻值的方法降低共地風險。

四是對IT 系統不滿足規范是進行了分析，其中IT-a、e 兩種形式不滿足要求時可采用IT-b 的形式，再不滿足可采用IT-c、d。

五是通過案例計算，對本文提出的方法進行了實際應用。