1、前言
低壓配電系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地是建筑電氣行業(yè)較為熟悉的一個(gè)內(nèi)容。其既要承擔(dān)中壓系統(tǒng)系統(tǒng)接地功能，也要承擔(dān)保護(hù)接地功能，因此是建筑電氣設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。同時(shí)，低壓配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式與中壓、高壓電力系統(tǒng)不同，在正常情況下，它往往不是獨(dú)立存在和工作的，而是與中壓、低壓系統(tǒng)的安全保護(hù)接地聯(lián)系在一起共同構(gòu)成不同型式。因此有研究低壓配電系統(tǒng)的接地有必要結(jié)合中壓系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式來進(jìn)行研究。
本文就以下內(nèi)容進(jìn)行了討論：中壓側(cè)接地方式選擇、中壓側(cè)接地對(duì)低壓側(cè)接地的影響。
2、中壓電網(wǎng)接地方式的選擇
國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》q/gdw 156-2006規(guī)定，城網(wǎng)高壓配電電壓為35kv 、63 kv 、110 kv，中壓配電電壓為10kv、20kv（可擴(kuò)展至35kv），低壓配電電壓為380/220v。就民用建筑供配電系統(tǒng)而言，大量使用的是中壓10kv（目前國內(nèi)部分城市在推行20kv配電網(wǎng)）和低壓380/220v，因此本文中壓電網(wǎng)主要針對(duì)10kv電壓等級(jí)進(jìn)行討論。
電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式基本上可以劃分為兩大類：凡是需要斷路器遮斷單相接地故障的，屬于大電流接地方式；凡是單相接地電弧能夠瞬間自行熄滅的，屬于小電流接地方式【1】。具體到10kv電力系統(tǒng)而言，通常有中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)諧振（經(jīng)消弧線圈）接地和中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地三種方式。目前，電力系統(tǒng)內(nèi)對(duì)10kv城網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式也存在一些爭(zhēng)議，主要表現(xiàn)在中性點(diǎn)諧振接地和經(jīng)低電阻接地兩種方式上。
2.1 影響10kv電網(wǎng)接地方式的因素
影響城市10kv電網(wǎng)接地型式的因素很多，需要綜合考慮，詳細(xì)論證。具體而言，10kv電網(wǎng)應(yīng)具有較好的運(yùn)行特性，即：供電可靠性高、人身安全性好、設(shè)備安全性好、維修工作量小、電磁兼容性好和綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理等。
2.1.1 供電可靠性
根據(jù)《中國電力報(bào)》報(bào)道，2006年全國10kv電網(wǎng)的供電可靠率為99.849%，用戶平均年停電時(shí)間為13.23h。而1995年日本、法國、英國、美國的全國供電可靠率分別為99.998%、99.982%、99.985%、99.990%，對(duì)應(yīng)的年停電時(shí)間為10.5min、94.6min、78.8min、52.6min。同時(shí)應(yīng)注意，國際上進(jìn)行可靠率統(tǒng)計(jì)時(shí)的用戶是真正的每一個(gè)低壓用戶；而我國目前的統(tǒng)計(jì)方法是以一個(gè)10kv（或大于10kv）配電變壓器作為一個(gè)用戶的。可見，和發(fā)達(dá)國家比，我國的供電可靠率還有很大的差距。
電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，單相接地故障大多數(shù)是瞬間性的，特別是架空線路電網(wǎng)，小電流接地系統(tǒng)，通常無需繼電保護(hù)和斷路器動(dòng)作，在系統(tǒng)和用戶幾乎無感覺的情況下，接地電弧便可瞬間自動(dòng)熄滅，系統(tǒng)可以保持連續(xù)供電。而對(duì)于極少數(shù)的永久單相接地故障，可以允許電網(wǎng)在一定時(shí)間內(nèi)帶故障運(yùn)行。
低電阻接地方式與配電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地不同，不論單相接地故障是瞬間，還是永久性的，都必須自動(dòng)切除故障線路。因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采取全容量備用的原則，以及備用電源自動(dòng)投入和環(huán)網(wǎng)自動(dòng)化等措施，從而提高供電可靠性。而采用全容量備用需要增加大量投資，從經(jīng)濟(jì)角度考慮還有困難。
2.1.2 人身安全
人身安全，對(duì)建筑電氣設(shè)計(jì)的重要性不言而喻，它同樣是中壓電網(wǎng)接地方式選擇必須考慮的一個(gè)重要問題。
一種常見的觀點(diǎn)是：當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，低電阻接地方式瞬間跳開故障線路，可減少人身觸電傷亡事故。但是，這種觀點(diǎn)值得商榷。故障條件下的人身安全取決于流過人體的時(shí)間-電流特性，也即取決于接觸電壓和跨步電壓與切斷時(shí)間的特性。當(dāng)?shù)碗娮杞拥氐闹袎弘娋W(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在斷路器跳閘前，由于接地故障電流增大，故障點(diǎn)和中性點(diǎn)附近形成了危險(xiǎn)的接觸電壓和跨步電壓，即使瞬時(shí)跳開，但卻不能從根本上解決問題。同時(shí)，在低電阻接地系統(tǒng)同樣會(huì)出現(xiàn)高阻接地故障，若不能瞬時(shí)跳閘，則危險(xiǎn)更大，相關(guān)的試驗(yàn)可以參見文。隨著中壓配電網(wǎng)架空絕緣導(dǎo)線的推廣，這個(gè)問題將更加突出。
為使零序過電流保護(hù)可靠的動(dòng)作，中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的配電網(wǎng)，往往需要增大單相接地電流，大接地電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高溫電弧，其持續(xù)時(shí)間雖短，可是出現(xiàn)的頻率很高，必然對(duì)人構(gòu)成更大的威脅。此外，高溫電弧也容易引起火災(zāi)。
采用諧振接地方式時(shí)，接地故障電流可降至10a以下，對(duì)人身安全的保障和限制接地電弧都更為有利。
2.1.3 通信干擾與電磁兼容
電力網(wǎng)在正常運(yùn)行和故障的情況下，因電磁耦合、靜電耦合、地中電流傳導(dǎo)和高頻電磁輻射四種原因，可能對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾作用。對(duì)于中壓電網(wǎng)，主要是前三種情況。理論和實(shí)踐結(jié)果表明，限制單相接地故障電流是防止通信干擾的有效措施。諧振接地電網(wǎng)單相接地故障電流小，對(duì)通信與電磁干擾小。
2.1.4 絕緣水平
關(guān)于絕緣水平，一種觀點(diǎn)認(rèn)為：中壓電網(wǎng)采用小電阻接地方式時(shí)，可以快速切除接地故障，過電壓水平低，能消除諧振過電壓，因此可采用絕緣水平較低的電纜和電氣設(shè)備。而實(shí)際上，研究與實(shí)踐證明，降低絕緣水平的經(jīng)濟(jì)效益，從110kv電壓等級(jí)開始較明顯，對(duì)于10kv電網(wǎng)則相差無幾。
我國10kv手車式開關(guān)柜的額定工頻耐受電壓為42kv，高于iec標(biāo)準(zhǔn)，本文不在此展開。本文主要討論10kv電纜的絕緣水平。
國標(biāo)《額定電壓１kv到35 kv擠包絕緣電力電纜及附件》gb/t 12706中參照iec標(biāo)準(zhǔn)中的三類電纜并合并為兩類絕緣水平的電纜。其中10kv電纜的規(guī)定見表1。
新建工程中采用a類電纜確實(shí)可以減少一次投資。但是在相等的供電可靠性前提下，若為降低絕緣水平而采用低電阻接地方式、以節(jié)省一次投資時(shí)，必須考慮電網(wǎng)因備用容量而增加的投資，否則應(yīng)考慮停電對(duì)用戶造成的經(jīng)濟(jì)損失以及對(duì)社會(huì)效益的影響。
同時(shí)，根據(jù)《額定電壓１kv到35 kv擠包絕緣電力電纜及附件》gb/t 12706中的規(guī)定，10kv電纜的絕緣標(biāo)稱厚度見表2：
對(duì)于中壓電力電纜而言，銅、鋁等金屬材料才是電纜成本的主要部分。對(duì)于10kv電纜，其不同類別絕緣厚度相差為1.1mm，通過減少絕緣材料來節(jié)省投資，其效果有限。
2.2 不同接地方式下中壓電網(wǎng)的運(yùn)行特性
根據(jù)不同接地方式，其中壓電網(wǎng)的運(yùn)行特性也各不相同，具體見表3。
本章從幾個(gè)方面探討了影響10kv電網(wǎng)接地方式的因素，主要包括：從供電連續(xù)性上看不接地和經(jīng)消弧線圈接地優(yōu)于經(jīng)低電阻接地；從人身安全看經(jīng)消弧線圈接地優(yōu)于經(jīng)低電阻接地；從通信與電磁干擾看，諧振接地方式由于經(jīng)低電阻接地方式；從絕緣水平看，經(jīng)低電阻接地的10kv電網(wǎng)可采用u0較低的a類b類電纜，但是從實(shí)際應(yīng)用分析，10kv電網(wǎng)宜采用u0較高的c類電纜。
城市中壓電網(wǎng)究竟采用何種接地方式，除了結(jié)合本地實(shí)際情況外，還需要從可靠性、人身安全等多方面綜合考慮，而起決定作用的往往是經(jīng)濟(jì)因素。
3、中壓電網(wǎng)對(duì)低壓配電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的影響
3.1 低壓配電系統(tǒng)的接地方式
根據(jù)gb/t 16895.1-2008（等同iec 60364-1:2005）的規(guī)定，低壓配電系統(tǒng)的接地型式包括tn、tt、it系統(tǒng)。其符號(hào)的第一個(gè)字母表示電源系統(tǒng)對(duì)地的關(guān)系，第二個(gè)字母表示裝置的外露可導(dǎo)電部分對(duì)地的關(guān)系。其中tn系統(tǒng)又可分為tn-s、tn-c-s、tn-c系統(tǒng)；tn-s和tt系統(tǒng)均包括配出中性導(dǎo)體和不配出中性導(dǎo)體的情況。
對(duì)于圖1所示的tn-c-s多電源系統(tǒng)，gb/t 16895.1-2008進(jìn)行了補(bǔ)充說明，具體內(nèi)容包括：a）不應(yīng)在變壓器的中性點(diǎn)直接對(duì)地連接；b）變壓器的中性點(diǎn)之間相互連接的導(dǎo)體應(yīng)是絕緣的；不能將其與用電設(shè)備連接；c）多電源中性點(diǎn)互聯(lián)的導(dǎo)體與pe導(dǎo)體之間應(yīng)只連接一次，并且這一連接應(yīng)設(shè)置在總配電屏內(nèi)；d）裝置的pe導(dǎo)體可另增設(shè)接地。
關(guān)于本圖，筆者理解如下：1、稱其為tn-c-s是以電源變壓器（或發(fā)電機(jī)）作為電源側(cè)而劃分的，若以總配電屏作為電源側(cè)（多電源中性點(diǎn)間連接導(dǎo)體pen不允許與用電設(shè)備連接），則可稱其為tn-s系統(tǒng)；2、變壓器的中性點(diǎn)不直接接地是防止電氣裝置單相接地故障時(shí)，故障電流不通過單一回路返回變壓器中性點(diǎn)，其第c點(diǎn)補(bǔ)充說明亦是此意。
3.2 中壓電網(wǎng)接地方式對(duì)低壓配電系統(tǒng)的影響
首先闡明一個(gè)概念，即中壓電網(wǎng)（10kv）的接地和低壓系統(tǒng)的接地往往不是指同一個(gè)地。10kv配電變壓器（10/0.4/0.23kv）和其上級(jí)的電源變電所通常不在一個(gè)建筑物內(nèi)，并且相距甚遠(yuǎn)，因此10kv配電變壓器高壓側(cè)的接地故障電流通常是通過大地返回電源側(cè)（10kv小電流接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，接地故障電流不算是通過大地返回電源側(cè)）。而10kv配電變壓器和由其供電的低壓電氣裝置多數(shù)是位于同一建筑物內(nèi)，因此低壓電氣裝置的接地故障電流往往不是通過大地返回變壓器的低壓側(cè)。這也就決定了中壓側(cè)的接地方式和低壓側(cè)的接地方式顯著不同。
3.2.1 10kv電網(wǎng)的運(yùn)行方式及其故障電壓
10kv的配電變壓器既是中壓電網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)，又是低壓系統(tǒng)的電源側(cè)。在大多數(shù)情況下，10kv變壓器外殼的保護(hù)接地與低壓配電系統(tǒng)中性點(diǎn)的功能接地共用的是一個(gè)接地網(wǎng)。在發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于中壓電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的不同，流入該接地網(wǎng)的接地故障電流會(huì)有顯著區(qū)別，地網(wǎng)電位升高也大不相同。
根據(jù)《城市電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》q/gdw 156-2006的規(guī)定，10kv城網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式主要包括不接地、經(jīng)消弧線圈接地或經(jīng)低電阻接地。各種接地方式對(duì)應(yīng)的接地故障電流和運(yùn)行方式可以用表4進(jìn)行概括：
可見，對(duì)于中性點(diǎn)采用小電流接地方式的10kv電網(wǎng)，當(dāng)運(yùn)行中發(fā)生單相接地故障時(shí)，因?yàn)榻拥毓收想娏鱥d≤10a，即使配電變壓器接地網(wǎng)的接地電阻rd取上限值4ω，地網(wǎng)電位升高的最大值也不會(huì)超過40v，上述電壓無疑對(duì)保障人身安全有利。而對(duì)于中性點(diǎn)采用經(jīng)低電阻接地的10kv電網(wǎng)，由于接地故障電流id≥150a，即使取地電阻rd=1ω，則地網(wǎng)電位的升高依舊可達(dá)150v，容易造成人身電擊傷害。而且實(shí)際上供電部門出于保證繼電保護(hù)動(dòng)作可靠等原因，10kv電網(wǎng)經(jīng)低電阻接地時(shí)的接地故障電流往往超過150a，故障時(shí)的地網(wǎng)電位會(huì)更高。
3.2.2 中壓系統(tǒng)接地故障時(shí)低壓電氣裝置的暫時(shí)過電壓
向低壓系統(tǒng)供電的用戶變電所，其中壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，低壓電氣裝置產(chǎn)生的暫時(shí)過電壓可能對(duì)人身造成傷害，有必要仔細(xì)研究。
國標(biāo)gb 16895.11的新版送審稿（iec 60364-4-44:2007）中圖44.a2規(guī)定了故障電壓的幅值和最長持續(xù)時(shí)間，這是保障人身安全的一條曲線。從保障人身安全的角度考慮，或者降低故障電壓，或者縮短故障持續(xù)時(shí)間（切斷電源）。國標(biāo)gb 16895.11的新版送審稿以下圖為例進(jìn)行了相關(guān)分析。
其中u1、u2、uf分別為低壓主配電屏上的應(yīng)力電壓、低壓電氣設(shè)備上的應(yīng)力電壓、外露可導(dǎo)電部分與地之間的故障電壓；re、rb、ra分別為變壓器保護(hù)接地電阻、低壓電源側(cè)功能接地電阻、用電裝置保護(hù)接地電阻。以tn和tt系統(tǒng)為例，其應(yīng)力電壓和故障電壓見表5。
以tn系統(tǒng)為例，用戶終端變電所的re和rb多數(shù)難以分開（變電所在建筑物內(nèi)時(shí)，rb通常為建筑物基礎(chǔ)，re也需要通過建筑基礎(chǔ)接大地）。re和rb共用接地裝置時(shí)，uf為re×ie，可見為降低故障電壓、縮短故障持續(xù)時(shí)間只能從三個(gè)方面考慮：1）降低ie；2）降低re； 3）縮短故障切除時(shí)間。另外，等電位聯(lián)結(jié)可以作為附加保護(hù)措施。
10kv電網(wǎng)采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式時(shí)，前面已指出其單相接地故障電流低（不大于10a），大多數(shù)情況下其故障電壓滿足要求。10kv電網(wǎng)采用經(jīng)低電阻接地方式時(shí)，其接地故障電流為數(shù)百安培，只能降低re或盡快切除故障線路。前面已分析當(dāng)接地故障電流過大時(shí)，單靠降低re已不能將故障電壓限制在安全范圍內(nèi)，而切除故障取決于上級(jí)變電所的開關(guān)整定，上述整定通常由供電部門負(fù)責(zé)。
4、小結(jié)
10kv城網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式主要有不接地、諧振接地（經(jīng)消弧線圈接地）、經(jīng)低電阻接地方式等， 10kv城網(wǎng)采用何種接地方式應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性、人身安全、繼電保護(hù)、通信與電磁干擾、絕緣水平等因素后確定。
低壓配電系統(tǒng)接地方式通常受10kv電網(wǎng)影響，主要原因是10kv接地故障會(huì)在低壓側(cè)產(chǎn)生暫時(shí)過電壓。此過電壓和10kv電網(wǎng)接地方式（影響接地故障電流幅值）、低壓配電系統(tǒng)接地方式、變電所兩個(gè)接地是否合并設(shè)置或分開設(shè)置有關(guān)。