10 kV小电阻接地系统的参数特点及其短路计算好.docx
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10kV小电阻接地系统的参数特点及其短路计算好
10kV小电阻接地系统的参数特点及其短路计算
李志平
摘 要：
介绍了10kV小电阻接地系统的特点，采用对称分量法对单相接地故障进行了序网分析，在给定的初始参数条件下，提出了小电阻接地系统参数的一些特点，并作了分析计算，得出单相接地故障时系统线电压仍维持平衡的结论。
最后对有关接地设备的选择给出了计算方法。
关键词：
中性点小电阻接地；对称分量法；短路计算
中图分类号：
TM862 文献标识码：
A
Parametricattributesof10kVpowersystemgroundedbysmallresistanceanditsshort-circuitcalculation
LIZhi-ping
（GuangdongElectricPowerDesignInstitute，Guangzhou510600，China）
Abstract：
Thefeaturesof10kVdistributionsystemgroundedbysmallresistancearedescribedinthispaper.Thesequentialnetworkanalysisofsingle-phaseearthfaultisconductedusingthesymmetricalcomponentmethod.Giveninitialparameters，someparametricattributesofsuchsystemarepresentedalongwithanalyticalcomputation.Itdrawsaconclusionthatthelinevoltageofthesystemremainsbalancedinspiteofsingle-phasegroundfaults.Thecomputingmethodforselectingrelevantgroundingapparatusisproposedatlast.
Keywords：
neutralgroundingbysmallresistance；symmetricalcomponentmethod；shortcircuitcalculation
中性点经小电阻接地的配电系统在城市电网中已越来越广泛地被采用。
部分城市电网主要以电缆作为送电线路，且使用紧凑型的全封闭式的开关设备及氧化锌避雷器，有些城市使用了不少耐压标准较低的电缆。
这样的系统有几个特点：
a）系统电容电流较大，通常超过50A，单相接地故障后会产生较高的内部过电压；b）单相接地故障概率比架空出线少得多；c）设备不允许在单相接地后约3倍的工频过电压下再连续运行。
这样要求当系统发生单相接地后应立即切除故障线路，采用小电阻接地有利于继电保护装置可靠迅速地检测并切除故障回路，小电阻接地还可改善系统参数减少接地故障时的内部过电压值。
小电阻接地系统的分析计算在有关手册及参考书中均未做深入的研究，本文尝试在这方面进行一些分析探讨。
1 单相接地故障的对称分量法计算
对电力系统的不对称故障的计算，通常采用对称分量法，单相接地故障时简化计算过程如下：
L1相接地时，其各序的网络方程如下：
由单相接地故障的边界条件可得：
据此可得到复合序网图，如图1所示。
图1 单相接地故障的复合序网
根据序网图可求得：
通常Z1=Z2，
所以
对非故障相L2相可得下列序网络方程：
可得L2相电压：
同样方法可得L3相电压：
2 10kV小电阻接地系统的参数分析
2.1 系统接线及组成
10kV小电阻接地系统组成如图2。
组成部分有：
作为电源的降压变压器，曲折接地变压器，中性点接地电阻，10kV母线，10kV馈电线路等。
图2 10kV小电阻接地系统接线图
2.2 曲折接地变压器的参数特点
曲折接线方式如图2所示。
当加入三相正、负序电流时，接地变压器的每一铁心柱上的磁势是该铁心柱上分属不同相的两绕组磁势的相量和。
三个铁心柱上的磁势是一组三相平衡量，相位差120°，产生的磁通可在三个铁心柱上互相形成回路，磁路磁阻小，磁通量大，感应电势大，呈现很大的激磁阻抗。
当对接地变压器加入三相零序电流时，每个铁心柱上的两个绕组产生的磁势由于大小相等，方向相反，合成磁势为零。
铁心柱上没有主磁通，零序磁通只能经过铁心和周围的介质形成闭合回路，磁路磁阻大，因而磁通量小，感应电势小，呈现的零序等效阻抗也小。
因此接地变压器具有正负序阻抗大而零序阻抗小的特点。
2.3 单相接地故障时阻抗参数特点
L1相接地时，各序网等效电路如图3。
图3 各序网等效电路（L1相接地）
正序电路中XK为主变压器短路电抗加上限流电抗器的阻抗值，RL1+jXL1是故障线路的正序阻抗。
在正序电路中忽略了变压器及接地变压器的激磁阻抗，系统对地电容及负载阻抗。
零序电路中Rg0、Xg0为接地变的零序参数，3RN为3倍中性点电阻值，Xφ为系统的一相对地电容容抗值，R0、X0为故障线路的零序阻抗参数。
从等效电路可得各序的综合阻抗：
其中 ZN=Rg0+3RN+jXg0
由于目前小电阻接地方式主要应用于以电缆出线为主的城市配电网，下面以一典型的城市配电网为例，分析单相接地故障时正序零序综合阻抗之间关系特点。
某一个城市10kV配电系统参数如下：
主变压器：
SN=50MVA，U1N/U2N=110kV/11kV，UK=16.0%，则其10kV侧短路电抗XK=0.38Ω；
接地变压器：
Sg=420kVA，UgN=10.5kV，Zg0=（3.4+j8.8）Ω；
故障线路：
R1+jX1=（0.4+j0.32）Ω，
R0+jX0=（8+j1.26）Ω。
系统接地电容电流70A，计算得Xφ=260Ω。
当中性点电阻RN=10Ω时，若出线末端短路，有
Z1=Z2=（0.4+j0.7）Ω，
Z0=（43.16+j5.69）Ω，则
│Z0│／│Z1│=54；
当RN=20Ω时，则
Z0=（71.7-j5.73）Ω，│Z0│／│Z1│=89；
当RN取更大值时，
│Z0│／│Z1│值还会继续增大。
通常中性点电阻值大于10Ω，所以中性点电阻接地方式的城市配电网单相接地时零序阻抗和正序阻抗的幅值相差很大，一般可认为：
│Z0│≥40│Z1│。
这是小电阻接地系统的阻抗参数的一个重要特点。
3 10kV电阻接地故障的分析计算
因│Z0│≥40│Z1│，可利用此条件对接地故障计算进行简化，对短路电流有（假设L1相故障）：
幅值
Id=IL1≈3Eφ/│Z0│，
即
Eφ为10kV系统的相电势幅值，以平均电压计，
，非故障相电压
分别为：
类似地
其中，
下面简要讨论一下ρ／θ的取值，根据上述│Z0│≥40│Z1│的关系，设│Z0│=m│Z1│，则m≥40，得
，可见ρ接近于1，θ是接近于0的值。
可得
幅值的近似计算公式：
以上述系统为例，对于不同的中性点电阻值，当线路末端短路故障时，计算结果如表1。
表1 线路末端短路故障计算
RN=10Ω
RN=20Ω
RN=∞
ZN/Ω
33.4+j8.8
63.4+j8.8
Xφ/Ω
260
260
260
35.16+j4.43
63.7-j6.99
-j260
Z0/Ω
43.16+j5.69
71.7-j5.73
8-j258.7
Id/Ω
408
250
70.7
IN/Ω
421
250
U0
0.98Uφ
0.99Uφ
Uφ
UL2
1.67Uφ
1.70Uφ
1.74Uφ
UL3
1.72Uφ
1.735Uφ
1.74Uφ
ρ,θ
0.96，-0.044
0.986，-0.03
1.01，-0.005
（2Z1+Z0）/Ω
44.0+j7.1
72.5-j4.3
88-j257.3
（Z0-Z1）/Ω
42.76+j5.0
71.3-j6.4
7.6-j259.4
下面讨论线电压的平衡性，进一步分析可得线电压的负序分量：
据有关定义，可得线电压的不平衡度为
据前面结论，有
据有关规定，当不衡度小于5%时，认为线电压基本平衡。
产生这种结果是单相接地的零序综合阻抗比正序阻抗大很多的缘故。
4 接地变压器及接地电阻容量计算
母线上发生单相接地故障时，接地电流最大，接地设备经受最严重的情况，以这种情况来校验接地设备的容量。
4.1 母线单相接地时有关电流的计算
为中性点电阻电流，
为系统的每一相电容电流（参看图3（c）的零序等效电路）。
当3RN比Rg0+jXg0的幅值大很多倍时有
令 IN=3IN0，ICΣ=3ICφ，
则 IN=3IN0=Eφ/RN
因
和ICφ相位差约90°，则
因为接地变压器正常运行时绕组只流过激磁电流，其值在2A以下，接地故障时绕组的电流主要是零序电流，即IN0表示的值。
4.2 接地电阻的选择
经验和分析证明，当接地电流大于500～600A时，接地电弧能稳定燃烧，不会因间歇熄灭引起间歇电弧过电压，且有利于继电保护的正确动作。
选择接地电阻使Id=550A，
若 ICΣ=70A，则 IN=545A，
选RN=10Ω，则Id＞555A
通常认为继电保护在4s内切除故障，按4s热稳定电流可达15倍设备额定电流的原则，额定电流Ir为Id／15，
4.3 接地变压器容量选择
按4s的热稳定条件，绕组的额定电流为短路时流过绕组的电流的1／15，则
5 结语
本文对10kV小电阻接地系统的实际参数进行分析，得出系统单相接地故障时的阻抗之间关系特点，得出单相接地故障时系统线电压仍维持平衡的结论。
同时给出了接地设备选择的计算方法。
作者简介：
李志平（1965-），男，广西合浦人，工程师，硕士，研究方向为变电站二次设计。
作者单位：
广东电力设计研究院，广东广州510600
参考文献
［1］ 戈东方.电力工程电气设计手册：
电气一次部分［M］.北京：
水利电力出版社，1989
［2］ 机械电子工业部.机械产品目录（第七册）［M］.北京：
机械工业出版社，1991
［3］ 何仰赞.电力系统分析［M］.北京：
机械工业出版社，1984
［4］ 许实章.电机学［M］.北京：
机械工业出版社，1980
这些年因城镇用电负荷剧增，电网中大量采用１０ｋＶ电缆供电。
由于电容电流的增大，不得不将１０ｋＶ网络由过去的不接地系统改为经小电阻接地系统。
这一改变使变电所的接地故障电压由过去的百伏左右剧增到２０００Ｖ～３０００Ｖ，这被称作暂态过电压。
这一过电压经变电所共用的接地系统沿低压线传导到用户的电气设备上。
低压设备的绝缘，特别是老旧设备的绝缘，因承受不了如此高的过电压很容易被击穿短路而导致起火危险，这些都是因电气技术的发展而增加的一个电气火灾新隐患。
发达国家也有采用经小电阻接地系统，但为了防止引起电气火灾采取了有效的技术措施。
具体措施是将变电所低压系统的接地另打接地极分开设置，使上述危险暂态过电压无法由此传导到低压用户去。
也可大大减小变电所接地电阻值和１０ｋＶ供电系统的接地短路电流值，使上述暂态过电压不致达到危险值。
但我国的电网设计安装只片面地仿效了国外的经小电阻接地系统，却未学习国外配套的电气安全措施，由此引起的电气事故已时有所闻，如果不及时消除这一新的电气隐患，我国电气火灾发生率居高不下，有增无减的势头将越发难以遏制。
小电阻接地lOkV变电所高压侧接地短路导致的电气危险及其防范措施
[摘要]城市10KV网络改用小电阻接地系统后给低压用户电气装置带来一些电气危险，包括烧坏防雷SPD的危险。
本文叙述这些危险的起因级其防范措施。
[关键词]接地故障防电击
我国多年来10kV网络采用不接地系统，由于这些年城市10kV网络电缆线路增多，对地电容电流增大，不少城市将10kV网络改为经小电阻接地系统。
这种系统的接地短路电流高达数百上千安，如不采取有效的防范措施将对10KV电网和低压（220/380V）用户招致一些电气危险，包括烧坏防雷SPD的危险。
国际电工标准IEC60364对其在低压用户内的电气危险和防范措施规定了专门的要求
（1）。
本文拟依据这些要求作些陈述。
1、TN系统内的人身电击危险
10/0.4kV变电所（以下简称变电所）既是10kV系统的负荷端，也是低压系统的电源端。
它需作10kV负荷端设备外壳的保护接地，也需作低压电源端中性点的系统接地。
以往不接地10kV网络内接地故障电流小，这两个接地可合用一个接地极，在经小电阻接地的系统内，接地故障电流大，如图1所示的接地故障，设故障电流Id为600A，变电所接地电阻为4Ω，则在接地电阻RB上的电压降，也即低压侧中性点对地故障电压为Uf=Id·RB=2400V。
此Uf将如图1中虚线所示沿TN－C－S系统的PEN线和PE线传导至另一建筑物低压用户电气设备外壳上引起电击事故。
图2为人体电击时发生心室纤颤致死的Uf和其持续时间t的关系曲线
（1）。
此持续时间为变电所高压断路器和保护继电器动作时间之和，约为数百毫秒。
从图2可知当Uf超过千伏时接触电气设备的人电击致死的危险是很大的。
2、防范TN系统人身电击事故的安全措施
为防范上述电击事故可采用以下防范措施：
2.1在建筑物内实施总等电位联结
图3所示的TN－C－S系统用户与变电所不在同一建筑物内。
当上述危险鼓掌电压Uf沿图中PEN线和PE线传导至电气设备外壳时，图中点划线所示的总等电位联结使人的手、足触及的可导电部分都同为Uf电位而没有电位差。
不论Uf多大，都不可能发生电击事故。
2.2在无等位联结作用的建筑物电气装置户外部分采用局部TT系统。
电气装置的户外部分一般不具备等电位联结作用，当PEN线、PE线和设备外壳带上述危险故障电压Uf时双足触及的却是地电位，也即0V电位，电击事故将难以避免。
为此应如图4所示在户外部分采用局部TT系统
（2），即户外的电气设备的外壳不经电源引来的PE线接地，而是在户外另打接地极另引接地线（图4中的PE＇线）接地。
这样就不会接触故障电压Uf而发生电击事故。
需注意的是在引向户外的回路上应如图4所示装用动作电流不大于30mA的漏电保护器以确保该回路发生接地故障时能有效地切断电源。
当然，如在户外采取措施满足等电位联结要求，也可不改用局部TT系统。
2.3在变电所内分开设置10kV侧的保护接地和低压系统的系统接地。
如果如图5所示将10kV侧的保护接地和低压侧的系统接地分开设置，如图5中的RB和R＇B所示，则10kV侧的上述危险故障电压将不可能传导至低压用户，电气事故自然无由发生。
为变电所设置两个电气上无联系的接地并不困难，只需将自变压器引出的中性线及低压配电盘的中性线母排加以绝缘，自中性线母排引一单芯绝缘电缆至户外，在距变电所保护接地至少10m处另接低压系统的系统接地的接地极即可。
3、TT系统内的绝缘击穿危险
在TT系统内，电源端中性点的系统接地和另一建筑物内的电气设备外壳的保护接地都是分别直接接大地的，所以TT系统不存在上述TN系统内的电击危险，但却存在低压电气装置内的绝缘因承受变电所高压侧接地故障引起的工频暂态过电压而被击穿的危险
（1）。
这是因为当变电所发生高压侧接地故障时，如图6所示，TT系统内的绝缘将承受Us=Uf＋Uo=Uf＋220V的工频暂态过电压。
此过电压值往往大大超过千伏，持续时间超过数百毫秒，TT系统低压绝缘和防雷SPD受此过电压的冲击可能被击穿或烧坏，从而引起设备损坏或SPD烧坏短路起火事故。
4、防范TT系统电气绝缘击穿事故的安全措施
为防范TT系统绝缘击穿事故可采取以下安全措施。
4.1限制10kV网络的接地故障电流Id值和变电所接地电阻值
为防止低压系统绝缘被暂态工频过电压击穿损坏，IEC标准（3）规定了低压绝缘允许承受的工频暂态过电压和切断电源时间如下表：
由表和图6可知，如果变电所10kV断路器能在5s内切断电源，只要RB上的故障电压降Uf=Id·RB不大于1200V，用户低压绝缘就能承受此过电压而不损坏。
为此应尽量限制RB和Id值，使其乘积不大于1200V。
对于户内变电所，如利用等电位联结内的基础钢筋、金属水管和电缆金属外皮等自然接地体作接地极，RB可不难达到1Ω以下。
但对于孤立的杆上变压器，靠人工接地极达到低接地电阻是困难的。
综合考虑各种电气安全要求，RB值不大于2Ω是比较安全也是可行的。
如前例所述10kV网络小电阻接地系统的接地故障电流Id若不大于600A，则在变电所采用一共用接地装置且接地电阻RB不大于2Ω的情况下，TT系统低压绝缘将是安全的。
有些地区供电部门采用过大的接地故障电流值，却要求高压用户将变电所接地电阻大大降低以至小到0.5Ω，显然是不合适的和缺乏依据的。
在防雷击电脉冲装置中，SPD的Uc值一般为300V左右，在TT系统内如图6所示的相地间的Uf＋220V暂态过电压将使SPD导通，其持续时间长达数百毫秒，它泄放的过大能量将烧坏SPD。
为此在TT系统内应采用3＋1的SPD装用方式，以防SPD被烧坏。
这在有关防雷规范已有具体规定，此处不多叙述。
4.2在变电所内分开设置10kV侧的保护接地和低压侧的系统接地，前文已述。
5、变电所与低压用户同处于一建筑物内时不存在高压侧接地故障引起低压用户电气事故的危险
当变电所与低压用户共处于同一建筑物内时是不能采用TT系统的，因在同一建筑物内低压系统的系统接地和保护接地是难以做到电气上的隔离的。
因此不存在低压绝缘被暂态过电压击穿和防雷SPD被暂态过电压烧坏的危险。
在同一建筑物内也不能采用TN－C－S系统，因PEN线难以做到与地绝缘，其对地电位将产生杂散电流（4），引起地下金属部分的腐蚀，它也对信息设备引起干扰。
所以在同一建筑物内只能采用TN－S系统。
这样如图7所示
变电所10kV侧的保护接地和低压侧的系统接地及保护接地通过建筑物的总等电位联结而共用一接地极（即基础钢筋和水管等自然接地体构成的接地极），它们同处在一相同的电位水平上。
这样当变电所高压侧发生接地故障时，无论图中接地母排对地电位Uf升至多高，在此建筑物内由于总等电位联结的作用，全部电气装置的电位都升高至同一Uf而不出现危险的电位差，前述人身电击以至绝缘损坏事故都不可能发生，没有必要采取任何防范措施。
6、结束语
6.1城市10kV网络改用小电阻接地系统后可能在另一建筑物的低压用户内引起人身电击事故以及绝缘击穿导致设备损坏、短路起火等事故。
这种事故发生后变电所内很快切断电源，现场故障电压瞬即消失，很难查出事故起因。
对此电气危险，供电部门或低压用户都不能掉以轻心，应在变电所和低压用户内采取有效的安全措施。
6.2最彻底的安全措施，是在变电所将10kV侧的保护接地和低压侧中性点的系统接地分开设置，以隔断10kV侧危险接地故障电压传导至低压用户的途径。
6.3如变电所难以分开设置两个接地极，可采取如下安全措施：
6.3.1在TN系统内为防人身电击危险，在建筑物内应实施总等电位联结，以消除沿低压线路导入的危险电位差。
在难以作等电位联结的TN系统户外部分应改用局部TT系统。
6.3.2在TT系统内为防低压绝缘被暂态工频过电压击穿，应限制10kV网络小电阻接地系统的接地故障电流Id和变电所共用接地极的接地电阻RB，使故障电压Uf=Id·RB不大于1200V。
如果在TT系统内装用SPD，则SPD的装用应采用3＋1的装用方式。
6.4当变电所和低压用户共处于同一建筑物内时，由于总等电位联结的作用，变电所高压侧接地故障不会引起该建筑物内低压用户的电气事故，不必采取防范措施。
这时总等电位联结内的钢筋等自然接地体成为变电所良好的接地极。
除非基础钢筋混凝土被防水层包裹，对其接地电阻RB的阻值无要求
系统单相接地时，健全相电压不升高或升幅较小，对设备绝缘等级要求较低，其耐压水平可以按相电压来选择。
接地时由于流过故障线路的电流较大零序过流保护有较好的灵敏度可以比较容易检除接地线路。
由于接地点的电流较大当零序保护动作不及时或拒动时将使接地点及附近的绝缘受到更大的危害导致相间故障发生。
当发生单相接地故障时无论是永久性的还是非永久性的均作用与跳闸使线路的跳闸次数大大增加严重影响了用户的正常供电使其供电的可靠性下降。
第12章暂时工频过电压的防护
TTT001打字，王厚余作品，每天做有意义的事情就是每天原创一些世界上原本没有的东西。
第12章暂时工频过电压的防护
施加给电气装置的电压如超过电气装置的标称电压，称作过电压。
低压电气装置可能出现各种过电压，例如由于电网和电气装置运行条件的变化引起工频电源电压变化而出现缓慢而持续的线间过电压，它被称作电源电压的正偏差，它和电源电压的负偏差都是表征电源电压质量的一个重要指标。
在现时电气装置设计规范和设计手册中都有具体的规定和论述，为节约篇幅本书中不作介绍。
又如在雷击时，雷电在低压电气装置中引起的持续时间以微秒计的瞬态冲击对地过电压，其持续时间虽然极短，但幅值和波形陡度却极大，可能引起电气装置中电气设备和电子设备的绝缘击穿，导致设备损坏，或工作受干扰，有时可引发火灾、人身电击、大面积停电等严重事故，这将在第十三章中予以讨论。
当电气装置的电网电源，也即10／0．4kV配电变电所高压侧接地故障，引起低压电气装置内持续时间以毫秒或秒计的暂时工频对地过电压。
视不同低压接地系统，有的可引起人身电击事故，有的则可引起设备损坏或电气火灾等事故。
本章将对这一种过电压作一叙述。
第一节1KV不接地系统接地故障引起的过电压
由于历史上的原因，我国建国后lOkV电网普遍采用不接地系统，即系统负荷端的外露导电部分作保护接地，而电源端带电导体则是不接地的，如图12—1所示。
当10／0．4kV变电所内发生如图12—1所示的lOkV侧接地故障时，故障电流L没有返回电源的通路，它只能通过图12—1所示另两非故障相的对地电容返回电源。
故障电流L为此两电容电流的相量和。
因线路对地电容，特别是架空线路的对地电容很小，容抗很大，所以工a值很小。
为避免此电流引发事故，按我国电力部门规范要求，此Id值不得大于20A，同时规定图12—1所示l0／0．4kV变电所的接地电阻RB不大于4Q。
此Id在l0／0．4kV变电所的接地电阻RB上将产生故障电压降Ut。
为节约变电所建设投资，低压系统中性点的系统接地也接于Re上，它将使低压系统对地电位升高U而过电压，PE线对地电位也升高至Uf。
当Id和RB都为最大值时，U最大值不过20×4—80（V），我国规范规定10kV不接地系统内发生上述接地故障时，10kV故障回路电源侧的断路器不必切断电源，只需发出故障信号，以便在尽可能短的时间内排除故障，从而避免因断路器的跳闸而招致的大面积停电。
图12—110kV不接地系统内Id值和Uf值均很小
这种10kV系统在发生上述接地故障时，如因各种原因长时间不能排除故障，另两非故障相的对地绝缘将长时间持续承受√3倍相电压的过电压，为此需提高10kV系统供电元件（例如线路、变压器、开关柜等）的对地绝
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