10 / 0. 4 kV 变电站系统接地与保护接地的探讨



        摘要分析10 / 0 . 4 kV 变电站单相接地故障引发的危害， 指出单相接地故障容易造成设备绝缘损坏与电击事故的发生， 介绍减小10 / 0. 4 kV 变电站单相接地故障所引发危害的几点措施。
        关键词        变电站        系统接地        保护接地        单相接地 故障          等电位联结
        10 / 0 . 4 kV 变电站的接地分为电源中性点接地与电气设备外露导电部分接地。前者称为系统接地或功能性接地， 后者称为保护接地。
        系统接地给配电系统提供了一个参考电位；降低了系统对地绝缘的要求； 在高压线路发生接地故障时， 可构成高压线路故障电流通过大地返回高压电源的通路， 使高压侧继电保护可靠动作，将故障切除。
        当低压配电线路发生接地故障时， 保护接地为故障电流返回电源提供了通路， 降低了电气装置的外露导电部分在故障时的对地电压或接触电压， 同时故障电流还能使低压配电线路上的保护电器动作，及时切断电源。
        1 10 kV 系统发生单相接地故障造成危害的原因
        为了提高供电的可靠性， 我国10 kV 供电系统目前还采用电源中性点不接地的运行方式。由于供电电源中性点不接地， 正常运行时三相对地电容电流基本平衡， 三相对地电压为相电压。发生单相接地故障时， 接地相对地电压等于零， 未接地两相对地电压升高为线电压， 接地故障电流等于未接地两相对地电容电流的向量和。
        10 / 0 . 4 kV 变电站变压器与高压开关柜等电气
        设备外露导电部分都需要进行保护接地。接地故障电容电流从故障点经大地由线路流向电源时， 会使保护接地线上的对地电压升高。
        由于10 kV 供电系统电源中性点不接地， 发生单相接地故障时， 系统的接地故障电容电流都要经过接地故障点流向电源。10 / 0 . 4 kV 变电站接地电阻规定为4 Ω， 如果单相接地故障电容电流等于10 A， 保护接地线上的对地电压就升高到40 V； 如果单相接地故障电流大于10 A， 保护接地线上的对地电压就会升高， 若超过安全电压将会威胁到人身安全。由于发生单相接地故障时， 未接地两相对地电压等于线电压， 升高了姨3 倍， 时间过长就会对电气设备的绝缘产生影响， 接地故障电容电流增大还容易引起谐振过电压， 造成更大的危害。
        2 10 / 0 . 4 kV 变电站接地方式与单相接地故障的关系
        10 / 0 . 4 kV 变电站有10 kV 系统与220 / 380 V低压系统。目前我国10 kV 系统为不接地系统， 所以10 kV 侧只有变压器与高压开关柜等电气设备外露导电部分的保护接地。10 / 0. 4 kV 变电站的220 / 380V侧， 接地则包括系统接地与保护接地。
        10 kV 系统的保护接地与220 / 380V 低压系统的保护接地， 是分开接地还是共用接地， 目前设计规范还没有明确的规定。10 kV 系统的保护接地与220 / 380 V 低压系统的保护接地若分开单独设置，10 kV 系统发生单相接地故障时， 只有变压器与高压开关柜等高压电气设备的保护接地线电压会升高，220 / 380V 低压系统的保护接地线上电压不会发生变化。10 kV 系统发生单相接地故障造成的人身安全危害就可限制在变电站内部的小范围内， 不会对变电站以外造成危害， 这在建筑物稠密的大城市里往往是难以实现的。但对电气设备绝缘产生的影响， 以及容易引起谐振过电压的危害仍然存在。
        对于独立的变电站， 10 kV 系统与220 / 380 V 低压系统的保护接地分开设置比较容易做到。对于建筑物内部的10 / 0. 4 kV 变电站， 10 kV 系统与220 / 380 V低压系统的保护接地分开设置就比较困难。如果10 kV 系统的保护接地与220 / 380 V 低压系统的接地共用接地， 发生单相接地故障时， 整个220 / 380 V 低压系统的保护接地线电压就会同时升高， 使危害的范围扩大。特别是同一10 kV 系统的其他单位10 kV 系统发生单相接地故障时， 危害就更大。这点应引起大家的重视。
        3 10 / 0 . 4 kV 变电站接地保护设计与单相接地故障的关系
        10 / 0 . 4 kV 变电站的接地设计与10 kV 系统供电可靠性要求， 以及继电保护设计都有较大关系。《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB50062 - 92） 9 . 0 . 3 条与《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB / T 14285 - 2006） 第4. 13. 3 条都规定： 单相接地电流为10 A 及以上时， 保护装置动作于跳闸； 单相接地电流为10 A 以下时， 保护装置可动作于跳闸或信号。
        单相接地故障电流小于10 A 时， 可以只报警不选择性跳闸， 在有单相接地故障的情况下继续运行一定时间。一旦单相接地故障电流或接地电阻发生变化， 就容易对人身安全造成危害； 而一旦出现过电压， 也会对设备造成更大的危害。

        单相接地故障电流大于10 A 时动作于跳闸，对人身与设备安全造成的危害就可以减小。因此10 / 0 . 4 kV 变电站的接地与继电保护设计方案应合理有效。
        4 减小10 / 0. 4 kV 变电站单相接故障危害的几点措施
        a . 合理减小10 / 0 . 4 kV 变电站电源中性点的接地电阻， 可以在一定程度上减小单相接地故障造成的危害。对于设置在建筑物内部的10 / 0 . 4 kV 变电站， 10 kV 系统与220 / 380V 低压系统共用接地， 接地电阻可以很容易达到1 Ω， 此时发生单相接地故障产生的故障电压就会降低很多。
        b . 合理设计单相接地保护， 提高单相接地保护跳闸的灵敏度及可靠性， 也是减小单相接地故障危害的一项重要措施。这需要根据当地供电部门的要求，以及有关电气设计规范进行单相接地保护设计。
        c . 10 kV 供电系统的规模不断扩大， 发生单相接地故障后故障电流非常大， 必须选择性跳闸， 迅速将故障切除。为了保证单相接地保护跳闸的可靠性，有些地区10 kV 供电系统改为电源中性点经低电阻接地。发生单相接地故障后， 由接地故障点经过大地和电源中性点串联电阻， 与电源形成回路， 单相接地故障电流可以达到数百安以上， 跳闸的可靠性就可以得到保证。
        5 10 / 0. 4 kV 变电站单相接地保护设计
        对于10 / 0 . 4 kV 变配电站， 需要根据当地供电部门的要求进行单相接地保护的设计。供电系统上一级变电站一般都有单相接地保护。10 / 0 . 4 kV 变配电站规模比较小时， 可以不设计单相接地保护， 或只设计Y / Y / 型电压互感器与接地监视装置， 进行单相接地报警。
        10 / 0 . 4 kV 变配电站规模比较大时， 除设计Y / Y / 型电压互感器与接地监视装置， 进行单相接地报警外， 也可以在电源进线处安装零序电流互感器， 采用具有小电流接地选线功能的变电站综合自动化电源进线保护装置， 动作于报警。这样一旦发生单相接地故障， 就可以检测出是否为本变电站发生单相接地故障。出线回路较多时， 也可在各路出线处安装零序电流互感器， 与Y / Y / 型电压互感器相配合，通过小电流接地选线装置， 或采用具有小电流接地选线功能的变电站综合自动化装置， 实现单相接地保护， 动作于报警或有选择性地跳闸。
        对于低电阻接地的10 kV 系统， 10 / 0. 4 kV 变配电站应按供电部门要求设计单相接地保护， 并按最大不平衡负荷电流选择零序电流互感器的变化。安装零序电流互感器有困难时， 可以采用从三相式电流互感器二次侧中性线采集零序电流的零序电流滤过器方案。

        《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》第4. 0. 11、4. 0. 12 条规定， 单相接地保护可利用高压侧三相式过电流保护、安装于低压侧中性线上的零序电流互感器以及安装于低压侧的三相电流互感器三种方式。
        对于利用高压侧三相式过电流保护进行低压侧单相接地保护的10 / 0 . 4 kV 变电站， 当低压侧母干线末端发生单相接地故障， 灵敏系数达不到要求时， 应采用安装于变压器低压侧中性线上的零序电流互感器进行单相接地保护。此时变压器低压侧中性线（PEN） 由变压器低压侧中性点采用绝缘导线引出后，需要先经过零序电流互感器再接到接地母排， 保护接地线（PE） 可直接接到接地母排。
        6 结束语
        10 / 0 . 4 kV 变电站系统接地与保护接地， 关系到人身与电气设备的安全。在10 / 0 . 4 kV 变电站系统接地与保护接地设计中， 出现了许多新问题， 相关设计规范也没有明确的规定， 建议在有关规范修订时能给予解决。