1、专 家 论 坛10/0. 4 kV 变电所的接地需更新观念 （王厚余 ）The Concept to 10 / 0. 4kV Substation Grounding to be Renewed王厚余 （中国航空工业规划设计研究院 ， 北京市 100011）Wang Houyu （China Aeronautical Project and Design Institute, Beijing 100011， China）10/0. 4kV变电所的接地需更新观念摘 要 现时我国建筑电气 10/0. 4kV 变电所接地的一些做法恐存在不少问题 。 例如在变压器低压侧中性点的就地接地 、 PEN 线
2、和 PE 线的设置 、 接地装置的接地电阻值 、 打人工接地极的必要性等都存在一些问题 。 变电所的接地应按 IEC 标准 ， 摒弃一些过时的做法 ， 更新观念 ， 满足用电技术的新要求 ， 使变电所的接地既能保证电气装置的安全性和功能性 ， 又可避免不应有的人力物力浪费 。关键词 变电所接地 人工接地 自然接地 等电位联结 PEN 线 PE 线10/0. 4kV 配电变电所 （以下简称变电所 ） 的接地 ， 我国多年来沿袭前苏联 50 年代时的做法 ， 习以为常 。 20 世纪 80 年代笔者在国外发现西方一些做法与其不同 ， 当时不明就里 。 近年笔者接触 IEC /TC 64建筑物电气装
3、置 IEC60364 系列新版标准中有关变电所接地的一些规定 ， 多少有些领悟 。 对比之下 ， 现时国内一些做法相当混乱 ， 莫衷一是 。 愿借 建筑电气 一角 ， 提出自己的一些肤浅理解 ， 供同行批评和探讨 。1 变电所的共用接地和分开接地变电所既是 10kV 高压系统的负荷端 ， 需将所内电气设备的外露导电部分作保护接地 ， 以策人身安全 ； 同时它也是 220/380V 低压系统的电源端 ， 需将一根带电导体 （一般是中性线 ） 作系统接地 （前苏联规范称工作接地 ）， 以取得大地参考电位 ， 保证低压系统的正常运行和电气安全 。 所以变电所内有两个不同用途的接地 。 过去我国 10
4、kV 电网的系统接地广泛采用不接地方式 ， 其接地故障电流和它引起的故障电压小 。 在变电所内高压系统保护接地与低压系统的系统接地通常合并为一个接地 ， 以简化接地装置的设置 。 改革开放后我国经济飞速发展 ， 用电量剧增 ， 一些大城市将 10kV 电网改为经小电阻接地方式 ， 故障电流和故障电压大增 ， 这种情况下 ， 高压系统保护接地与低压系统的系统接地最好分开设置 ， 如仍共用一个接地 ， 需采取适当措施防止变电所 10 kV 侧的接地故障导致低压系统内的电气危险 。 详见参考文献1第12 章 ， 不赘述 。 本文所陈仅限于共用接地 。2 系统接地应在低压配电盘内一点接地当变电所以 T
5、N 系统或 TT 系统供电并采用共用接地时 ， 变压器中性线套管出线应在何处接地 ， 我国过去无明确规定 。 建筑电气工程施工质量验收规范 （ GB 50303 - 2002 ） 规定在变压器处直接接地 。 但国际电工标准 低压电气装置 第 1 部分 ： 基本原则 、一般特性评估 、 定义 （IEC 60364 1： 2005） 和 低压电气装置 第 4 部分 ： 安全防护 第 44 章 ： 电压扰动和电磁干扰的防护 （IEC 60364 4 44： 2007）不允许这样做 。 它规定不允许在变压器处直接接地 ，只允许在变电所低压配电盘内进行一点接地 ， 如图 1所示 。 稍加分析便知 IEC
6、 标准的规定是正确的 。Abstract Some unsuitable practices are stillavailable now in 10 / 0. 4 kV substation for buildingelectricity, such as neutral point local grounding oftransformer LV side, setting of PEN & PE conductor,resistance of grounding device and necessity of takingmanual grounding pole. The author
7、 considers that thesubstation shall be grounded as per IEC standards, givingup the out-of-time practices, renewing the concept andmeeting the new requirements for technology of powerconsumption, so that grounding of substation can ensurethe safety and function of electrical equipments, as wellas avo
8、id such waste in manpower and material resources.Key words Grounding of substation Manualgrounding Natural grounding Equipotential bondingPEN conductor PE conductor3563誖BUILDINGELECTRICITY2 0 0 9年第 期Nov. 2009 Vol. 28 No. 111 1建筑电气图 1 在变电所低压配电盘内一点作系统接地Fig. 1 One point system grounding in low - voltag
9、e distribution panel for substation需要说明 ， 变压器中性线套管的出线在建筑物电气装置中并非中性线而是 PEN 线 。 因为整个低压配电系统内的正常对地泄漏电流和发生接地故障时的对地故障电流都需通过它返回变压器绕组 ， 它必然是兼有中性线和 PE 线作用的 PEN 线 ， 因此在此线段上不得装用四极开关 ， 因为 PEN 线不允许被开关断开的 。还需说明 ， 与整个低压系统相比 ， 从变压器到配电盘这段 PEN 线极短 ， 其阻抗可忽略不计而可忽视其存在 。 这样就可将变电所看成为一个电源点 ， 这样各类接地系统的区分不是从变压器内绕组端点开始 ，而是从低压
10、配电盘出线开始 。 如此处理后 ， 从变电所就可引出除中性点不接地的 IT 系统外的 TT 系统和各类 TN 系统 ， 而不局限于某一接地系统 ， 从而适应各种不同现场的需要 ， 如图 1 所示 。低压配电系统内的对地正常泄漏电流和故障电流最后都需返回作为电源的变压器绕组 。 这些电流在变电所内应通过一个正规的本回路通路返回电源 。 通过其他不正规通路返回的电流被称作杂散电流 ， 它可引起对信息系统的干扰 、 电气火灾 、 对地下金属部分的腐蚀以及其他危害 。 进入信息时代后 ， 这种杂散电流导致的 电 磁干扰更 易 引起重要 信 息系统的 严 重后果 ， 应 该注 意 防 止 。对这个问题
11、，我们的 认 识是 不 够 的 。为避免 出 现杂 散 电 流 ，IEC 规 定 各台变压 器 引出的 PEN 线只能集 中 在图 1 所 示 的配 电盘上 方的 PEN 母排和下方 的 接大 地 的 PE母排作跨接而实现一点接地 ， 不允许在变压器处就地接地 。 只有这样设置才可避免杂散电流 ， 而且系统内接地故障电流返回各变压器的通路是最短捷的 ， 安装和维护管理也是最方便的 。因 TN-S 和 TT 系统的接地电流都需通过配电盘内这唯一的接地跨接线返回电源 ， 国外常在此接地跨接线上装设一电流互感器来检测变电所供电范围内所有 TN-S 和 TT 系统的接地故障进行报警 。 它被称作RCM
12、 （剩余电流监测 ， residual current monitor）， 它对全面防接地故障火灾十分简便有效 。 如果不按照 IEC规定作变电所 PEN 线一点接地 ， 这一 RCM 报警也是无法实现的 。我国规范和一些安装图册规定在变电所变压器处就地直接接地的规定 ， 迄今未见其依据和理由 ， 令人担心其误导引起的不良影响 。3 变电所内 PEN 线和 PE 线的设置由于 PEN 线通过中性线电流 ， 它必然对地带有电位 ， 因此 PEN 线必须包以绝缘 ， 以免祼露的 PEN线与地接触时产生杂散电流 。4564图 2 进线配电箱内 PEN 线先接 PE 线Fig. 2 First con
13、nection of PEN conductorto PE conductor inside the input lines distribution box专 家 论 坛变电所内的变压器 、 配电盘以及电气设备的金属外壳都需接 PE 线以防人身电击 。 我国过去通常沿变电所墙脚敷设一 40 mm4 mm 扁钢作环形 PE 干线来实现此保护接地 ， 它同时也用作等电位联结干线 。 在国外变电所内也作此环形 PE 干线 ， 但采用的多是铜带而非扁钢 。 出现这一差异与国外配电盘内一点接地有关 。 当变电所内发生相线碰外壳接地故障时 ， 接地短路电流是通过此环形 PE 干线返回变压器的 。 由于接
14、地故障发生在变电所内 ， 故障回路阻抗小 ， 短路电流大 ， 需慎重校验其热效应 ， 其结果往往是需采用较大截面的铜带 。 我国现时有些设计仍沿袭过去陈规 ，不校验热效应 ， 一概采用 40mm4mm 扁钢 ， 这一做法是欠妥的 。4 配电盘内后接 PE 母排的问题笔者常被询及这样一个问题 ： IEC 标准规定在TN - C - S 系统供电的建筑物进线配电箱内 ， PEN 进线需首先接配电箱内 PE 母排 ， 然后接中性线母排 ，如图 2 所示 。 而在变电所配电盘内变压器引出的 PEN母排则是先接 PEN 母排 ， 后接 PE 母排 ， 正好相反 ，原因何在 ？ IEC 标准这两个要求的不
15、同是不难理解的 。图 2 所示的建筑物进线配电箱内 PEN 进线如果先接配电箱内中性线母排 ， 后接 PE 线母排 ， 这时如跨接线连接处导电不良 ， 配电箱所供全部用电设备都将因PE 线不导通而失去接地 ， 从而导致种种电气危险 。而在变电所内 ， 为减少回路电抗 ， 从变压器引出的大截面 PEN 母排和三条相线母排是靠紧敷设 ， 且用同一梯架或槽盒接向配电盘上方的四条母排的 ， 而 PE 母排则位于配电盘下方 。 就减少阻抗和安装方便而言 ，自然是先接上方的 PEN 母排后接下方的 PE 母排为好 。另外 ， 很重要一点是变电所大截面母排的连接是用多个螺栓压接的 ， 没有必要担心其连接的导
16、电不良引发的电气危险 。5 变电所的接地电阻值我国将变电所系统接地的接地电阻值规定为不大于 4 以至 10， 其依据是供电部门制定的现仍有效的 国 标 工业与民用电力装置的接地设计规范 （ GBJ 65 - 83 ）， 但 IEC 和发达国家电气标准都没有这一接地电阻值的规定 。 原因是供配电系统的要求太复杂 ， 理论上需视具体要求来计算确定 ， 难以简单地规定一个统一的数值 。 查有关 IEC 标准 ， 其中有多处提到发生各种接地故障时变电所接地电阻 RB的不同计算公式 ， 例如 ：a . RB/ RE50 / （U0- 50）， t =； 参阅 低压电气装置 第 4 部分 ： 安全防护 第
17、 41 章 ： 电击防护 （IEC 60364 - 4 - 41： 2005）。b. IdRB1 200 V， t = 5 s； 参阅 IEC 60364 -4 - 44： 2007。c . IdRB250 V， t = 5 s； 参阅 IEC 60364 -4 - 44： 2007。d. IdRB+ U0250 V， t = ； 参阅 低压系统中的绝缘配合 （IEC 60664： 1992）。e. 对 RB值无要求 ， t = ； 参阅 IEC 60364 - 4 -44： 2007。 这种情况出现在变电所位于所供建筑物内 ， 且该建筑物内作有总等电位联结时 。上述公式中 ：RE 不经 PE
18、 线 ， 而是经大地返回变压器的故障点的接地电阻 ， ；Id、 Id、 Id 不同故障情况下的接地故障电流值 ， A；U0 相电压 ， V；t 接地故障持续的时间 ， s。上式内容限于篇幅 ， 本文不作陈述 。以上所举 RB值数例 ， 其要求都是为了保证人身和系统绝缘的安全 。 情况十分复杂 ， 涉及变电所高压侧和低压侧接地系统的类型 ， 变电所内两个接地是分开还是共用 ， 变电所和低压用户是否同处于一建筑物10/0. 4 kV 变电所的接地需更新观念 （王厚余 ）5565誖BUILDINGELECTRICITY2 0 0 9年第 期Nov. 2009 Vol. 28 No. 111 1建筑电
19、气内 ， 建筑物是否具备总等电位联结等诸因素 。 但有一点可以肯定 ， 只要经济合理 ， RB值越小 ， 低压系统越安全 。笔者曾询问供电部门变电所取 RB值不大于 4 的依据 ， 答复是供电部门取此 RB值数十年来未发生什么问题 ， 证明是安全的 ， 没有其他理论依据 。 对此笔者难以苟同 。 供电部门电气设备与一般用户电气设备工作条件是不同的 。 前者具备有种种安全措施 （例如铺绝缘垫 、 戴绝缘手套 ）， 并由专业人员操作 ， 而后者并不具备这些条件 。 前者安全不能说明后者也安全 ， 两者是不能画等号的 。 RB值偏大的后果是某些故障情况下用户处故障电压过高 ， 它可能导致种种电气事故
20、 。建筑电气的 IEC 标准和发达国家标准系由权威性和对口的深谙用电技术的民间学会编制 ， 而非由政府部门组织编制 ， 对变电所接地的要求十分严格和科学 。 笔者参加建筑电气 IEC / TC 64 年会时曾调查过孤立的变电所接地电阻的阻值 ， 答复是标准中无法规定具体电阻值 ， 但他们实际工作中通常取 RB2， 此值一般能保证安全并留有一定裕量 。 此 2 的 RB值在建筑物中利用总等电位联结的自然接地作用是很容易实现的 ， 对于户外孤立的箱式变电所 ， 如能利用其高低压电缆金属外皮的自然接地作用也是不难实现的 。 相比之下 ， 我国规范中不大于 4 以至 10 的采用人工接地极的变电所接地
21、电阻的规定恐是有欠安全的 。6 变电所的接地并非必须以打接地极来接大地我国不少同行顾名思义认为接地就是打接地极接大地 ， 且必须有个接大地的电阻为若干 的规定 。 这个观念早已过时 。 现时的 “接地 ” 也可是指一个电气系统与它所依附的导体相连接 ， 以导体电位作为该系统的参考电位 ， 该导体即是该系统的 “地 ”。 例如飞机 、 汽车 、 轮船的金属机身 、 车身 、 船身即是其内各电气系统共用的 “地 ”。 这时何来接大地的接地电阻 ？同理 ， 一建筑物内的变电所的 “地 ” 并非一定是地球的大地 ， 而是它所依附的建筑物内总等电位联结形成的近似金属等电位的法拉第笼 。 建筑物内变电所与
22、它连接就实现了接地 。 例如位于 20 层楼的干式变压器变电所的接地并非接楼外的大地 ， 而是接该楼层内等电位联结系统内金属结构 、 管道等装置外导电部分 。由于这一接地不存在有大幅值的人工接地极接地电阻 ， 变电所的接地电阻仅为接地线的若干 m， 所以对本建筑物而言 ， 变电所接地的效果非常好 ， 完全没有必要来规定接大地的接地电阻不大于若干 的要求 。这时变电所通过总等电位联结的地下部分与大地连通仍然实现了自然接大地 。 这也是需要的 ， 它用以泄放低压系统内可能出现的雷电流 、 静电荷等 ， 以避免可能发生的电气事故 ， 它对接地电阻值的要求不高 ， 总等电位联结的自然接地一般可满足要求
23、 。关于人工接地极的设置 ， 我国建筑电气设计中因循旧习 ， 一般在变电所外地下打入不大于若干 的人工接地极作变电所接地 ， 因阻值过大 ， 效果并不佳 。需知这种接地极受泥土腐蚀 ， 不多年就需重新设置 ，而且周而复始 ， 长期浪费人力物力 。 对此发达国家更重视基础接地极的采用 ， 即将扁钢或圆钢预埋在基础水泥内作接地极 ， 非但施工简便 ， 接地电阻小 ， 且受水泥的保护 ， 接地极不被腐蚀而一劳永逸 。 详见参考文献1第 20 章 ， 不赘述 。7 结束语在建筑电气中变电所的接地是个十分重要和复杂的问题 。 由于我国建筑电气与国际标准接轨不够 ， 观念陈旧 ， 非但浪费人力物力 ， 电
24、气安全却未得到充分保证 ， 电气装置的作用 ， 特别是信息技术装置的作用也常难以正常发挥 ， 抛砖引玉献丑此文 ， 希我建筑电气专业人员 ， 包括编写教材的老师和制定规范的专家 ， 在理解国际电工标准的基础上 ， 更新观念 ， 积极采用用电科学新技术 ， 改进变电所和其他电气装置的接地 ， 使我国建筑电气的设计安装水平百尺竿头更上一层楼 。参 考 文 献1 王厚余 . 低压电气装置的设计安装和检验 . 第二版 .北京 ： 中国电力出版社 ， 2007： 95 78， 174 - 176.2009- 08- 31 来稿内 但有一点可以肯定 只要经济合理 值越小 低压系统越安全值不大于的依据什么问
25、题 证明是安全的 没有其他理论依据 对此笔者难以苟同前者具备有种种安全措施 例如铺绝缘垫 戴绝缘手套 而全 两者是不能画等号的它可能导致种种电气事故建筑电气的而非由政府部门组织编制学 年会时曾调查过孤答复是标准中无法规定具体电阻值 此此 的 值易实现的 如能利用现的 相比之下 我国规范中不大于 以至欠安全的大地大地 的规定 这现时的 接地 也可是指一个电气以导体电位作为该系统的参考电位 该导体即是该系统的 地 例如飞机 汽车 车身地 这时何来接大地的接地电阻同理 地的大地建筑物内变电所与它连接就实现了接地 例如位于 层楼的干式变压器而是接该楼层内等阻 所以对本建筑物而言 完全的要求这也是需要的 它静电荷等 它对接地电阻值的要求不高要求我国建筑电气设计中因循旧习 的人因阻值过大 效果并不佳不多年就需重新设置而且周而复始 对此发达国家更水泥内作接地极 非但施工简便 接地电阻小 且受水泥的保护 详见参考文献 第 章 不赘述结束语的问题 观念陈旧 电气安全却未得到充分保证 特别是信息技术装置的作用希我建筑电气专业人员家 更新观念 积极接地一层楼参 考 文 献王厚余 第二版北京来稿6566
