小电阻接地 10kV 网络内变电所接地短路对低压用户的电气危.docx
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小电阻接地10kV网络内变电所接地短路对低压用户的电气危
小电阻接地10kV网络内变电所接地短路对低压
用户的电气危险及其防范措施
王厚余
中国航空工业规划设计研究院,100011北京
ELECTRICALDANGERTOCONSUMERCAUSEDBYEARTHINGFAULTINSUBSTATIONOF10kVNETWORKWITHLOWRESISTANCENEUTRAL
GROUNDINGANDITSPROTECTIVEMEASURES
WangHouyu
ChinaAeronauticalProjectandDesignInstitute
Beijing,100011China
ABSTRACT Thispaperpresentsthedangerofelectric
shockandinsulationdamagetoconsumercausedbyearthingfaultinsubstationof10kVnetworkwithlowresistance
neutralgroundingandtheprotectivemeasures.Forimprov2
ingthesafetylevelofconsumersomesuggestionsarepro2posed.
KEYWORDS Safetylevel Lowresistanceneutral
grounding
摘要 文章阐述了经小电阻接地的10kV网络内变电所发生接地短路时,在用户内引起的电击和绝缘击穿危险及其防范措施。
作者还对用户电气安全水平的提高提出了建议。
关键词 电气安全 系统接地 小电阻接地
我国多年来10kV配电网络采用不接地系统,由于近年10kV网络中电缆线路增多,对地电容电流增大,不少城市已开始在新建的10kV网络中改用经小电阻接地系统。
这种系统的接地短路电流高达数百以至上千安,如不采取有效的防范措施,它的采用将对10kV电网和低压（220380V用户导致种种电气危险。
国外这种系统已运行几十年,对其电气危险的防范积累有丰富的经验,国际电工委员会（IECTC64委员会（即建筑物电气装置委员会还对这种系统的安全要求制订了专门的标准[1]。
限于篇幅,本文不讨论10kV网络中的安全问题,只就这种系统对低压用户电气安全的影响和对电气事故的防范措施作些分析和介绍。
1 TN系统内的人身电击危险
国际电工标准（以下简称IEC标准将低压网
络的接地系统分为TN、TT和IT三种[2]
。
所谓TN系统即电源中性点的工作接地直接接大地,用户电
气设备外壳的安全接地则通过与中性线连接而接地的接地系统（用户的重复接地只是电源工作接地的辅助性重复。
TN系统又分TN2C、TN2C2S和TN2S三种。
本文所举为最常用的TN2C2S系统,其电源至用户的PEN线（过去称为零线既作为中性线（N
线传导负荷电流,也作为PE线（保护地线起安全接地作用。
进入用户后PEN线分为PE线和N线,各起各的作用,如图1所示。
就本文讨论的内容而言,三种TN系统的情况是相同的。
100.4kV变电所（以下简称变电所既是10kV配电系统的负荷侧,也是220380V配电系统的电源侧,因此它需作10kV侧的设备外壳的安全接地,也需作220380V侧的工作接地。
在不接地的10kV网络内接地短路电流小,这两个接地通常合用一个接地极。
在经小电阻接地的系统内（以下简称接地系统,如果变电所10kV侧发生图1所示的接地短路,设短路电流为600A,又设变电所接地电阻为28,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=600×2=1200（V,此Uf将沿图1中PEN线和PE线传导至用户电气设备外壳。
人体接触此Uf是否会因发生心室纤颤致死则视Uf值大小和接触时间t的长短而定。
IEC标准[1]
提出了出现心室纤颤的Uf和t的关系
曲线,如图2所示。
发生10kV接地故障时,切断电源时间t为继电器和10kV断路器动作时间之和,其值大于500ms,这时允许的接触电压小于150V,即使考虑Uf的衰减也难以满足人身安全要求。
因此10kV接地系统对TN系统的电气危险是可能造
第22卷第11期1998年11月 电 网 技 术PowerSystemTechnology
Vol.22No.11
Nov.1998
成用户人身电击事故。
f
B
dfB
d
10kV柜
220380V柜
I・RUPE
R图1 变电所10kV侧接地故障使用户设备外壳带电压
图2 故障电压的允许持续时间
2 防范TN系统用户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。
（1在用户建筑物内实施总等电位联结
等电位联结是近三十年国际上推广采用的用电安全措施,IEC标准[3]和一些发达国家标准都规定在建筑物电气装置内必须实施总等电位联结（mainequipotentialbonding。
这不仅是用电安全的需要,也是建筑物防雷[4]和信息技术装置抗干扰[5]的需要。
图3为其示例,在建筑物总配电箱近旁设置一铜质的接地母排,母排上有若干接线端子,分别用等电位联结线接至总配电箱PE母排、各类金属管道、建筑金属结构等金属导电部分上。
如果设置了人工接地极,也需先接至此母排再经配电箱PE母排接至各电气设备外壳上。
此接地母排即建筑物的参考电位点（referencepotentialpoint。
这样做后,当电气设备外壳或其他金属导电部分出现异常电位时,因这些部分的电位接近或相等,人体同时触及不同导电部分时的电击危险即可消除或减轻。
如图4所示,当变电所10kV侧接地短路的故障电压Uf沿图中
PEN线和PE线传导至电气设备外壳时,图中点划
线所示的等电位联结会使人的手、足触及的都是f建筑物
人工接地极
总配电箱内PE设备
建筑金属结构
图3 建筑物内等电位联结示例
f
UUf
f
Uf
f
A
R自然接地极
等电位联结
U接地母排
图4 等电位联结消除建筑物内的电位差
（2在用户建筑物外采用局部TT系统
用户建筑物外的部分,IEC称作等电位作用区以外部分。
它不具备等电位联结作用。
如图5所示,发生同样的变电所接地短路时,人手触及的电位是
Uf,另一手和双足接触的却是地电位,电击事故往
往难以避免。
为此应如图5所示,在户外部分采用局部TT系统[3],即户外电气设备的外壳不接来自变电所的PE线,而接在户外另打接地极的PE′线,这样就不致发生Uf危险电位引起的电击事故。
局部TT系统
TNS系统A
RRA
Uf
f
0V
PEU漏电保护器
L图5 户外局部TT系统消除故障电压危害
需要注意的是,TT系统内电气设备如果绝缘
5
5第22卷第11期电 网 技 术
损坏发生接地短路时,短路电流以大地为通路,幅值
很小,使用户低压断路器或熔断器难以迅速切断电源。
为此必须在户外部分线路上装用动作电流不大于30mA的漏电保护器,以确保人身安全。
（3在变电所内分开设置10kV侧的安全接地和低压侧的工作接地
上述电气危险是因变电所内10kV侧的安全接地和低压侧的工作接地合用一个接地极而引起的。
如果将这两个接地分开设置,如图6所示[1],则10kV侧的危险电位不可能传导至用户,用户的电气事故自然无从发生。
B
d
d
f
dB
柜
10U′
kV柜
220380I・R0R图6 变电所分设两个接地,故障电压不导入低压网络
3 TT系统内的设备绝缘击穿危险
所谓TT系统即电源中性点的工作接地和用户电气设备外壳的安全接地都分别直接接大地,两个接地互不关连的接地系统。
由于两个接地互不关连,TT系统不存在上述TN系统用户的电击危险,但却存在用户电气设备的绝缘因工频过电压而被击穿的危险[1]。
当变电所发生10kV侧接地短路时,图7所示的TT系统内的设备绝缘将承受Us=Uf+220
SfA
d
B
B
dV
V
f
+220=UU220I・RURIR图7 变电所10kV侧接地故障使用户设备承受工频过电压
的工频过电压。
IEC标准[6]规定一般低压电气设备允许工频过电压和切断时间如下表1值:
表1
低压电气设备允许承受的过电压,V
切断电源时间,s
U0+250>5
U0+1200
≤5
注:
U0为相电压
需注意的是近些年出现的另一种绝缘击穿危
险。
由于对过电压敏感的电子计算机之类的信息设备的大量应用,一些低压用户在电源线路上装设压敏电阻之类的电涌防护器（SPD,以防瞬态雷电过电压危害电子信息设备。
为避免产生杂散电流,除电源中性点外TT系统中性线是不允许接地的,因此用户电源线路中性线上也需装设SPD[7],如图8（a所示。
为降低雷电残压,SPD宜直接装在用户总配电箱母排间。
这是现时国外通常的做法。
TT系统SPD的持续工作电压Uc≥1.5U0,取Uc为350V,如仍按图8（a的方式装用SPD,则10kV接地系统发生接地短路时上述Uf+220V的工频暂态过电压就能使SPD导通放电,其放电时间不是雷电瞬态过在无雷时也被烧坏,可能正是这个原因。
10kVA
A
10kV电源侧
L3
L2
L1R接地母排
配电箱
负荷侧
（b接地系统
（a不接地系统
负荷侧
配电箱
接地母排
RPE
N
L2L3氧化锌避雷器
电源侧
图8 TT系统内避雷器的设置
4 防范TT系统用户设备绝缘击穿事故的
安全措施
（1如果变电所内不采取措施,可在用户处采取局部措施来防范。
例如为防止某些用户的SPD被击
穿,可将TT系统用户SPD的装用方式改为图8（b的方式,即在三个相线和中性线间各安装一个压敏
65PowerSystemTechnologyVol
.22No.11
电阻SPD,在中性线和PE线间则安装一个滑动火花间隙。
滑动火花间隙的动作电压较高,为3kV至3.5kV。
这样变电所10kV侧接地短路引起工频过电压幅度不足以使滑动火花间隙动作放电,从而保护了压敏电阻SPD,而对雷电过电压的防护却不受影响。
（2如在变电所内采取措施,即将其保护接地和工作接地分开设置,则变电所供电范围内的TT系统用户将不受变电所10kV侧接地短路产生的过电压对设备绝缘的危害。
5 结论和建议
10kV配电网络采用接地系统后变电所内如发
生接地短路,对TN系统用户将引起人身电击危险,对TT系统用户将引起设备绝缘击穿危险。
用户发生事故后,事故原因往往很难查明。
低压配电线路接大地短路,用户内设备碰外壳短路也可在网络内引起故障电压,但变电所10kV侧接地短路故障电压的幅值最高,危害也最大。
对这种故障电压危害的防范可在用户处采取措施,例如在TN系统用户建筑物内实施总等电位联结,建筑物外采用局部TT系统,在TT系统用户内改变避雷器装用方式等。
但低压用户一般不熟悉电气安全技术,指望用户采取正确措施防范事故是不现实的。
简单彻底的防范措施是在变电所内将10kV侧安全接地同低压侧工作接地分开。
这种做
法在国外变电所已习以为常,但在我国还很陌生,这正是我国电气人员和外方在变电所做两个接地还是一个接地问题上经常发生争执的原因所在。
其实在变电所做两个接地并不困难。
具体做法是在100.4kV变电所内变压器引出的低压中性线与地和设备外壳绝缘,将配电盘中性线母排引出单芯绝缘电缆接至户外低压工作接地专用的接地极上;也可自靠近变电所的架空线电杆中性线引下直接地线另打接地板。
应注意两个接地极之间的距离至少不小于10m,但引出的接地线不宜过长,以尽
量降低在这段线上的雷电残压Ldt
。
并非接地系统10kV变电所都需分设两个接地板。
笔者一次参加IECTC64会议时曾调查过这个问题。
欧洲一些发达国家城市低压公用网络采用TT系统并在变电所分设两个接地。
但建筑物内的
变电所则是合用一个接地,并在建筑物内采用TN
系统,如图9所示的一高层建筑内变电所的情况。
这是由于处于在同一建筑物内的变电所两个接地和用户设备的安全接地无法分开,而在实施了总等电位联结后,全建筑物处于同一电位,10kV接地故障电压Uf已不足为害的原故。
国外这样加以区别处理是很正确的。
接地母排利用基础钢筋接地接立柱钢筋###
变电所
安全接地
低压侧工作接地PE用电设备图9 变电所在建筑物内时共用接地
我国闭关自守多年,用电安全技术与国外缺少交流,电气事故频频发生。
统计资料表明,以相同用电量相比,我国电击死亡人数为发达国家的几十以至上百倍;日本人均用电量为我国的十几倍,其电气火灾只占火灾总数的2%～3%,而我国已接近30%,居火灾类别之首。
大家知道电气事故绝大多数发生在低压网络中。
据国外经验,低压用户的电气安全由供电公司监督最为有效。
试举一例,国外供电公司要求每一用户进线处设一电源箱,箱内除电度表外还装设断路器（熔断器作短路和过载保护,还装500mA动作带延时的漏电保护器以防发生最多的接地短路电弧火灾[8],还在中性线上装连接板以保证检修电气线路时的人身安全[9],如图10所示。
电度表零序电流互感器
配电出线
漏电继电器
用户总配电箱
电源进线箱
断路器
图10 国外供电公司防用户电气事故的电源进线箱
此电源箱由用户投资安装,但由供电公司整定、管理
并上锁,不具备此电源箱的用户供电公司是不予接
7
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电的。
仅供电公司这一“安全把关”作用就大大提高
了用户的电气安全水平,避免了许多电气事故的发生。
我国供电部门除节约用电、计划用电外也十分重视安全用电,为此设有三电办公室。
国外的经验值得借鉴,建议多与国外供电公司沟通交流,汲取国外行之有效的用电安全管理经验,使我国用电安全工作跨上一个新台阶。
6 参考文献
1 IEC364242442.Protectionoflow2voltageinstallotionsagainst.
faultsbetweenhigh2voltagesystemsandearth.19932 IEC36423.Assessmentofgeneralchacteristics.1993
3 IEC36424241.Protectionagainstelectricshock.1992
4 IEC10242121.GuideA2selectionofprotectionlevelsforlightning
protectionsystems.1993
5 IEC364252548.Earthingarrangementsandequipotentialbonding
forinformationtechnologyinstallations.19966 Amendment1toIEC364242442.1995
7 IEC364242443.Protectionagainstovervoltagesofatmospheric
originorduetoswitching.1990
8 IEC364242482.Protectionagainstfire.19829 IEC36424246.Isolationandswitching.1981
收稿日期:
1998201214。
王厚余 研究员,1949年上海交通大学电机系毕业,多年从事工程电气设计、规范编制和IECTC64标准归口工作。
（上接第48页continuedfrompage48
・四省（区联网虽然可以获得巨大的联网效
益,但在实际操作中,如何在市场经济条件下实现和分配联网效益仍然是摆在我们面前的一个重要课题,需要从政策和技术两个方面同时进行研究,包括联络线的建设、管理,统一电网之间的协调,过网费用的计算,各互联电网边际成本的确定等,以便使电力工业真正实现从粗放型经营向集约型经营的转变。
8 参考文献
1 CentralSouthChinaElectricPowerDesignInstitute,Southwest
ChinaElectricPowerDesignInstitute.Integratedgenerationex2pansionplansforSouthChina.CentralSouthChinaElectricPowerDesignInstitute,1997
2 电力工业部可靠性管理中心.中国电力可靠性年报.1994
收稿日期:
1998203205;改回日期:
1998208221。
金小明 西南电力设计院系统科科长,高级工程师,1983年毕业于华中理工大学,一直从事电力系统规划设计工作。
林廷卫 工程师,1986年毕业于华中理工大学,1989年在华北电力学院北京研究生部获硕士学位,1989～1992年执教于武汉水利电力大学,1992年调入中南电力设计院从事电力系统规划设计工作。
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