关于B类电气装置接地电阻值的讨论[1]

1关于B类电气装置接地电阻值的讨论信息产业电子第十一设计研究院有限公司杨天义摘要：依据等同采用IEC相关标准的新的国家标准，对原电力行业标准中的B类电气装置（建筑物电气装置）的保护接地电阻值，按照不同的高、低压系统接地形式下的安全性要求，提出了新的建议，并就其确定原则作出了说明。关键词：B类电气装置保护接地电阻故障接触电压工频应力电压电气装置的接地技术是关系到电气装置能否实现其功能性和安全性的基本技术之一，它包括电气装置的接地系统的设置，接地电阻值的确定、接地装置的安装、敷设、运行、检测和维护等诸多方面的技术。原国家标准GBJ65-83《工业与民用电力装置的接地设计规范》颁布至今已逾二十多年，许多内容已落后于二十多年来接地技术的发展，现今供电力部门和设计单位遵循的电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》虽然既包括了对电力部门管理的发电、变电、送电和配电电气装置（简称为A类电气装置）的接地要求，也包括了由用户管理的“建筑物电气装置”（简称为B类电气装置）的接地要求，但仍有部分内容落后于当今科技的飞速发展，国内的一些资深电气专家已对此规范提出了许多很好的建议和意见[1]，中国电工技术学会的“工业与建筑应用专委会”还专门为之举办了专题研讨会[2]。这反映出了电工技术学界对这本基础性的国家标准技术规范的热切期盼，对此，笔者也不揣冒昧，借参与审定修编“工业与民用配电设计手册”之第十四章“接地”的机会，仅就有关建筑物电气装置（B类电气装置）的接地电阻值的问题提出一点不成熟的个人看法来参与讨论，目的旨在对将于2006年修订出版的新的国家标准“交流电气装置的接地”规范能有所裨益。关于建筑物电气装置的接地问题，当前业界昀为关注的是关于接地系统的设置，即是否采用“联合接地系统”（或者称为“共用接地系统”），另一个就是接地电阻的取值问题，对前一个问题，已有许多专家发表了许多很好的意见，本文不拟讨论，仅就后者，即建筑物电气装置的接地电阻值，对不同的高、低压系统接地形式，究竟取多少较为合适，发表一点个人的浅见。IEC60364-4-442：1993标准《低压电气装置对暂时过电压和高压系统与地之间的故障的防护》已等同采用为国家标准GB16895.11-2001，此标准规定了当变电所的高压侧系统发生相线与地之间的故障时，引起的低压侧系统中性点电位的升高从而在低压系统的绝缘上产生的工频应力电压以及电气装置外露可导电部分对地电位的升高所形成的故障接触电压时，对设备绝缘可能遭受的损害和对人员可能遭受间接电击所提供的保护措施。因此，此标准是我们讨论建筑物电气装置的接地电阻值所依据的主要基础性标准之一。在该标准的引言中，一开始就指出“本标准的规定不适用于全部或部分由公用电力公司管辖的系统”，因此，我们在讨论变电所的接地电阻时，就有必要将由电力公司管辖的高压变配电系统与由用户管理的建筑物电气装置（用户端的中、低压配电系统）分开讨论，即如DL/T621-1997标准那样，将适用范围的电气装置分为A类电气装置和B类电气装置分别加以讨论是有必要的，鉴于此，笔者在“配电手册”新版中，配合修编者提出了关于“电气装置保护接地的接地电阻”的确定原则，参见表一。2表一电气装置保护接地的接地电阻高压系统接地方式供电公司管理的发电、变电、配电电气装置（A类电气装置）①用户管理的建筑物电气装置①③（B类电气装置）有效接地(直接接地、低电阻接地)发电厂、变电所电气装置保护接地的接地电阻值应符合：R≤2000/Ik但不应大于5Ω。②当配电变压器位于所供电建筑物外且建筑物电气装置未作总等电位连接时，如变电所保护接地与低压系统中性点接地相连接，则应符合：④R≤1200/Ik但对于TN系统及低压用电设备外露导电部分与变电所保护接地相连的IT系统，故障电压IkR应在规定时间内（见图14-2）切断；对于TT系统及中性点阻抗接地且用电设备外露可导电部分单独接地的IT系统，在低压用户系统绝缘上产生的工频应力电压(Irrupt)应在5s内切断。当配电变压器设于由其供电的建筑物内并已作总等电位联结时,则不存在上述电击和绝缘击穿危险。此时变压器低压侧宜采用TN-S系统,高压电气装置保护接地应与低压系统中性点接地共用接地装置。不接地、消弧线圈接地、高电阻接地（1）高压电气装置保护接地与电力生产用低压电气装置共用接地装置时，接地电阻为：R≤120/Ik但不应大于4Ω。（2）仅用于高压电气装置的接地装置时，接地电阻为：R≤250/Ik但不宜大于10Ω。（1）变电所保护接地与低压系统中性点接地共用接地装置时，变电所保护接地装置的接地电阻应符合：a．配电变压器设于由其供电的建筑外,且所供电建筑物内未作总等电位联结时，对于TN系统，其接地电阻为:R≤50/Ik⑤但建议以不大于2Ω为宜。b．配电变压器设于由其供电的建筑物内,且已作总等电位联结时:a)低压侧应采用TN－S系统此时不存在电击和绝缘击穿危险,就此而言，对接地电阻值可无要求。但宜尽可能采用低的自然接地电阻值（例如4Ω）以抑制地电位升高并满足联合接地系统的其他要求。b)当低压侧为中性点不接地的IT系统，但低压用电设备外露导电部分与变电所保护接地相连接时，接地电阻应符合：R≤250/Ik且在低压系统绝缘上产生的工频应力电压(IkR+Uph)应在设备绝缘水平允许的时间内被切断。（2）变电所保护接地不与低压系统中性点接地共用接地装置时，变电所保护接地装置的接地电阻应符合：⑥R≤250/Ik且在低压系统绝缘上产生的工频应力电压(IkR+Uph)应在设备绝缘水平允许的时间内被切断。注：①表中R为接地电阻（Ω），Ik为计算用的高压系统中流经变电所保护接地装置的接地故障电流（A），Uph为相电压（V）,对220/380V系统Uph=220V,低压系统的接地形式见本章第三节。表中计算用的接地故障电流采用在3接地装置内、外短路时，经接地装置流入地中的最大短路电流对称分量最大值，该电流应按5~10年发展后的系统最大运行方式确定，并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分配，以及避雷线中分走的接地短路电流。对消弧线圈接地系统，计算用的接地故障电流应采用下列数值：对于装有消弧线圈的发电厂、变电所电气装置的接地装置，计算电流等于接在同一接地装置中同一系统各消弧线圈额定电流总和的1.25倍；对于不装消弧线圈的发电厂、变电所电气装置的接地装置，计算电流等于系统中断开最大一台消弧线圈或系统中最长线路被切除时的最大可能残余电流值。②此时还应符合以下要求：a）为防止变电所高压侧发生接地故障时转移电位引起的危害，应采取隔离措施（如对外通信设备加隔离变压器；向外供电的低压线路采用架空线，使其电源中性点接地装置与所内接地装置相距20m以上；通向所外的金属管道采用绝缘段等）。b）考虑短路电流非周期分量的影响，当接地网电位升高时，发电厂、变电所内的3-10kV阀式避雷器不应动作或动作后应能承受被赋与的能量。c）设计接地网时，应验算接触电位差和跨步电位差。当人工接地网局部地带的接触电位差、跨步电位差超过规定值，可采取局部增设水平均压带或垂直接地极，铺设砾石地面或沥青地面的措施。③当与变电所接地装置相连的已接地的合适的有金属护层的高、低压电缆总长度超过1km,或变电所接地装置的接地电阻小于1Ω时,可认为已满足了表内所列条件。(注：IEC60364-4-442新草案中已取消了此条款)④当不能满足表列条件时，应将变电所低压系统中性导体及TT或IT系统低压用电设备外露可导电部分通过一个电气上独立于变电所保护接地的接地装置接地，此时变电所低压侧绝缘上的工频应力电压（IkR+Uph）仍应在其绝缘水平相对应的时间内被切断；TT或IT系统低压用电设备外露可导电部分单独接地的接地电阻应满足其接地故障时的防间接接触电击要求，参见第十五章[7]。⑤还应考虑低压系统相线直接接大地故障在低压系统中性点接地装置上产生的故障电压的危害：对于TN系统，R应满足R≤50RE/（Uph-50）(Ω),即当Uph=220V时，R≤0.29RE，RE为故障点的电阻(Ω)；对于TT系统，为避免爬电引起的电气危险，则应R≤0.31RE；在这两种情况下，都考虑到RE值的不确定性，R值宜尽量小，例如不大于2Ω。⑥对于另行单独接地的低压系统中性导体及低压用电设备外露可导电部分,其接地电阻值要求同注④及注⑤。表中将供电公司管理的发电、变电、配电电气装置（即A类电气装置）与用户管理的建筑物电气装置（即B类电气装置）分别加以对照列出，A类电气装置的保护接地电阻的确定原则，按照现行DL/T621-1997标准规定，本文不对此讨论，只对用户管理的B类电气装置的接地电阻如何确定加以讨论。用户管理的B类电气装置，其“高压”侧的电压一般系指超过交流电压区段Ⅱ上限即相间电压U1000V的电压，在我国通常是指3~35KV“中压”配电电压，其低压侧电压为1000V4以下的低压配电电压。而个别用户管理的66kV，110kV，甚至220kV的用户总降压变电所，因其主变压器二次侧电压一般不为1000V以下的低压配电电压，而多为6~35kV的“中压”配电电压，因此不适用于标准IEC60364-4-442：1993/GB16895.11-2001所适用的范围，因此66kV及以上的用户总降压变电所，其保护接地电阻值可按A类电气装置的规定确定。B类电气装置的“高压侧（HV）”系统的接地方式，与A类电气装置一样仍分为有效接地（直接接地或低电阻接地）及非有效接地（不接地、消弧线圈接地、高电阻接地）两类。我国的10~35kV配电系统，其系统接地方式一般均为低电阻接地或不接地/消弧线圈接地方式。高压有效接地（低电阻接地）系统其接地故障电流较大（数百安至1000安左右），发生接地故障后要求保护装置迅速切除故障；而非有效接地系统（不接地、消弧线圈接地）的接地故障电流较小，仅表现为不接地系统的电容电流或消弧线圈补偿后的故障残余电流，一般不超过10~30安[3]，发生接地故障后可不立即跳闸，允许带故障运行约两小时，在此期间可寻找故障点并将其切除。因此，两种高压系统接地方式其接地故障时所引起的地电位升高及故障切除时间是大不一样的，因此IEC60364-4-442标准中将这两种高压接地系统之接地要求分开来规定。与两种高压系统接地方式相对应，B类电气装置的低压系统接地形式又分为TN、TT及IT系统三大类[4]；而TN系统又按照中性线（N）和保护线（PE）是否分开或合用而分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统；IT系统则按照中性点是否经阻抗接地以及是否与变电所外露可导电部分（保护接地）相连接或是否引出PE线与低压用电设备的外露可导电部分相连接等各种不同的形式，当变电所高压侧对地故障时，对于上述各种类型的低压系统接地形式，在变电所低压侧的故障接触电压及出现在低压系统变电所端和/或用电设备端相线对地绝缘上的工频应力电压及持续时间的表现是不一样的，并且上述故障接触电压是否会引起间接电击事故又与变电所及建筑物内是否实施了总等电位联结有关。此外，变电所的保护接地是否与低压侧系统中性点接地共用接地装置，也会影响高压侧对地故障电压向低压侧的传导。还要考虑到配电变压器是否位于所供电的建筑物内，会对低压系统的接地形式的选择有所影响，比如当配电变压器（以下简称“配变”）位于所供电的建筑物内且实施了总等电位联结时，TT系统就不适用，此时就只能采用TN或IT系统[1]（在我国绝大多数场合下是采用TN系统，特别是用电安全性相对较高的TN-S系统）。因此，面对两类不同的高压系统接地方式，B类电气装置的低压侧系统接地及其与变电所或用电设备的保护接地之间的关系，就要考虑上述各种不同情况下对接地装置及接地电阻的不同要求，按照上述各种不同接地形式及不同条件分类排列组合起来的形式就十分复杂。笔者在制定表一的B类电气装置的保护接地电阻值的要求时，就反复研讨IEC60364-4-442标准以及相关的建筑物电气装置电击防护的有关标准（如IEC60364-4-41/GB14821.1，IEC60364-4-41/GB16895.21