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

小电阻接地 10 kV 网络内变电所接地短路对低压 用户的电气危险及其防范 王厚余 中国航空工业规划设计研究院, 100011 北京 EL ECTR ICAL DANGER TO CONSUM ER CAUSED BY EARTH ING FAUL T IN SUBSTATION OF 10 kV NETWORK W ITH LOW RESISTANCE NEUTRAL GROUND ING AND ITS PROTECTIVE M EASURES W ang Houyu Ch ina A eronau t ica l P ro ject and D esign In st itu te Beijing, 100011 Ch ina ABSTRACT 　 T h is paper p resen ts the danger of electric shock and insu lat ion dam age to consum er caused by earth ing fau lt in substat ion of 10 kV netw o rk w ith low resistance neu tral grounding and the p ro tect ive m easu res. Fo r imp rov2 ing the safety level of consum er som e suggest ions are p ro2 po sed. KEY WORD S 　 Safety level 　 L ow resistance neu tral grounding 摘要　文章阐述了经小电阻接地的 10 kV 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 10 kV 配电网络采用不接地系统, 由于近年 10 kV 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 10 kV 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 10 kV 电网和低压 (220ö380V ) 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 ( IEC) TC 64 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[ 1 ]。限于 篇幅, 本文不讨论 10 kV 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、T T 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 TN 2C、TN 2C2S 和 TN 2 S 三种。本文所举为最常用的 TN 2C2S 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。 10ö0. 4 kV 变电所 (以下简称变电所)既是 10 kV 配电系统的负荷侧, 也是 220ö380V 配电系统的电 源侧, 因此它需作 10 kV 侧的设备外壳的安全接地, 也需作 220ö380V 侧的工作接地。在不接地的 10 kV 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 10 kV 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 2 8 , 则在接地电阻 R B 上的电压降, 也即低压侧中性 点对地故障电压为 U f = I d ·R B = 600×2 = 1200 (V ) , 此U f 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U f 是否会因发生心室 纤颤致死则视U f 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U f 和 t 的关系 曲线, 如图 2 所示。发生 10 kV 接地故障时, 切断电 源时间 t 为继电器和 10 kV 断路器动作时间之和, 其值大于 500m s, 这时允许的接触电压小于 150V , 即使考虑U f 的衰减也难以满足人身安全要求。因 此 10 kV 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 Pow er System T echno logy　　　　　　　　　　　　　　 V o l. 22 N o. 11 N ov. 1998 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 成用户人身电击事故。 ······· fBdfB d 10 kV柜 220ö380V柜 I ·RU PE U N L1 L2 L3 PENI Id R 图 1　变电所 10 kV 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 (m ain equ ipo ten t ia l bonding)。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 ( reference po ten t ia l po in t)。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 10 kV 侧接地短路的故障电压U f 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U f 电位, 不论U f 值多大, 不存在电位差, 电击事故自 然无从发生。 · · ·· · · · · 建筑物 排水管暖气管接地母排 人工 接地极 总配电箱内 PE母排 煤气管给水管 设备 用电PE线 建筑金属结构 图 3　建筑物内等电位联结示例 · · · · ·· fU Uf fU Uf f AR 自然 接地极 等电位联结 U 配电箱L PEN PE 接地母排 N 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 T T 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 U f , 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 T T 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U f 危险电位引起的电击事故。 · · · ·· 局部TT系统TN C S系统 ARRA Uf f 0V 0V ′PE ′ U 漏电保护器L PEN PE N 图 5　户外局部 TT 系统消除故障电压危害 需要注意的是, T T 系统内电气设备如果绝缘 55第 22 卷 第 11 期 电　网　技　术 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 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 30 mA 的漏电保护器, 以确保人身安全。 (3) 在变电所内分开设置 10 kV 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 10 kV 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 10 kV 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 d B B 柜10 U ′0V V kV柜 220ö380 I ·R R PE 0 N L1 L2 L3 PENI I R 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 T T 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, T T 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 10 kV 侧接地短路时, 图 7 所示的 T T 系统内的设备绝缘将承受U s= U f + 220 · ·· ·· · S f A d d B Bd VV f + 220= UU220 I ·RU R I I R 图 7　变电所 10 kV 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 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 U 0+ 250 > 5 U 0+ 1200 ≤5 　　注: U 0 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 T T 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。T T 系统 SPD 的持续工作电压U c≥1. 5U 0, 取U c 为 350 V , 如 仍按图 8 (a)的方式装用 SPD , 则 10 kV 接地系统发 生接地短路时上述U f + 220 V 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 电压的几十微秒而是几百毫秒, 将因放电能量过大 而导致 SPD 击坏事故, 目前一些用户内装的 SPD 在无雷时也被烧坏, 可能正是这个原因。 · · · · · · · · ··· · · · · · · 10 kV A A 10 kV 火花间隙 电源侧 氧化锌避雷器 L3 L2 L1 N PE R 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 R PE N L1 L2 L3 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 T T 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 65 Pow er System T echno logy V o l. 22 N o. 11 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 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 3 kV 至 3. 5 kV。这样变电所 10 kV 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 T T 系 统用户将不受变电所 10 kV 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 10 kV 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 T T 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 10 kV 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 T T 系统, 在 T T 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 10 kV 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 10ö0. 4 kV 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 10 m , 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L d id t。 并非接地系统 10 kV 变电所都需分设两个接 地板。笔者一次参加 IECöTC64 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 T T 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, 10 kV 接地故障电 压U f 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 用户安全接地 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 500 mA 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 连接板 零序电流 互感器 配电出线 漏电继电器 PE 接地母排接地线排接地线排用户总配电箱 电源进线箱 脱扣器断路器 L1L2L3N 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 75第 22 卷 第 11 期 电　网　技　术 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 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　 IEC 364242442. P ro tection of low 2vo ltage installo tions against. fau lts betw een h igh2vo ltage system s and earth. 1993 2　 IEC 36423. A ssessm ent of general chacterist ics. 1993 3　 IEC 36424241. P ro tection against electric shock. 19924　 IEC 10242121. Guide A 2selection of p ro tection levels fo r ligh tn ingp ro tection system s. 19935　 IEC 364252548. Earth ing arrangem ents and equipo ten tial bondingfo r info rm ation techno logy installat ions. 19966　Am endm ent 1 to IEC 364242442. 19957　 IEC 364242443. P ro tection against over vo ltages of atmo spherico rigin o r due to sw itch ing. 19908　 IEC 364242482. P ro tection against fire. 19829　 IEC 36424246. Iso lation and sw itch ing. 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 IECöTC64 标准归口工作。 (上接第 48 页 con tinued from page 48) · 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　Central South Ch ina E lectric Pow er D esign Institu te, Southw est Ch ina E lectric Pow er D esign Institu te. In tegrated generation ex2 pansion p lans fo r South Ch ina. Central South Ch ina E lectric Pow er D esign Institu te, 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。 85 Pow er System T echno logy V o l. 22 N o. 11 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.