配电网接地故障特性和人身安全风险评估

配电网接地故障特性和人身安全风险评估

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，配电网建设越来越多。配电网发

生断线接地故障时由于接地电流较大危及人身安全，考虑落地点电阻率、人体电

阻等空间影响因素随机性和保护动作时间随机性，建立配电网发生断线接地故障

时人体耐受和实际产生跨步电压的概率模型，分析了在不同影响因素之下的人身

伤害概率和人体安全距离。

关键词：接地故障；跨步电压；随机性；人身安全距离

引言

为了保证人身安全，在我国配电网的规划与运行中，需要对人身安全约束加

以重视。最常见和最多分析的配电网接地故障是配电网单相接地故障，但是在实

际运行中，断线加接地故障也是一种常见的接地故障类型，跨步电压不仅受到接

地电流的影响，也受到人体电阻率、地面电阻率等因素的影响，目前国内相关的

研究并没有综合这些因素以及它们的随机性对人身安全进行探讨。

1关于接地故障的认定与保护正确动作率

业界普遍认为：低阻接地系统接地保护动作可靠，而小电流接地故障选线装

置动作正确率比较低。这一方面是因为过去采用的选线原理有缺陷，以及装置的

制造质量与安装维护存在问题，而另外一个重要因素，则是不同接地系统中对接

地故障认定标准不同。低阻接地系统中，调度人员主要依据保护是否动作来认定

接地故障。中国低阻接地系统通常采用定时限零序过电流保护，动作定值一般不

低于40Ａ。当系统发生导线坠地、碰树等原因引起的高阻接地故障时，保护将拒动。例如，中国南方某城市的低阻接地系统，曾发生导线坠入鱼塘把水加热致鱼

死亡的事故，调度人员接到电话投诉后才知道。因此，人们在统计保护的正确动

作率时，一般不将保护拒动的高阻接地故障考虑在内，所以会得到正确动作率高

的结果。低阻接地系统与小电流接地系统的接地故障认定标准有很大的差距。低

阻接地系统中，只统计保护能够动作的低阻接地故障，保护正确率显然偏高。如

果按照统一的标准进行故障认定，低阻接地系统保护的正确动作率可能会低于小

电流接地选线装置。

2配电网接地故障安全风险概率

2.1人体受伤概率

人体耐受的跨步电压为式（1）所示，当接地电流持续时间t足够长时利用人

体安全电压可得到人体耐受的跨步电压为式（2），实际产生的跨步电压为式（3）所示。由于落地点电阻率、人体电阻等影响因素均非定值，并且满足一定的概率

分布，则可求得在不同情况下人体耐受电压与产生的跨步电压的概率分布。

（1）

（2）

（3）

式中：t为接地电流持续时间（s）；Ub为人体可以接受的安全电压（V），

正常情况下和潮湿环境中分别为50V和12V；Rb为人体电阻（Ω）；ρ为落地点

电阻率（Ω•m）；I为接地电流（A）；r和d分别为距接地点距离和人体跨步距

离（m）。当实际运行中产生的跨步电压大于此时人体可耐受的跨步电压时，跨

步电压会直接对人体造成伤害或者将人击倒，击倒后电流可能流过心脏从而造成

致命伤害。根据概率论知识可得，人体受到跨步电压伤害的概率为式（3）。

2.2人身安全距离

由于距接地点距离r越远时人体受到伤害的概率越小，当P概率接近0的时r 则为配电网断线加接地故障的人体安全距离。不考虑配电网动作时间时由于接地

电流长时间流入落地点，耐受的跨步电压服从式（1），令（1）中的X=Rb；Y=ρ；Z=X/Y；由概率论知识可得Z的概率分布函数表达式为（4），则人体耐受的跨步

电压概率密度函数为式（5），实际产生的人体跨步电压概率密度表达式为（6）。本节在不考虑配电网保护动作的情况下对不同空间特性情况下的人体安全距离进

行分析。

（4）

（5）

（6）

配电网发生断线接地故障时，若保护动作，则人体可耐受的跨步电压如式（1）所示与保护动作时间有关，根据概率论知识可得人体耐受跨步电压的概率密度分

布函数为式，积分可得概率分布函数；实际产生的跨步电压概率分布函数如式（7）所示。

（7）

3降低发生故障概率

在除了雷雨季节之外天气比较好的情况下最经常导致单相接地故障和断线接

地故障的原因有外力因素、线路表面的污闪、动物导致的跳闸几种情况，为了避

免这几种情况的发生而导致的接地故障，可以通过对配电网线路周围可能造成故

障的外力因素进行排查;通过对当地动物的行为模式的研究，制定防止动物尤其是

鸟类接触配电线路的措施;同时降低线路发生污闪的概率。线路表面的绝缘子的老

化是线路发生污闪事故的主要原因，当绝缘能力变差后，污闪事故发生的概率会

大大增加。在配电线路绝缘子经过积累污垢、变得潮湿、产生局部电流直到发生

污闪是发生污闪事故必须要经历的阶段。则通过减少这些必要阶段发生的概率，

可以运用以下的措施:(1)降低线路的泄露比距。(2)定期对绝缘子进行清理，理，

去除绝缘子表面的污垢，(3)定期对绝缘子的绝缘性育电力工作人员需要定期的对

绝缘子的表面进行清降低发生污闪事故的可能性。昌进行测量，当绝缘子绝缘性

不够时对其进行更换。而在配电网中性点接地方式的确定方面，中性点经小电阻

接地方式不适合运用在有多条出线的变电站内，因为过渡性的接地故障经常会发

生在线路上，所以人身伤害事故发生的概率也会增加，特别是当保护的整定数值

并不准确的时候。相反的，电缆线路出线较多的变电站内适合运用中性点经小电

阻接地方式。同时，对于电缆线路，不仅需要运用高质量的电缆线路，减小因为

负荷电流过大而可能对电缆线路造成的损害，需要安排检修人员定期对于此类型

线路的巡检，以免雷电、外力、动物啃咬等因素损害电缆线路，检修人员可以运

用直流叠加、直流分量等方法对电缆线路进行巡检，并及时处理出现故障的电缆

线路，保证人身安全。

4暂态接地保护技术及其应用

小电流接地故障产生的暂态电流幅值远大于稳态值，且不受消弧线圈补偿影响，选线灵敏度与可靠性高。早期首半波法，受原理与当时技术手段限制，实际

效果不理想。进入21世纪，随着高速数据采集与处理技术的应用，开发出暂态

接地选线装置，达到了实用化水平。暂态选线方法主要包括暂态电流群体比较与

暂态（无功功率）方向两种。暂态电流群体比较选线的依据是：故障线路暂态零

序电流幅值最大，流向与健全线路相反。选线装置比较变电站各出线的暂态零序

电流，将暂态电流幅值最大、极性与其他线路相反的线路选为故障线路；在所有