高压接地故障时低压系统的过电压分析

高压接地故障时低压系统的过电压分析
岳宁; 于公祥
【期刊名称】《《现代建筑电气》》
【年(卷),期】2019(010)006
【总页数】5页(P11-15)
【关键词】保护接地; 工频应力电压; 工频故障电压; 高压接地故障
【作者】岳宁; 于公祥
【作者单位】山东省医药工业设计院山东济南250013
【正文语种】中文
【中图分类】TU856
0 引言
针对高压接地故障时低压系统的过电压,在国家标准GB/T 16895.10—2010《低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》[1]表44.A1中列出相关情况下的工频应力电压和工频故障电压(引自IEC 60364-4-44中表44.A1),但规范中未对数据来由进行说明及分析,故电气设计人员在实际应用中遇到与表中情况不符时,不知如何分析解决。

因此,本文对表44.A1数据进行了分析、推导。

1 工频应力电压和工频故障电压
国家标准GB/T 16895.10—2010《低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》表44.A1列出相关情况下的工频应力电压和工频故障电压,如表
1所示。

表1中,IE为流过变电所接地配置的高压系统部分接地故障电流;RE为变电所接地配置的接地电阻;RA为低压配置中的设备外露可导电部分接地配置接地电阻;RB为当变电所的接地配置与低压系统中性点接地配置在电气上相互独立时低压系统中性点接地配置的电阻;U0为TN和TT系统内线导体对地标称交流方均根电压,在IT系统内为线导体与中性导体或专用的中间导体之间标称交流电压;Ih为高压故障和低压装置第一次故障时,流过低压装置的设备外露可导电部分接地配置的故障电流;Z 为低压系统与接地配置之间的阻抗;Id为低压系统第一次故障时流过低压装置外露可导电部分接地配置的故障电流;Uf为低压系统在故障持续期内外露可导电部分与地之间出现的工频故障电压;U1为故障持续期内线导体与变电所低压设备外露可导电部分之间的工频应力电压;U2为故障持续期内线导体与低压装置的低压设备外露可导电部分之间的工频应力电压。

需要注意的是,工频应力电压(U1、U2)是连接在低压设备的绝缘和低压系统的电涌保护器上两端呈现的电压。

表1 低压系统内的工频应力电压和工频故障电压系统接地类型对地连接类型
U1U2UfTTRE与RB连接U∗0REIE+U00∗RE与RB分隔REIE+U0U∗00∗TNRE 与RB连接U∗0U∗0REIE∗∗RE与RB分隔REIE+U0U∗00∗ITRE与Z连接RE与RA分隔RE与Z连接RE与RA互连RE与Z分隔RE与RA分隔
U∗0REIE+U00∗3U03U0+IERERAIhU∗0U∗0REIE3U03U0REIEREIE+U0U∗00∗R EIE+3U03U0RAId
注*不需考虑;**见442.2.1第2段;■装置内有接地故障
1:表1仅涉及有中性点的IT系统,无中性点的IT系统,公式宜相应地修正。

2:低压系统接地不同类型(TN,TT,IT)详见GB/T 16895.1。

3:对U1和U2要求源于低压设备耐暂时工频过电压的绝缘设计标准。

4:在中性点与变电所接地配置连接的系统内,此暂时工频过电压也出现在建筑外的外壳不接地的设备绝缘上。

5:在TT和TN系统中,“连接”和“分隔”系指RE与RB之间是否连接;对于IT系统,系指RE与Z之间和RE与RB之间是否连接。

2 系统接地和保护接地
系统接地和保护接地示意图如图1所示。

图1 系统接地和保护接地示意图
(1) 系统接地也称工作接地,是指电源端带电导体的一点[通常是电源处自电源星形结点(中性点)引出线上的一点]的接地设置[2]。

系统接地给配电系统提供一个参考电位,并使配电系统正常、安全地运行,可为线路上感应的雷电涌流提供入地通路,也可在同杆高压线坠落在低压线上时提供故障电流返回高压电源的通路,使高压侧继电保护检测出这一故障电流而动作,从而消除危险。

当低压配电线路发生接地故障时,系统接地也提供故障电流经大地返回电源的通路,使低压线路上的防护电器动作[3]。

其既具有功能性的作用,也具保护性的作用。

(2) 保护接地是指电气装置内外露导电部分(例如电气设备的金属外壳)的接地设置[2]。

保护接地降低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[1],在发生诸如设备相线碰外壳接地故障时使故障电流有返回低压电源的通路,降低人体接触故障设备外壳的接触电压,并使线路上的保护电器(如断路器、熔断器、剩余电流动作保护器等)迅速动作,从而避免接触故障设备的人因电击而发生伤亡事故[3]。

其具有保护性的作用。

掌握了系统接地和保护接地的概念及作用,有助于在下面的分析中对两种接地装置进行区分和运用。

3 TT系统
TT系统中RE与RB连接示意图如图2所示。

图2中,IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;RE与RB连接,b、c处电压由U0升高为U0+IERE[4]。

TT系统内用户电气设备的保护接地为单独接地,与电源侧的系统接地在电气上无任何联系[5],因此电源侧出现的故障电压不可能传导至用户设备外壳上,故d、e处低压电气装置无故障电流,电压为0。

综上,可知:
TT系统中RE与RB分隔示意图如图3所示。

图3 TT系统中RE与RB分隔示意图
图3中,IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;RE与RB分隔,b、c处电压不受其影响,为正常电压U0;N线无故障电流经过,故不传递电压,故d、e处低压电气装置无故障电流,电压为0。

需要特别说明的是,U1应按最不利情况下取Ua和Ub的向量和。

综上,可知:
4 TN系统
TN系统中RE与RB连接示意图如图4所示。

图4 TN系统中RE与RB连接示意图
图4中,IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;由于RE与RB连接,b、c 处电压由U0升高为U0+IERE。

TN系统中故障电流通过PEN线将故障电压传递至低压电气装置,故d、e处电压为IERE。

综上,可知:
TN系统中RE与RB分隔示意图如图5所示。

图5中,IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;由于RE与RB分隔,b、c 处电压不受其影响,为正常电压U0;因PEN线无故障电流经过,故不传递电压,故d、e处低压电气装置无故障电流,电压为0。

需要特别说明的是,U1应按最不利情况下取Ua和Ub的向量和。

综上,可知:
5 IT系统
(1) RE与Z连接,RE与RA分隔,装置内无故障,如图6所示。

IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;RE与Z连接,b、c处电压由U0升高为U0+IERE;RE 与RA分隔,故障电流无法传递至低压电气装置,故d、e处电压为0。

图6 IT系统中RE与Z连接,RE与RA分隔,装置内无故障
综上,可知:
(2) RE与Z连接,RE与RA分隔,装置内有故障,如图7所示。

IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;而由于低压装置内有故障,b、c处电压由U0升高为与Z连接,b、c处电压由升高为由于低压装置内有故障电流Ih,则d、e处电压为RAIh。

需要特别说明的是:Ih为高压故障和低压装置第一次故障时,流过低压装置的设备外露可导电部分接地配置的故障电流,在IT系统中发生第一次接地故障时由于不具备故障电流返回电源的通路,其故障电流仅为两非故障相对地电容电流的相量和,其值甚小[6]。

因此,在计算U2时,其值可忽略不计。

图7 IT系统中RE与Z连接,RE与RA分隔,装置内有故障
综上,可知:
(3) RE与Z连接,RE与RA互连,装置内无故障,如图8所示。

IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;RE与Z连接,b、c处电压由U0升高为U0+IERE;RE 与RA互连,故障电流传递至低压电气装置,故d、e处电压为IERE。

图8 IT系统中RE与Z连接,RE与RA互连,装置内无故障
综上,可知:
(4) RE与Z连接,RE与RA互连,装置内有故障,如图9所示。

IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;低压装置内有故障,b、c处电压由U0升高为而RE与Z连接,则b、c处电压由升高为与RA互连,故障电流传递至低压电气装置,则d、e 处电压为IERE。

图9 IT系统中RE与Z连接,RE与RA互连,装置内有故障
综上,可知:
(5) RE与Z分隔,RE与RA分隔,装置内无故障,如图10所示。

IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;RE与Z分隔,b、c处电压不受其影响,为正常电压
U0;RE与RA分隔,故障电流无法传递至低压电气装置,故d、e处电压为0。

图10 IT系统中RE与Z分隔,RE与RA分隔,装置内无故障
需要特别说明的是,U1应按最不利情况下取Ua和Ub的向量和。

综上,可知:
(6) RE与Z分隔,RE与RA分隔,装置内有故障,如图11所示。

IE流过接地电阻RE,变电所a处电压升高为IERE;低压装置内有故障,b、c处电压由U0升高为低压装置内有故障电流Id,则d、e处电压为RAId。

需要特别说明的是,Id为低压系统第一次故障时,流过低压装置外露可导电部分接地配置的故障电流,在IT系统中发生第
一次接地故障时由于不具备故障电流返回电源的通路,其故障电流仅为两非故障相对地电容电流的相量和,其值甚小。

因此,在计算U2时,其值可忽略不计。

综上,可知:
图11 IT系统中RE与Z分隔,RE与RA分隔,装置有故障
6 结语
综上所述,本文对国家标准GB/T 16895.10—2010《低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》表44.A1中的相关数值进行分析。

如果在工程设计中遇到此表以外的类型,皆可按类似分析进行定量。

参考文献
【相关文献】
[1] 低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护:GB 16895.10—2010[S].
[2] 王厚余.建筑物电气装置600问[M].北京:中国电力出版社,2013.
[3] 王厚余.浅论建筑物电气装置的接地、等电位联结和共用接地[J].电气应用,2005,24(2):1-2.
[4] 王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].北京:中国电力出版社,2007.
[5] 王厚余.对B类电气装置接地问题的商榷[J].电网技术,2001,25(9):5-7.
[6] 王厚余.低压电气装置同时出现两个故障及其防护措施[J].建筑电气,2001,30(8):3-6.。