唐山濱海冶金技術(shù)咨詢有限公司 崔玉萌 王 昆 朱云鵬

1 引言

10kV 高壓系統(tǒng)的保護(hù)接地和低壓系統(tǒng)的中性點(diǎn)工作接地共用接地時(shí)，高壓側(cè)接地故障過電壓會通過中性線N 或者接地線PE 轉(zhuǎn)移給低壓側(cè)，提升外露可導(dǎo)電部分與地之間的故障接觸電壓Uf、線導(dǎo)體與低壓裝置的外露可導(dǎo)電部分之間的工頻應(yīng)力電壓U2（用戶側(cè)應(yīng)力電壓）和線導(dǎo)體與變電所低壓裝置的外露可導(dǎo)電部分之間的工頻應(yīng)力電壓U1（電源側(cè)應(yīng)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(shè)備造成擊穿。因此，10kV 變電站變壓器的保護(hù)接地和低壓系統(tǒng)的中性點(diǎn)需要進(jìn)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(cè)的接地方式、低壓側(cè)的接地型式，以及是否有等電位連接等的配電環(huán)境。

2 轉(zhuǎn)移過電壓機(jī)理分析

本文對TN、TT、IT 系統(tǒng)分別進(jìn)行轉(zhuǎn)移過電壓理論分析。

根據(jù)《GB/T50065-2011交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)高壓系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其故障點(diǎn)處的電壓為Uf=ImRE[1]。

與高壓保護(hù)接地共同接地的TN 系統(tǒng)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(cè)中性點(diǎn)，同時(shí)通過PEN 線傳遞給低壓電氣裝置外殼，因此該系統(tǒng)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(tǒng)PEN 線分出PE 線后多點(diǎn)接地，此時(shí)根據(jù)《GB/T16895.10-2010低壓電氣裝置第4-44部分：安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》，Uf可按0.5ImRE計(jì)算[2]。

當(dāng)?shù)蛪簽門T 系統(tǒng)如圖1（b）時(shí)，由于TT 系統(tǒng)低壓側(cè)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(zhuǎn)移過來的故障電壓就會加在低壓設(shè)備U2上，此時(shí)系統(tǒng)的Uf、U1和U2分別為：0V、220V 和220V+ImRE。

對于IT 系統(tǒng)，由于形式的多樣性，且可能帶一次故障運(yùn)行，分析較為復(fù)雜，典型的IT 系統(tǒng)接線形式如圖1（c）所示，其中系統(tǒng)低壓電源中性點(diǎn)通過高阻抗接地，低壓側(cè)設(shè)備外殼直接接地。若無低壓一次故障，由于高壓故障電壓轉(zhuǎn)移至中性點(diǎn)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(fā)生接地故障，由于L3相變?yōu)?V，L1相對外殼電壓由220V+ImRE抬升為380V+ImRE，且此時(shí)低壓設(shè)備外殼對地有電流Id，此時(shí)的Uf、U1和U2分別變?yōu)镮dRA、380V 和380V+ImRE，由于RA較大，假設(shè)RE、RA分別為100Ω 和1000Ω，此時(shí)可通過式（1）得到Uf為20V，而這種假設(shè)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(jì)。

圖1 低壓系統(tǒng)接地型式示意圖（高壓系統(tǒng)接地故障）

實(shí)際上，上述僅為典型接地系統(tǒng)形式，對于不同接地系統(tǒng)的接地形式，其應(yīng)力、故障接觸電壓匯總?cè)绫?所示（表中RB 為變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)接地電阻）。

3 規(guī)范規(guī)定及分析

根據(jù)《GB/T50065-2011交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)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(nèi)低壓采用保護(hù)總等電位連接系統(tǒng)，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(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)，接地電阻滿足公式（3），且低壓系統(tǒng)采用總等電位連接的TN 系統(tǒng)，且接地電阻滿足

式中：IG——經(jīng)接地網(wǎng)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(tǒng)，以及TT 系統(tǒng)、IT 系統(tǒng)，其配電變壓器外殼嚴(yán)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(nèi)時(shí)和建筑物外。其中，變壓器安裝在建筑物內(nèi)時(shí)的規(guī)定與GB/T50065-2011相同，而安裝在建筑物外的情況規(guī)定：當(dāng)向低壓系統(tǒng)供電的配電變壓器的高壓側(cè)工作于低電阻接地系統(tǒng)時(shí)，低壓系統(tǒng)不得與電源配電變壓器的保護(hù)接地共用接地裝置，低壓系統(tǒng)電源接地點(diǎn)應(yīng)距該配電變壓器適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)設(shè)置專用接地裝置，其接地電阻不宜超過4Ω[3]。

4 對于規(guī)范的補(bǔ)充

規(guī)范上述規(guī)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(xì)化的允許條件。

4.1 接觸安全電壓要求

共用接地時(shí)，如果高壓系統(tǒng)為不接地、諧振接地和高電阻系統(tǒng)，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(jù)《GB16895.11-2001低壓電器裝置對暫時(shí)過電壓和高壓系統(tǒng)與地之間的故障的防護(hù)》，只要Uf-t 點(diǎn)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(tǒng)不滿足規(guī)范要求時(shí)應(yīng)對措施

根據(jù)表1，TN 系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)在于接觸電壓Uf。若TN 系統(tǒng)的ImRE值無法達(dá)到規(guī)范要求，如果電氣設(shè)備在室內(nèi)，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(shè)備在無法設(shè)置等電位連接的室外，根據(jù)《GB50054-2011低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》，應(yīng)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(xiǎn)[5]。

式中：RB——與系統(tǒng)接地極并聯(lián)的總接地電阻，Ω；

RE——相導(dǎo)體與大地之間的接地電阻，Ω；

U0——相導(dǎo)體對地電壓，V；

其中，當(dāng)U0為220V 時(shí)，RB/RE0.29。

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

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

圖3 TN 系統(tǒng)共同接地條件判斷流程圖

4.3 IT 系統(tǒng)不滿足規(guī)范要求時(shí)應(yīng)對措施

IT 系統(tǒng)相對來說較為復(fù)雜，因?yàn)槌艘淮喂收?，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(cè)的一次故障電壓會傳到用電設(shè)備外殼，其電壓值為Uf=ImRE，需要通過圖2進(jìn)行判斷。鑒于IT 自身特點(diǎn)，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(shí)低壓設(shè)備應(yīng)力電壓U2為需要通過表1對其進(jìn)行評判。IT-c、d 兩種接地形式將高壓側(cè)故障電壓停留在了高壓側(cè)U1而未向U2傳導(dǎo)。

根據(jù)《GB50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，380V 低壓系統(tǒng)電源處的設(shè)備耐壓要求大于6kV[6]，一般電源側(cè)應(yīng)力電壓U1很容易滿足要求。而用電設(shè)備耐壓相對小很多，用戶側(cè)應(yīng)力電壓U2相對不容易滿足要求。Uf是設(shè)計(jì)人身安全的，防護(hù)優(yōu)先級較兩者都高。因此，可以將防護(hù)“三要素”Uf、U1和U2的防護(hù)優(yōu)先級排序?yàn)閁f＞U2＞U1，對應(yīng)的，IT系統(tǒng)可先考慮采用共同接地形式IT-a、e，不滿足規(guī)范要求時(shí)可以改為共同接地形式IT-b，再不滿足時(shí)才考慮分別接地的IT-c、d，而此時(shí)U1要需要滿足表2的要求。IT 系統(tǒng)共同接地形式選擇流程如圖4所示。

圖4 IT 系統(tǒng)共同接地形式選擇流程圖

5 案例計(jì)算

5.1 高壓側(cè)單相接地故障接觸電壓/應(yīng)力電壓計(jì)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(jù)公式（5）、公式（7）可得短路點(diǎn)的故障電流

當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，實(shí)際每序的ZΣ增加為ZΣ+RE，因此公式（8）變?yōu)閇7]：

忽略正、負(fù)序阻抗，則

圖5 單相短路的復(fù)合序網(wǎng)圖

因此接觸電壓/應(yīng)力電壓為

5.2 Z0Σ 的選取

5.2.1 非有效接地系統(tǒng)

對于10kV 不接地系統(tǒng)，高壓故障接地電容電流IF ≤30A，取30A；經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)IF≤10A，取10A。其中，IF計(jì)算公式為：

由于在上述兩種接地系統(tǒng)中零序阻抗Z0Σ幾乎沒有阻性成分，因此結(jié)合上式可得到

經(jīng)計(jì)算，不接地、經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序阻抗Z0Σ分別為577.4Ω、1732.2Ω。

5.2.2 小電阻接地系統(tǒng)

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

5.3 值的計(jì)算及共用接地判斷

根據(jù)公式（2）及后續(xù)分析，取RE 為4Ω[8]，將三種高壓側(cè)接地系統(tǒng)的分別帶入公式（11）中，經(jīng)過計(jì)算，不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的RE×Im值分別為117.6V、39.7V 和2566.2V。通過代入表1，對應(yīng)得到不同高、低壓側(cè)接地系統(tǒng)時(shí)的共用接地條件判斷如表2所示。

表2 不同高、低壓側(cè)接地系統(tǒng)時(shí)的共用接地條件判斷

6 結(jié)語

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

二是提出了防護(hù)三要素的防護(hù)優(yōu)先級排序?yàn)閁f＞U2＞U1。

三是對TN 系統(tǒng)不滿足規(guī)范條件時(shí)進(jìn)行了分析，其中對于高于50V 的電壓，可通過曲線進(jìn)行判斷，并可將其改造為局部TT 系統(tǒng)。另外，可以通過降低重復(fù)接地電阻阻值的方法降低共地風(fēng)險(xiǎn)。

四是對IT 系統(tǒng)不滿足規(guī)范是進(jìn)行了分析，其中IT-a、e 兩種形式不滿足要求時(shí)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(jì)算，對本文提出的方法進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。