關(guān)于供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的幾個(gè)問(wèn)題探討

馬騰躍

【摘要】? 分開(kāi)高壓和低壓兩個(gè)部分對(duì)供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了探討。對(duì)高壓系統(tǒng)不同中性點(diǎn)接地方式的特點(diǎn)、相關(guān)影響因素及設(shè)備選擇的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了分析探討。對(duì)低壓系統(tǒng)，分別對(duì)TN、TT、IT系統(tǒng)的特點(diǎn)、防電擊動(dòng)作特性等相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了深入分析。

【關(guān)鍵詞】? 供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式;單相接地電容電流; TN系統(tǒng)電擊防護(hù)動(dòng)作特性;等電位聯(lián)結(jié)有效性;TT系統(tǒng)電擊防護(hù)動(dòng)作特性;IT系統(tǒng)電擊防護(hù)動(dòng)作特性。

0 引言

研究不同接地方式供配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)加深供配電系統(tǒng)的理解、高壓中性點(diǎn)接地設(shè)備的選擇、低壓系統(tǒng)安全運(yùn)行及人身安全等都具有重要意義。中性點(diǎn)接地看似一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，實(shí)際上牽扯到很多重要內(nèi)容。對(duì)高低壓系統(tǒng)，研究?jī)?nèi)容分別有所側(cè)重。高壓系統(tǒng)主要是考慮電氣設(shè)備的絕緣水平及供電可靠性因素;低壓系統(tǒng)，主要是探討不同接地方式對(duì)人身安全的相關(guān)影響。

1 高壓供配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇

高壓中性點(diǎn)接地方式分為直接接地、不接地、低電阻接地、高電阻接地和諧振接地。不同接地方式最本質(zhì)的區(qū)別在于接地故障電流的大小不同。對(duì)于直接接地系統(tǒng)，接地故障發(fā)生時(shí)，故障電流大，非故障相上的工頻電壓與正常時(shí)一樣。對(duì)于不接地系統(tǒng)，由于單相接地時(shí)沒(méi)有金屬性故障通路，只有非故障相的對(duì)地電容電流，接地故障電流為非故障時(shí)一相接地電流的三倍，因此接地故障電流小，而非故障相的工頻電壓由相電壓變?yōu)榫€電壓。

對(duì)于110kV及以上供配電系統(tǒng)，由于電壓等級(jí)很高，電氣設(shè)備的絕緣水平是比較難達(dá)到的技術(shù)條件，直接接地系統(tǒng)故障時(shí)與其他接地系統(tǒng)相比，非故障相上的工頻電壓低這一特點(diǎn)顯得尤為重要。因此，對(duì)于110kV及以上系統(tǒng)較多采用直接接地方式。

對(duì)于6～66kV供配電系統(tǒng)，非有效接地系統(tǒng)形式的選擇，按GB/T 50064-2014規(guī)定：?jiǎn)蜗嘟拥毓收想娙蓦娏鞑淮笥?0A時(shí)，可采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng);當(dāng)大于10A又需要在接地故障下運(yùn)行時(shí)，宜采用中性點(diǎn)諧振接地方式;當(dāng)單相接地故障電容電流較大（一般大于30A）時(shí)，可采用低電阻接地方式;當(dāng)單相接地電容電流不大于7A時(shí)，可采用高電阻接地方式，故障總電流不大于10A。由以上可知，接地方式選擇和單相接地電容電流直接相關(guān)。只要接地故障電流小于10A，接地故障尚在可接受的范圍內(nèi)，此時(shí)采用不接地系統(tǒng)對(duì)供電連續(xù)性有利;如果單相接地故障電流大于10A時(shí)，又需要連續(xù)運(yùn)行，采用諧振接地可以抵消電容電流，達(dá)到連續(xù)運(yùn)行的目的;而如果單相接地電容大到一定程度，如大于30A時(shí)，就需要接一個(gè)低電阻，將故障電流適當(dāng)擴(kuò)大到100A～1000A，及時(shí)切除故障;如果單相接地故障電流小于7A，采用高電阻接地，提供一個(gè)較大阻抗的故障回路，使故障電流控制在10A以下，相對(duì)于不接地系統(tǒng)，此系統(tǒng)可有效的避免暫時(shí)弧光過(guò)電壓的影響和改善操作過(guò)電壓。

2 高壓中性點(diǎn)接地設(shè)備選擇時(shí)關(guān)于Ic的探討

在6～66kV供配電系統(tǒng)中，對(duì)于不同的接地方式需要選配不同的中性點(diǎn)接地設(shè)備，如接地變壓器、消弧線圈、接地電阻等。對(duì)中性點(diǎn)接地設(shè)備的選擇，需要考慮相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。其中有一個(gè)十分重要的參數(shù)Ic（單相接地故障電容電流），Ic與中性點(diǎn)接地設(shè)備的諸多技術(shù)參數(shù)直接相關(guān)，如接地變的額定容量、消弧線圈的補(bǔ)償容量、高電阻接地的接地電阻值等。

下面對(duì)Ic做一個(gè)相應(yīng)的說(shuō)明。電網(wǎng)中單相接地電容電流由電力線路和電力設(shè)備兩部分組成。電力線路和架空線路的單相接地電容電流可分別按《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版P302頁(yè)的相關(guān)公式求得。在選擇中性點(diǎn)接地設(shè)備時(shí)，需要考慮變電站電力設(shè)備增加的接地電容電流。增加部分可根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版表4.6-10考慮。

在選擇低電阻接地方式時(shí)的電阻值時(shí)，根據(jù)DL/T 5222-2005規(guī)范18.2.6-2式，Rn=Un/（√3Id）。這里的Id與上述Ic有所不同，由于低電阻接地系統(tǒng)，系統(tǒng)的故障回路已經(jīng)形成，故障電流不再是單相接地電容電流，而是由故障回路形成的一個(gè)約幾百安的故障電流。

3 低壓供配電系統(tǒng)接地方式

低壓供配電系統(tǒng)根據(jù)電源及負(fù)荷側(cè)接地方式的不同可以分為TN、TT、IT系統(tǒng)。不同的系統(tǒng)有其相應(yīng)特點(diǎn)及適用場(chǎng)所。對(duì)于工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)中最常采用的TN系統(tǒng)，從電源側(cè)到負(fù)荷側(cè)有專用的PE線貫通，因此，接地故障電流大，動(dòng)作時(shí)限及靈敏性有保證，另一方面PE線也傳導(dǎo)了故障電壓，故TN系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)等電位聯(lián)結(jié)的設(shè)置;對(duì)于TT系統(tǒng)，沒(méi)有貫通的PE線，故障電流不會(huì)像TN系統(tǒng)一樣沿PE線傳導(dǎo)，負(fù)荷側(cè)獨(dú)立接地，阻抗較大，接地故障電流相對(duì)于TN系統(tǒng)較小，一般需要裝設(shè)RCD作為專用的接地故障保護(hù);對(duì)于IT系統(tǒng)，由于電源側(cè)不接地，故在第一次接地故障發(fā)生時(shí)，只有對(duì)地電容電流，對(duì)供電可靠性較高的場(chǎng)所比較適用。關(guān)于低壓供配電系統(tǒng)接地方式的相關(guān)內(nèi)容比較豐富。本文主要從自動(dòng)切斷電源的電擊防護(hù)角度進(jìn)行分析探討。

4 不同接地方式低壓供配電系統(tǒng)防電擊動(dòng)作特性

根據(jù)GB50054-2011規(guī)范5.2.8，TN系統(tǒng)中配電線路的間接接觸防護(hù)電器的動(dòng)作特性，應(yīng)符合Zs·Ia≤U0—式中，Zs為接地故障的回路阻抗;Ia為保證間接接觸保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流;U0為相電壓。由GB50054-2011規(guī)范第6.2.4條可知，為保證短路故障的靈敏性，一般要求短路時(shí)被保護(hù)線路末端的故障電流不小于斷路器瞬時(shí)或短延時(shí)脫扣器整定電流的1.3倍。此條文中1.3Iset3或1.3Iset2即5.2.8條中的動(dòng)作電流Ia，也就是說(shuō)在TN系統(tǒng)中需要滿足Id≥Ia，發(fā)生接地故障時(shí)，Id=U0/Zs≥Ia，即Zs·Ia≤U0。TN系統(tǒng)接地故障時(shí)，故障回路阻抗較小，斷路器的過(guò)電流保護(hù)兼做接地保護(hù)，較容易滿足上式要求，當(dāng)不滿足時(shí)，規(guī)范5.2.13條規(guī)定應(yīng)采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)電器。

TN系統(tǒng)接地故障時(shí)，PE線有電流流過(guò)，在故障回路切除之前，人體可能觸及的接觸電壓有可能超過(guò)安全電壓限值，因此，TN系統(tǒng)特別強(qiáng)調(diào)等電位聯(lián)結(jié)的作用。等電位聯(lián)結(jié)的作用實(shí)質(zhì)和核心是減少人體可能觸電部分之間的預(yù)期接觸電壓。由GB50054-2011規(guī)范5.2.5條和5.2.10條可知，接地故障發(fā)生時(shí)，只要故障回路中，等電位聯(lián)結(jié)點(diǎn)至外露導(dǎo)電部分之間一段PE線上產(chǎn)生的電壓小于安全電壓，就可以保證人身安全。對(duì)于TN系統(tǒng)，相導(dǎo)體與無(wú)等電位聯(lián)結(jié)的地之間發(fā)生接地故障的情況（如TN系統(tǒng)某室外供電線路，由于線路絕緣受損，某相與地之間發(fā)生接地故障）時(shí)，故障回路的阻抗較大，在接地故障尚未切除時(shí)，假設(shè)故障回路相導(dǎo)體及大地之間的阻抗若為RE，系統(tǒng)中性點(diǎn)并聯(lián)的接地總阻抗為RB，則中性點(diǎn)的點(diǎn)位提升至Id·RB，只要保證此電位不大于安全電壓，就可以保證通過(guò)PE線連接的外露可導(dǎo)電設(shè)備外殼上的預(yù)期接觸電壓不大于安全電壓。正因?yàn)榇?，?guī)范5.2.11條對(duì)此種情況下RB的限值做出了要求，因此變電所中性點(diǎn)接地電阻應(yīng)盡可能做的小一些比較有利。

根據(jù)GB50054-2011規(guī)范第5.2.15條，對(duì)于TT系統(tǒng)，配電線路間接接觸防護(hù)電器的動(dòng)作特性，應(yīng)符合RA·Ia≤50V—式中RA為外露可導(dǎo)電部分的接地電阻和保護(hù)導(dǎo)體的電阻之和，Ia含義同TN系統(tǒng)。

TT系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障點(diǎn)不易熔焊，故障回路的阻抗較難確定，因此TT系統(tǒng)的動(dòng)作特性沒(méi)有像TN系統(tǒng)一樣研究整個(gè)回路的阻抗特性。重要的是保障接地故障發(fā)生時(shí)，外露可導(dǎo)電部分至接地點(diǎn)之間含PE線在內(nèi)的一段電壓降不超過(guò)安全電壓限值，故就防電擊而言滿足式5.2.15即可保證人體的安全，RA相對(duì)較大，采用過(guò)電流兼做接地故障較難滿足上述要求，而采用RCD時(shí)，由于Ia足夠小，很容易滿足上式。

根據(jù)GB50054-2011第5.2.19條IT系統(tǒng)發(fā)生第一次接地故障時(shí)，應(yīng)發(fā)出報(bào)警，且故障電流應(yīng)符合RA·Id≤50V—式中Id為相導(dǎo)體和外露可導(dǎo)電部分間第一次接地故障的故障電流，此值應(yīng)計(jì)及泄漏電流和電氣裝置全部接地阻抗值的影響。根據(jù)GB50054-2011規(guī)范5.2.21及5.2.24條，當(dāng)IT系統(tǒng)外露可導(dǎo)電部分共用接地裝置時(shí)，發(fā)生第二次接地故障時(shí)，故障回路的切斷應(yīng)符合TN系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源的要求，當(dāng)系統(tǒng)不配出中性導(dǎo)體時(shí)，保護(hù)電器動(dòng)作特性應(yīng)符合Zc·Ie≤（√3/2）U0，當(dāng)系統(tǒng)配出中性導(dǎo)體時(shí)，保護(hù)電器動(dòng)作特性應(yīng)符合Zd·Ie≤（1/2）U0—式中，Zc為包括相導(dǎo)體和保護(hù)導(dǎo)體的故障回路的阻抗，Zd為包括相導(dǎo)體、中性導(dǎo)體和保護(hù)導(dǎo)體的故障回路的阻抗，Ie為保證保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的電流。當(dāng)IT系統(tǒng)外露可導(dǎo)電部分單獨(dú)或成組接地時(shí)，發(fā)生第二次接地故障時(shí)，故障回路的切斷應(yīng)符合TT系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源的要求。

IT系統(tǒng)第一次接地故障發(fā)生時(shí)，由于接地故障電流僅為對(duì)地電容電流，滿足RA·Id≤50V時(shí)，可繼續(xù)帶故障運(yùn)行，僅用絕緣監(jiān)測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。下面分析一下IT系統(tǒng)在發(fā)生第二次接地故障時(shí)的動(dòng)作特性。如圖一所示，當(dāng)外露可導(dǎo)電部分共用接地極時(shí)，第二次接地故障發(fā)生時(shí)，故障通路經(jīng)PE線金屬性通路返回電源，這也是為何此時(shí)能按TN系統(tǒng)防電擊動(dòng)作特性來(lái)考慮的原因。當(dāng)中性點(diǎn)不配出中性導(dǎo)體時(shí)，需要滿足2·Zc·Ie≤√3U0，由此可見(jiàn)，式中的Zc是一回路的線導(dǎo)體與保護(hù)導(dǎo)體的阻抗，并不是整個(gè)故障回路的。當(dāng)不配出中性導(dǎo)體時(shí)，考慮滿足最不利情況，2·Zc·Ie≤U0，其中Zc為中性導(dǎo)體與PE線的阻抗，也非整個(gè)故障回路的。

當(dāng)外露可導(dǎo)電部分單獨(dú)接地時(shí)，發(fā)生第二次接地故障時(shí)，如圖二所示，并沒(méi)有形成金屬性通路，形成了兩個(gè)TT回路，因此其防電擊動(dòng)作特性應(yīng)分別滿足TT系統(tǒng)的動(dòng)作特性。即需要滿足RA1·Id≤50V，RA2·Id≤50V兩個(gè)式子的要求。

GB50054-2011中動(dòng)作特性只考慮了安全電壓為50V的情況，筆者認(rèn)為這是不夠的，應(yīng)該考慮潮濕環(huán)境25V及水下環(huán)境12V的情況。另外，需要特別說(shuō)明，IT系統(tǒng)在第一次接地故障時(shí)動(dòng)作特性用的是Id，而TT系統(tǒng)為Ia。原因在于：對(duì)于TT系統(tǒng)，一般用RCD做電擊防護(hù)電器，其動(dòng)作電流很小，為30mA，只要保證在切斷前人體安全即可;對(duì)于IT系統(tǒng)，第一次故障時(shí)，并沒(méi)有切斷故障，因此需要滿足故障電流Id實(shí)際流過(guò)的情況下，保證人身安全。

5 小結(jié)

對(duì)于高壓供配電系統(tǒng)而言，不同中性點(diǎn)接地方式的確定與電氣設(shè)備的絕緣水平及供電可靠性等直接相關(guān)。對(duì)非有效接地系統(tǒng)，與接地故障電流值直接相關(guān)。不同中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，需要選用不同的中性點(diǎn)接地設(shè)備，中性點(diǎn)接地設(shè)備選擇時(shí)，確定Ic時(shí)需要考慮變電所設(shè)備的附加值影響。對(duì)于低壓供配電系統(tǒng)，不同接地形式對(duì)防電擊動(dòng)作特性要求不同。TN系統(tǒng)由于接地回路阻抗較小，接地故障電流相對(duì)較大，因此動(dòng)作特性以系統(tǒng)的阻抗參數(shù)為基本特性表達(dá)，同時(shí)考慮到PE線傳導(dǎo)故障電壓的情況，TN系統(tǒng)對(duì)等電位聯(lián)結(jié)有效性提出了相關(guān)要求。TT系統(tǒng)由于接地故障回路阻抗不確定性，其動(dòng)作特性主要考慮用安全電壓來(lái)進(jìn)行限制。IT系統(tǒng)首次接地故障時(shí)，故障電流小，滿足人體安全的前提下可繼續(xù)帶故障運(yùn)行;第二次接地故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)是否共用接地極，分別需要滿足TN及TT系統(tǒng)的動(dòng)作特性。

參考文獻(xiàn)

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