小电阻接地lOkV变电所高压侧接地短路导致的电气危险...

[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IEC 60364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。