中压电网接地方式对低压配电系统接地的影响

    1、前言
    低压配电系统中性点的接地是建筑电气行业较为熟悉的一个内容。其既要承担中压系统系统接地功能，也要承担保护接地功能，因此是建筑电气设计的一个重要组成部分。同时，低压配电系统的中性点接地方式与中压、高压电力系统不同，在正常情况下，它往往不是独立存在和工作的，而是与中压、低压系统的安全保护接地联系在一起共同构成不同型式。因此有研究低压配电系统的接地有必要结合中压系统的中性点接地方式来进行研究。
    本文就以下内容进行了讨论：中压侧接地方式选择、中压侧接地对低压侧接地的影响。
    2、中压电网接地方式的选择
    国家电网公司发布的《城市电力网规划设计导则》Q/GDW 156-2006规定，城网高压配电电压为35kV 、63 kV 、110 kV，中压配电电压为10kV、20kV（可扩展至35kV），低压配电电压为380/220V。就民用建筑供配电系统而言，大量使用的是中压10kV（目前国内部分城市在推行20kV配电网）和低压380/220V，因此本文中压电网主要针对10kV电压等级进行讨论。
    电力系统中性点的接地方式基本上可以划分为两大类：凡是需要断路器遮断单相接地故障的，属于大电流接地方式；凡是单相接地电弧能够瞬间自行熄灭的，属于小电流接地方式【1】。具体到10kV电力系统而言，通常有中性点不接地、中性点谐振（经消弧线圈）接地和中性点经低电阻接地三种方式。目前，电力系统内对10kV城网中性点接地方式也存在一些争议，主要表现在中性点谐振接地和经低电阻接地两种方式上。
    2.1 影响10kV电网接地方式的因素
    影响城市10kV电网接地型式的因素很多，需要综合考虑，详细论证。具体而言，10kV电网应具有较好的运行特性，即：供电可靠性高、人身安全性好、设备安全性好、维修工作量小、电磁兼容性好和综合经济指标合理等。
    2.1.1 供电可靠性
    根据《中国电力报》报道，2006年全国10kV电网的供电可靠率为99.849%，用户平均年停电时间为13.23h。而1995年日本、法国、英国、美国的全国供电可靠率分别为99.998%、99.982%、99.985%、99.990%，对应的年停电时间为10.5min、94.6min、78.8min、52.6min。同时应注意，国际上进行可靠率统计时的用户是真正的每一个低压用户；而我国目前的统计方法是以一个10kV（或大于10kV）配电变压器作为一个用户的。可见，和发达国家比，我国的供电可靠率还有很大的差距。
    电力系统的运行经验表明，单相接地故障大多数是瞬间性的，特别是架空线路电网，小电流接地系统，通常无需继电保护和断路器动作，在系统和用户几乎无感觉的情况下，接地电弧便可瞬间自动熄灭，系统可以保持连续供电。而对于极少数的永久单相接地故障，可以允许电网在一定时间内带故障运行。
    低电阻接地方式与配电网中性点不接地或经消弧线圈接地不同，不论单相接地故障是瞬间，还是永久性的，都必须自动切除故障线路。因此网络应采取全容量备用的原则，以及备用电源自动投入和环网自动化等措施，从而提高供电可靠性。而采用全容量备用需要增加大量投资，从经济角度考虑还有困难。
    2.1.2 人身安全
    人身安全，对建筑电气设计的重要性不言而喻，它同样是中压电网接地方式选择必须考虑的一个重要问题。
    一种常见的观点是：当发生单相接地故障时，低电阻接地方式瞬间跳开故障线路，可减少人身触电伤亡事故。但是，这种观点值得商榷。故障条件下的人身安全取决于流过人体的时间-电流特性，也即取决于接触电压和跨步电压与切断时间的特性。当低电阻接地的中压电网发生单相接地故障时，在断路器跳闸前，由于接地故障电流增大，故障点和中性点附近形成了危险的接触电压和跨步电压，即使瞬时跳开，但却不能从根本上解决问题。同时，在低电阻接地系统同样会出现高阻接地故障，若不能瞬时跳闸，则危险更大，相关的试验可以参见文。随着中压配电网架空绝缘导线的推广，这个问题将更加突出。
    为使零序过电流保护可靠的动作，中性点经低电阻接地的配电网，往往需要增大单相接地电流，大接地电流会产生强烈的高温电弧，其持续时间虽短，可是出现的频率很高，必然对人构成更大的威胁。此外，高温电弧也容易引起火灾。
    采用谐振接地方式时，接地故障电流可降至10A以下，对人身安全的保障和限制接地电弧都更为有利。
    2.1.3 通信干扰与电磁兼容
    电力网在正常运行和故障的情况下，因电磁耦合、静电耦合、地中电流传导和高频电磁辐射四种原因，可能对通信网络产生干扰作用。对于中压电网，主要是前三种情况。理论和实践结果表明，限制单相接地故障电流是防止通信干扰的有效措施。谐振接地电网单相接地故障电流小，对通信与电磁干扰小。
    2.1.4 绝缘水平
    关于绝缘水平，一种观点认为：中压电网采用小电阻接地方式时，可以快速切除接地故障，过电压水平低，能消除谐振过电压，因此可采用绝缘水平较低的电缆和电气设备。而实际上，研究与实践证明，降低绝缘水平的经济效益，从110kV电压等级开始较明显，对于10kV电网则相差无几。
    我国10kV手车式开关柜的额定工频耐受电压为42kV，高于IEC标准，本文不在此展开。本文主要讨论10kV电缆的绝缘水平。
    国标《额定电压１kV到35 kV挤包绝缘电力电缆及附件》GB/T 12706中参照IEC标准中的三类电缆并合并为两类绝缘水平的电缆。其中10kV电缆的规定见表1。

    新建工程中采用A类电缆确实可以减少一次投资。但是在相等的供电可靠性前提下，若为降低绝缘水平而采用低电阻接地方式、以节省一次投资时，必须考虑电网因备用容量而增加的投资，否则应考虑停电对用户造成的经济损失以及对社会效益的影响。
    同时，根据《额定电压１kV到35 kV挤包绝缘电力电缆及附件》GB/T 12706中的规定，10kV电缆的绝缘标称厚度见表2：

    对于中压电力电缆而言，铜、铝等金属材料才是电缆成本的主要部分。对于10kV电缆，其不同类别绝缘厚度相差为1.1mm，通过减少绝缘材料来节省投资，其效果有限。
    2.2 不同接地方式下中压电网的运行特性
    根据不同接地方式，其中压电网的运行特性也各不相同，具体见表3。

    本章从几个方面探讨了影响10kV电网接地方式的因素，主要包括：从供电连续性上看不接地和经消弧线圈接地优于经低电阻接地；从人身安全看经消弧线圈接地优于经低电阻接地；从通信与电磁干扰看，谐振接地方式由于经低电阻接地方式；从绝缘水平看，经低电阻接地的10kV电网可采用U0较低的A类B类电缆，但是从实际应用分析，10kV电网宜采用U0较高的C类电缆。
    城市中压电网究竟采用何种接地方式，除了结合本地实际情况外，还需要从可靠性、人身安全等多方面综合考虑，而起决定作用的往往是经济因素。
    3、中压电网对低压配电系统中性点接地方式的影响
    3.1 低压配电系统的接地方式
    根据GB/T 16895.1-2008（等同IEC 60364-1:2005）的规定，低压配电系统的接地型式包括TN、TT、IT系统。其符号的第一个字母表示电源系统对地的关系，第二个字母表示装置的外露可导电部分对地的关系。其中TN系统又可分为TN-S、TN-C-S、TN-C系统；TN-S和TT系统均包括配出中性导体和不配出中性导体的情况。
    对于图1所示的TN-C-S多电源系统，GB/T 16895.1-2008进行了补充说明，具体内容包括：a）不应在变压器的中性点直接对地连接；b）变压器的中性点之间相互连接的导体应是绝缘的；不能将其与用电设备连接；c）多电源中性点互联的导体与PE导体之间应只连接一次，并且这一连接应设置在总配电屏内；d）装置的PE导体可另增设接地。

    关于本图，笔者理解如下：1、称其为TN-C-S是以电源变压器（或发电机）作为电源侧而划分的，若以总配电屏作为电源侧（多电源中性点间连接导体PEN不允许与用电设备连接），则可称其为TN-S系统；2、变压器的中性点不直接接地是防止电气装置单相接地故障时，故障电流不通过单一回路返回变压器中性点，其第c点补充说明亦是此意。
    3.2 中压电网接地方式对低压配电系统的影响
    首先阐明一个概念，即中压电网（10kV）的接地和低压系统的接地往往不是指同一个地。10kV配电变压器（10/0.4/0.23kV）和其上级的电源变电所通常不在一个建筑物内，并且相距甚远，因此10kV配电变压器高压侧的接地故障电流通常是通过大地返回电源侧（10kV小电流接地系统发生接地故障时，接地故障电流不算是通过大地返回电源侧）。而10kV配电变压器和由其供电的低压电气装置多数是位于同一建筑物内，因此低压电气装置的接地故障电流往往不是通过大地返回变压器的低压侧。这也就决定了中压侧的接地方式和低压侧的接地方式显著不同。
    3.2.1 10kV电网的运行方式及其故障电压
    10kV的配电变压器既是中压电网的负荷侧，又是低压系统的电源侧。在大多数情况下，10kV变压器外壳的保护接地与低压配电系统中性点的功能接地共用的是一个接地网。在发生单相接地故障时，由于中压电网中性点接地方式的不同，流入该接地网的接地故障电流会有显著区别，地网电位升高也大不相同。
    根据《城市电网规划设计导则》Q/GDW 156-2006的规定，10kV城网中性点接地方式主要包括不接地、经消弧线圈接地或经低电阻接地。各种接地方式对应的接地故障电流和运行方式可以用表4进行概括：

    可见，对于中性点采用小电流接地方式的10kV电网，当运行中发生单相接地故障时，因为接地故障电流Id≤10A，即使配电变压器接地网的接地电阻Rd取上限值4Ω，地网电位升高的最大值也不会超过40V，上述电压无疑对保障人身安全有利。而对于中性点采用经低电阻接地的10kV电网，由于接地故障电流Id≥150A，即使取地电阻Rd=1Ω，则地网电位的升高依旧可达150V，容易造成人身电击伤害。而且实际上供电部门出于保证继电保护动作可靠等原因，10kV电网经低电阻接地时的接地故障电流往往超过150A，故障时的地网电位会更高。
    3.2.2 中压系统接地故障时低压电气装置的暂时过电压
    向低压系统供电的用户变电所，其中压侧发生接地故障时，低压电气装置产生的暂时过电压可能对人身造成伤害，有必要仔细研究。
国标GB 16895.11的新版送审稿（IEC 60364-4-44:2007）中图44.A2规定了故障电压的幅值和最长持续时间，这是保障人身安全的一条曲线。从保障人身安全的角度考虑，或者降低故障电压，或者缩短故障持续时间（切断电源）。国标GB 16895.11的新版送审稿以下图为例进行了相关分析。

    其中U1、U2、Uf分别为低压主配电屏上的应力电压、低压电气设备上的应力电压、外露可导电部分与地之间的故障电压；RE、RB、RA分别为变压器保护接地电阻、低压电源侧功能接地电阻、用电装置保护接地电阻。以TN和TT系统为例，其应力电压和故障电压见表5。

    以TN系统为例，用户终端变电所的RE和RB多数难以分开（变电所在建筑物内时，RB通常为建筑物基础，RE也需要通过建筑基础接大地）。RE和RB共用接地装置时，Uf为RE×IE，可见为降低故障电压、缩短故障持续时间只能从三个方面考虑：1）降低IE；2）降低RE；  3）缩短故障切除时间。另外，等电位联结可以作为附加保护措施。
    10kV电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式时，前面已指出其单相接地故障电流低（不大于10A），大多数情况下其故障电压满足要求。10kV电网采用经低电阻接地方式时，其接地故障电流为数百安培，只能降低RE或尽快切除故障线路。前面已分析当接地故障电流过大时，单靠降低RE已不能将故障电压限制在安全范围内，而切除故障取决于上级变电所的开关整定，上述整定通常由供电部门负责。
    4、小结
    10kV城网中性点接地方式主要有不接地、谐振接地（经消弧线圈接地）、经低电阻接地方式等， 10kV城网采用何种接地方式应综合考虑经济性、供电可靠性、人身安全、继电保护、通信与电磁干扰、绝缘水平等因素后确定。
    低压配电系统接地方式通常受10kV电网影响，主要原因是10kV接地故障会在低压侧产生暂时过电压。此过电压和10kV电网接地方式（影响接地故障电流幅值）、低压配电系统接地方式、变电所两个接地是否合并设置或分开设置有关。

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