关于10kV变电站高低压共用接地条件的分析

唐山滨海冶金技术咨询有限公司 崔玉萌 王 昆 朱云鹏

1 引言

10kV 高压系统的保护接地和低压系统的中性点工作接地共用接地时，高压侧接地故障过电压会通过中性线N 或者接地线PE 转移给低压侧，提升外露可导电部分与地之间的故障接触电压Uf、线导体与低压装置的外露可导电部分之间的工频应力电压U2（用户侧应力电压）和线导体与变电所低压装置的外露可导电部分之间的工频应力电压U1（电源侧应力电压）。其中，Uf可能对人体造成电击事故，而U1、U2则可能对低压设备造成击穿。因此，10kV 变电站变压器的保护接地和低压系统的中性点需要进行分析判断后才能确定是否可共用接地，其主要影响因素为高压侧的接地方式、低压侧的接地型式，以及是否有等电位连接等的配电环境。

2 转移过电压机理分析

本文对TN、TT、IT 系统分别进行转移过电压理论分析。

根据《GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范》，当高压系统发生单相接地故障时，其故障点处的电压为Uf=ImRE[1]。

与高压保护接地共同接地的TN 系统典型接线形式如图1（a）所示。由于共同接地，此故障电压会传递给变压器外壳及低压侧中性点，同时通过PEN 线传递给低压电气装置外壳，因此该系统的Uf、U1和U2分别为：ImRE、220V、220V， 即故障电压传递给了Uf。通常情况下，由于TN 系统PEN 线分出PE 线后多点接地，此时根据《GB/T16895.10-2010低压电气装置第4-44部分：安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》，Uf可按0.5ImRE计算[2]。

当低压为TT 系统如图1（b）时，由于TT 系统低压侧外壳接地，而外壳对中性线是绝缘的，因此通过接地的N 线转移过来的故障电压就会加在低压设备U2上，此时系统的Uf、U1和U2分别为：0V、220V 和220V+ImRE。

对于IT 系统，由于形式的多样性，且可能带一次故障运行，分析较为复杂，典型的IT 系统接线形式如图1（c）所示，其中系统低压电源中性点通过高阻抗接地，低压侧设备外壳直接接地。若无低压一次故障，由于高压故障电压转移至中性点和变压器外壳，因此故障电压增加至U2上，即Uf、U1和U2分别为：0V、220V 和220V+ImRE。若有低压一次（L3相）发生接地故障，由于L3相变为0V，L1相对外壳电压由220V+ImRE抬升为380V+ImRE，且此时低压设备外壳对地有电流Id，此时的Uf、U1和U2分别变为IdRA、380V 和380V+ImRE，由于RA较大，假设RE、RA分别为100Ω 和1000Ω，此时可通过式（1）得到Uf为20V，而这种假设是比较不利的情况，因此这种情况下的Uf往往可以忽略不计。

图1 低压系统接地型式示意图（高压系统接地故障）

实际上，上述仅为典型接地系统形式，对于不同接地系统的接地形式，其应力、故障接触电压汇总如表1所示（表中RB 为变压器低压侧中性点接地电阻）。

3 规范规定及分析

根据《GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范》，共同接地的条件为：

（a）工作于不接地、谐振接地和高电阻接地，建筑物内低压采用保护总等电位连接系统，且接地电阻满足

式中：RE——最大的接地电阻（Ω）；

Im——单相接地故障电流（A）。

（b）有效接地系统和低电阻接地系统，接地电阻满足公式（3），且低压系统采用总等电位连接的TN 系统，且接地电阻满足

式中：IG——经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值（A）。

不满足上述情况的TN 系统，以及TT 系统、IT 系统，其配电变压器外壳严禁共用接地。

《DL/T621-1997交流电气装置的接地》中将能否共同接地分为了两种情况来讨论：配电变压器安装在建筑物内时和建筑物外。其中，变压器安装在建筑物内时的规定与GB/T50065-2011相同，而安装在建筑物外的情况规定：当向低压系统供电的配电变压器的高压侧工作于低电阻接地系统时，低压系统不得与电源配电变压器的保护接地共用接地装置，低压系统电源接地点应距该配电变压器适当的地点设置专用接地装置，其接地电阻不宜超过4Ω[3]。

4 对于规范的补充

规范上述规定固然合理，但这种“一刀切”的做法不够灵活，通过以下分析，提出共用接地更细化的允许条件。

4.1 接触安全电压要求

共用接地时，如果高压系统为不接地、谐振接地和高电阻系统，公式（2）中小于50V 安全电压的要求。在不满足公式（2）的情况下，根据《GB16895.11-2001低压电器装置对暂时过电压和高压系统与地之间的故障的防护》，只要Uf-t 点落在图2中曲线的左边即可保证人身安全[4]。

图2 接触电压限值曲线

4.2 TN 系统不满足规范要求时应对措施

根据表1，TN 系统的薄弱环节在于接触电压Uf。若TN 系统的ImRE值无法达到规范要求，如果电气设备在室内，则通过等电位连接的方式完全可以将Uf降低至安全电压以下（接近0V）；如果电气设备在无法设置等电位连接的室外，根据《GB50054-2011低压配电设计规范》，应尽量使工作接地极的电阻RB与接地故障电阻RE之比满足下式以减少电击危险[5]。

式中：RB——与系统接地极并联的总接地电阻，Ω；

RE——相导体与大地之间的接地电阻，Ω；

U0——相导体对地电压，V；

其中，当U0为220V 时，RB/RE0.29。

对于无法满足上式条件的无等电位连接的电气设备，则需要将其TN 系统改用局部TT 系统，以避免故障电压通过PEN 或PE 导体传导。

此外，对于配电变压器在建筑物外的情况，可通过在电源进线处设置重复接地的措施降低预期接触电压，此时重复接地电阻越低，预期电压降低越明显。TN 系统共同接地条件判断流程图如图3所示。

图3 TN 系统共同接地条件判断流程图

4.3 IT 系统不满足规范要求时应对措施

IT 系统相对来说较为复杂，因为除了一次故障，还要考虑一、二次叠加故障。

由表1可知，IT-a、e 两种形式下，RE和RA是直接连通的，因此高压侧的一次故障电压会传到用电设备外壳，其电压值为Uf=ImRE，需要通过图2进行判断。鉴于IT 自身特点，表中IT-b、c 两种形式的故障电压Uf=IdRA，由前面分析得知，一般IdRA不需要考虑。对于IT-b，低压故障时低压设备应力电压U2为需要通过表1对其进行评判。IT-c、d 两种接地形式将高压侧故障电压停留在了高压侧U1而未向U2传导。

根据《GB50057-2010建筑物防雷设计规范》，380V 低压系统电源处的设备耐压要求大于6kV[6]，一般电源侧应力电压U1很容易满足要求。而用电设备耐压相对小很多，用户侧应力电压U2相对不容易满足要求。Uf是设计人身安全的，防护优先级较两者都高。因此，可以将防护“三要素”Uf、U1和U2的防护优先级排序为Uf＞U2＞U1，对应的，IT系统可先考虑采用共同接地形式IT-a、e，不满足规范要求时可以改为共同接地形式IT-b，再不满足时才考虑分别接地的IT-c、d，而此时U1要需要满足表2的要求。IT 系统共同接地形式选择流程如图4所示。

图4 IT 系统共同接地形式选择流程图

5 案例计算

5.1 高压侧单相接地故障接触电压/应力电压计算

单相对地短路故障边界条件，

用对称分量法表示为：

整理后得

根据公式（5）、公式（7）可得短路点的故障电流

当发生短路时，实际每序的ZΣ增加为ZΣ+RE，因此公式（8）变为[7]：

忽略正、负序阻抗，则

图5 单相短路的复合序网图

因此接触电压/应力电压为

5.2 Z0Σ 的选取

5.2.1 非有效接地系统

对于10kV 不接地系统，高压故障接地电容电流IF ≤30A，取30A；经消弧线圈接地系统IF≤10A，取10A。其中，IF计算公式为：

由于在上述两种接地系统中零序阻抗Z0Σ几乎没有阻性成分，因此结合上式可得到

经计算，不接地、经消弧线圈接地系统的零序阻抗Z0Σ分别为577.4Ω、1732.2Ω。

5.2.2 小电阻接地系统

取系统电容电流为100A，为了得到较小的过电压倍数，按照4倍系统电容电流来确定阻性电流，此时IR=100A×4=400A。则用公式（14）计算得到的接地电阻阻值R=14.4Ω，因此取Z0Σ为15Ω。

5.3 值的计算及共用接地判断

根据公式（2）及后续分析，取RE 为4Ω[8]，将三种高压侧接地系统的分别带入公式（11）中，经过计算，不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地系统的RE×Im值分别为117.6V、39.7V 和2566.2V。通过代入表1，对应得到不同高、低压侧接地系统时的共用接地条件判断如表2所示。

表2 不同高、低压侧接地系统时的共用接地条件判断

6 结语

一是以低压侧380V 的系统为例，概括阐述了不同接地形式、不同用电条件下可能出现的应力电压和故障电压值，并分析了变压器保护接地与工作接地共用接地的规范条件及原因。

二是提出了防护三要素的防护优先级排序为Uf＞U2＞U1。

三是对TN 系统不满足规范条件时进行了分析，其中对于高于50V 的电压，可通过曲线进行判断，并可将其改造为局部TT 系统。另外，可以通过降低重复接地电阻阻值的方法降低共地风险。

四是对IT 系统不满足规范是进行了分析，其中IT-a、e 两种形式不满足要求时可采用IT-b 的形式，再不满足可采用IT-c、d。

五是通过案例计算，对本文提出的方法进行了实际应用。