變電站電源系統(tǒng)接地極阻值商榷
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劉屏周
(中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京市 100120)
摘 要：本文僅涉及用戶為高壓計量、自行管理的變電站，高壓系統(tǒng)接地故障電壓引起低壓系統(tǒng)工頻過電壓或傳導(dǎo)故障電壓，不應(yīng)超過低壓系統(tǒng)過電壓限值或接觸電壓允許值。低壓系統(tǒng)發(fā)生接地故障，保護電器應(yīng)自動切斷電源。我國設(shè)計規(guī)范中給出變電站接地板阻值要求，而在IEC標準未見具體要求值。闡述高壓中性點有效接地系統(tǒng)或非有效接地系統(tǒng)，與低壓TN系統(tǒng)或TT系統(tǒng)不同組合，確定變電站接地極阻值的基本原則，以更好理解IEC標準未籠統(tǒng)提出接地極阻值要求的原因。
關(guān)鍵詞：功能接地；保護接地；接地板阻值；工頻過電壓；接觸電壓限值；電擊防護；有效接地系統(tǒng)：非有效接地系統(tǒng)
中圖分類號：TU89doi. 10. 3969／j.issn. 1003 - 8493. 2016. 03. 003
1 概述
電氣裝置接地涉及：①功能接地，多為供電系統(tǒng)（如發(fā)電機組、電力變壓器等）中性點的接地；②電氣裝置外露可導(dǎo)電部分接地，起保護作用，故稱為保護接地。電氣裝置功能接地與保護接地示意如圖1所示。
TN系統(tǒng)接地兼具保護接地和功能接地兩種目的，TT系統(tǒng)接地分別承擔保護接地和功能接地的作用。對于以保護為目的的接地，始終應(yīng)予以優(yōu)先考慮。
高壓系統(tǒng)中性點對地可分為：中性點有效接地和中性點非有效接地。中性點有效接地包括中性點直接接地、經(jīng)低電阻接地；中性點非有效接地包括中性點不接地、諧振（經(jīng)消弧線圈）接地、高電阻接地等。
高壓系統(tǒng)中性點有效接地／中性點非有效接地與低壓TN系統(tǒng)/TT系統(tǒng)的不同組合，對變電站接地極阻值要求各異，統(tǒng)一規(guī)定的接地極阻值有待商榷。
2 高壓系統(tǒng)發(fā)生接地故障在低壓系統(tǒng)引起的工頻過電壓
當?shù)蛪合到y(tǒng)接地型式為TT系統(tǒng)時，外露可導(dǎo)電部分與變壓器低壓中性點有相互獨立的接地極，高壓系統(tǒng)發(fā)生接地故障，接地故障電流，E流經(jīng)外露可導(dǎo)電部分的接地電阻RA產(chǎn)生接地故障電壓Uf，引起低壓系統(tǒng)的工頻過電壓，如圖2所示。接地故障電壓U雖引起總等電位聯(lián)結(jié)對地電位升高，但在總等電位聯(lián)結(jié)作用范圍內(nèi)，不產(chǎn)生電擊。
當?shù)蛪合到y(tǒng)接地型式為TN系統(tǒng)時，外露可導(dǎo)電部分與變壓器低壓中性點相互連接，高壓系統(tǒng)發(fā)生接地故障，接地故障電流IE流經(jīng)外露可導(dǎo)電部分的接地電阻RA產(chǎn)生接地故障電壓U f，建筑物內(nèi)設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié)，TN系統(tǒng)內(nèi)PE導(dǎo)體不傳導(dǎo)接地故障電壓U f，如圖3所示。
當由建筑物內(nèi)引出線路時，且未能設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié)，PE導(dǎo)體傳導(dǎo)接地故障電壓U f，如圖4所示。
3確定接地極阻值
低壓工頻過電壓限值要求，高壓接地故障保護電器動作時間≤5s，低壓工頻過電壓不超過1200 V;高壓接地故障保護電器動作時間>5s，低壓工頻過電壓不超過250V。
電擊防護要求，低壓系統(tǒng)發(fā)生接地故障應(yīng)自動切斷電源。
依據(jù)以上要求確定接地極阻值。
3,1 高壓中性點有效接地，低壓TT系統(tǒng)
高壓接地故障存續(xù)期內(nèi)，接地故障電流IE流經(jīng)外露可導(dǎo)電部分的接地電阻RA產(chǎn)生接地故障電壓U f≤1200 V，則有RA≤1 200／IE，可限制接地故障電流IE，或降低接地電阻RA。高壓系統(tǒng)中性點經(jīng)低電阻接地，接地故障電流，E限值范圍100~1 000 A，如限值取600 A，RA為2 Ω。
3.1.1 采用剩余電流動作保護器作為故障保護
采用剩余電流動作保護器作為故障保護時，應(yīng)滿足下列要求：
剩余電流動作保護器額定電流應(yīng)大于供電回路及用電設(shè)備固有泄漏電流的3倍，固有泄漏電流可經(jīng)計算或測量得到，未有詳細數(shù)據(jù)時可按回路計算電流的1／2 000估算。接地故障電流遠高于剩余電流動作保護器額定電流，可按5I△n求出RA值及切斷時間。5I△n引自GB 16895. 21 - 2011／IEC 60364 -4 - 41:2005《低壓電氣裝置 第4- 41部分：安全防護電擊防護》第6頁注4：“滿足表41.1規(guī)定的切斷電源時間要求的預(yù)期剩余故障電流，顯著大于RCD的額定剩余動作電流I△(通常為5I△)。” ．
3.1.2采用過電流保護電器用于接地故障保護
TT系統(tǒng)保護要求：
式中：Zs——故障回路的阻抗，包括電源、電源至故
障點的相導(dǎo)體、PE導(dǎo)體、接地導(dǎo)體、 電氣裝置外露可導(dǎo)電部分的接地極
RA.電源的接地極RB的阻抗之和，Ω；
I a ------能保證保護電器在規(guī)定時間內(nèi)動作的
電流，A，保護電器動作時間的要求
為I s（> 32 A配電回路）或0.2 s
（≤32 A的終端回路）：
U0——相導(dǎo)體對地標稱電壓，V。
兼顧工頻過電壓限值和電擊防護要求，取兩者較小RA值、RB值。
3.2高壓中性點非有效接地，低壓TT系統(tǒng)
高壓接地故障存續(xù)期內(nèi)，接地故障電流I流經(jīng)外露可導(dǎo)電部分的接地電阻RA產(chǎn)生接地故障電壓U f≤250 V，則有RA≤250／IE，規(guī)范要求IE≤10 A，RA≤25 Ω滿足低壓工頻過電壓要求。
TT系統(tǒng)保護要求同3.1相關(guān)部分。
3.3高壓中性點有效接地，低壓TN系統(tǒng)
引出低壓線路在總等電位聯(lián)結(jié)作用范圍外，電擊防護要求，允許接觸電壓值與接地故障保護電器動作時間見圖5。
當接地故障保護電器固有動作時間為定值，只有限制接地故障電流，E或接地極阻值RB，例如：動作時間為0.4 s，查圖5曲線，允許接觸電壓值為310 V，在總等電位聯(lián)結(jié)作用范圍外，可認為允許接觸電壓值與接地故障電壓值相近，10 kV系統(tǒng)中性點低電阻接地，接地故障電流IE限值為600 A，RB可為0.5Ω 。
當?shù)蛪喊l(fā)生接地故障時，TN系統(tǒng)保護要求：
式中：Zs ------故障回路的阻抗，包括電源、相導(dǎo)體、
PEN或PE導(dǎo)體的阻抗，Ω；
I a -----能保證保護電器在規(guī)定時間內(nèi)動作的
電流，A，保護電器動作時間的要求為
Ss（>32A配電回路）或0.4 s(≤32A
的終端回路)；
U0——相導(dǎo)體對地標稱電壓，V。
由式(3)看出，盡管TN系統(tǒng)PEN或PE導(dǎo)體多點接地，已不考慮接地極分流作用，接地極阻值高低已無意義。
3.4高壓中性點非有效接地，低壓TN系統(tǒng)
高壓接地故障存續(xù)期內(nèi)，接地故障電流，E流經(jīng)外露可導(dǎo)電部分的接地電阻RA產(chǎn)生接地故障電壓U f，引出低壓線路在總等電位聯(lián)結(jié)作用范圍外，接觸電壓限值≤50V，規(guī)范要求IE≤10A，RB≤50V/10 A=5Ω。
TN系統(tǒng)保護要求同3.3相關(guān)部分。
4結(jié)論
綜上所述，確定變電站接地電阻值應(yīng)考慮高壓系統(tǒng)巾性點對地情況（巾性點有效接地和巾性點非有效接地）及低壓系統(tǒng)接地型式（常用TN、TT）組合。
高壓系統(tǒng)中性點有效接地：
a．低壓為TT系統(tǒng)，應(yīng)考慮工頻過電壓限值要求：電壓限值1 200 V; TT系統(tǒng)保護要求：
b．低壓為TN系統(tǒng)，接地故障保護電器動作時間內(nèi)，PEN (PE)導(dǎo)體對地電位升高限值應(yīng)小于圖4接觸電壓限值；TN系統(tǒng)保護要求：Zs×I a≤U0。
功能接地極與保護接地極的電阻值應(yīng)按工頻過電壓限值和接觸電壓限值、低壓系統(tǒng)接地故障自動切斷電源要求及高壓系統(tǒng)（中性點有效接地或非有效接地）與低壓系統(tǒng)（TN或TT接地型式）組合確定不同值，規(guī)范中不宜規(guī)定為單一值。用戶自行管理的變電站，高壓系統(tǒng)中性點對地關(guān)系、低壓系統(tǒng)接地型式均確定，可按上述要求確定接地極阻值。設(shè)計規(guī)范是
設(shè)計人員遵守的法規(guī)，工程設(shè)計中應(yīng)符合其規(guī)定。以上淺見，只為拋磚引玉，引起廣泛討論，加深對設(shè)計規(guī)范的理解。
