电力系统中交流电气装置的接地电阻多值问题
日期：2008-12-10 23:36:54 来源：中国自动化网
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摘要：从跨步电位差和接触电位差、电气设备的绝缘水平、继电保护要求、二次电气设备的绝缘水平等四个方面入手，阐述了不同交流电气装置接地要求的不同接地电阻值问题。
关键词：接地电阻值；安全电压；绝缘水平
交流电气装置的接地，是指将电器装置的某一部位经接地装置与大地紧密联系起来。为了保证电器装置正常工作和非正常情况下的设备、人身安全，对接地装置的接地电阻应有严格的要求。电力系统中不同交流电气装置接地电阻值为何要小于或等于0.1Ω、0.5Ω、4Ω、10Ω、30Ω等多种规定值?本文拟从四个方面来阐述该问题的内在相关因素。
1 跨步电位差、接触电位差
在《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)中，主要围绕生产和人身安全问题对交流电气装置的接地提出了严格要求，亦对跨步电位差和接触电位差的定义作了明确规定。跨步电位差是指接地短路(故障)电流流过接地装置时，地面上水平距离为0.8米的两点间的电位差。接触电位差是指接地短路(故障)电流流过接地装置时，在地面上离设备水平距离为0.8米处与设备外壳(构架或墙壁)离地面垂直距离1.8米处两点间的电位差。对跨步电位差和接触电位差的规定如下：
(1)在110kV及以上有效接地系统和6～35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：
[
式中：Ut—接触电位差，V；Us—跨步电位差，V；ρf—人脚站立处地表土壤电阻率Ω·m；t—接地短路(故障)电流持续时间s。
(2)3～66kV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：
[
(3)在环境特别恶劣的场所，如水田中，跨步电位差和接触电位差的允许值宜适当降低。
由公式(1)、(2)、(3)、(4)可见，跨步电位差和接触电位差的大小与环境(人站立位置的土壤电阻率)密切相关，土壤电阻率高的地方允许跨步电位差和接触电位差则大。在大接地短路电流系统中跨步电位差和接触电位差还和接地短路(故障)电流持续时间的方根成反比，即接地短路(故障)电流持续时间越长，允许的跨步电位差和接触电位差越小。
例：在土壤电阻率ρf=100Ω·m的含水砂质粘土情况下，短路电流持续时间为5s。
①在大接地短路电流系统中，当发生单相接地时，其允许跨步电位差为Us=(174+0.7×100)5=109V，允许接触电位差Ut=(174+0.17×100)5=85.4V。②在小接地短路电流系统中当发生单相接地时，其允许跨步电位差Us=50+0.2×100=70V，允许接触电位差Ut=50+0.05×100=55V。
(4)安全电压。
国标GB3805-1983《安全电压》对安全电压的规定见表1。
有人认为，安全电压50V的限值是根据人体允许电流30mA和人体电阻值1700Ω(0.03A×1700Ω=50V)的条件确定的，只要采用了安全电压，即使人体长时间直接接触带电体也不会有危险，这是一种误解。国标明确规定：当电器设备使用24V以上安全电压时，必须采取预防措施，以保护直接接触带电部分。当24～50V安全电压不会造成触电时，对人生命有危险的界限是有条件的，若超过24V安全电压时，则必须采取防止直接接触带电体的保护措施。另外，由于触电刺激，要防止人可能会从高处坠落、摔倒等二次性伤害事故。正常人在接触不同安全电压时的人体电阻和流过人体的电流见表2：
综观跨步电位差和接触电位差的定义、允许值、安全电压，不难看出，大接地短路电流系统的跨步电位差和接触电位差的允许值要大于安全电压一倍以上；小接地短路电流系统的跨步电位差的允许值亦超过安全电压。(当然，跨步电位差和接触电位差的设计值会小于或等于允许值。)这就意味着在短路(故障)点的附近，人们仍具有触电危险。所以，《电业安全工作规程(发电厂和变电所电气部分)》(DL408-91)规定：雷雨天气，需要巡视室外高压设备时，应穿绝缘靴，不得靠近避雷器和避雷针；高压设备发生接地时，室内不得接近故障点4米以内，室外不得接近故障点8米以内。进入上述范围人员必须穿绝缘靴，接触设备外壳和架构时，应戴绝缘手套；《电业安全工作规程(电力线路部分)》(DL409-91)规定：巡线人员若发现导线断落地面或悬吊空中，应立即阻止行人靠近断线地点8米以内，并迅速报告领导和相关部门，及早处理。可见，《电业安全工作规程》要求在满足接地电阻的情况下，还要采取远离和绝缘隔断措施，以保障人身安全。一般规定500kV变电所接地网的接地电阻R≤0.1Ω；110～220kV变电所接地网的接地电阻R≤0.5Ω；35kV变电所接地网的接地电阻R≤4Ω。其目的是保障生产运行人员的人身安全，满足跨步电位差和接触电位差的要求。
2 绝缘水平
电力线路的绝缘水平比发电厂、变电所电气设备的绝缘水平高，这种说法是不够准确的，因为电力线路和电气设备的过电压保护方法不同，所以一般不考虑电力线路的绝缘水平与厂站电气设备绝缘水平之间的相互配合问题。电力线路的绝缘允许绝缘子闪络为自恢复绝缘，而电气设备的内绝缘常为非自恢复绝缘。电力线路绝缘水平的选择是由电力线路的耐雷水平、雷击建弧率和跳闸率来确定的，而配电装置电气设备绝缘水平的选择一般由保护设备避雷器的残压确定。二者之间由于基点不同，于是不存在可比性，电力线路杆塔接地装置采用允许接地电阻R≤10～30Ω。而发电厂、变电所接地装置，因电压等级存在差异和接地短路(故障)电流大小不同，故允许接地装置分别采用接地电阻R≤0.1、0.5、4Ω。
3 继电保护
(1)继电保护的要求。继电保护装置应有足够的灵敏性，灵敏性通常用灵敏度Km表示：
式中：Km—继电保护装置的灵敏度，一般Km=1.2～2.0之间取值；Idmin—故障点的最小短路电流，A；Idz—保护装置一次动作电流，A。
式中表明，最小短路电流的大小会影响灵敏度。短路电流的大小与接地电阻的大小有关，因此，发电厂和变电所接地网接地电阻值(R≤0.1、0.5、4Ω)对继电保护装置动作灵敏度有一定的影响。
(2)熔断器的要求。《低压配电设计规范》(GB50054-95)对采用熔断器作接地故障保护电气装置中的熔断器选择比(即灵敏度)有不同要求。其选择比如下式：
式中：Kdr—熔断器的选择比；Id—接地故障短路电流，A；In—熔断器熔体额定电流，A。
对TN系统单相(220V)配电线路接地故障保护的切断故障时间有下列规定：a.配电线路或供给固定式电气设备用电的末端线路，不宜大于5s； b.供给手握式电气设备和移动式电气的末端线路或插座回路，不应大于0.4s。
当采用熔断器作接地故障保护时，规定熔断器的选择比不应小于表3。
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关键词：接地电阻值；安全电压；绝缘水平
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交流电气装置的接地，是指将电器装置的某一部位经接地装置与大地紧密联系起来。为了保证电器装置正常工作和非正常情况下的设备、人身安全，对接地装置的接地电阻应有严格的要求。电力系统中不同交流电气装置接地电阻值为何要小于或等于0.1Ω、0.5Ω、4Ω、10Ω、30Ω等多种规定值?本文拟从四个方面来阐述该问题的内在相关因素。
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1 跨步电位差、接触电位差
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在《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)中，主要围绕生产和人身安全问题对交流电气装置的接地提出了严格要求，亦对跨步电位差和接触电位差的定义作了明确规定。跨步电位差是指接地短路(故障)电流流过接地装置时，地面上水平距离为0.8米的两点间的电位差。接触电位差是指接地短路(故障)电流流过接地装置时，在地面上离设备水平距离为0.8米处与设备外壳(构架或墙壁)离地面垂直距离1.8米处两点间的电位差。对跨步电位差和接触电位差的规定如下：
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(1)在110kV及以上有效接地系统和6～35kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：
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式中：Ut—接触电位差，V；Us—跨步电位差，V；ρf—人脚站立处地表土壤电阻率Ω·m；t—接地短路(故障)电流持续时间s。
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(2)3～66kV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统，发生单相接地故障后，当不迅速切除故障时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值：
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(3)在环境特别恶劣的场所，如水田中，跨步电位差和接触电位差的允许值宜适当降低。
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例：在土壤电阻率ρf=100Ω·m的含水砂质粘土情况下，短路电流持续时间为5s。
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①在大接地短路电流系统中，当发生单相接地时，其允许跨步电位差为Us=(174+0.7×100)5=109V，允许接触电位差Ut=(174+0.17×100)5=85.4V。②在小接地短路电流系统中当发生单相接地时，其允许跨步电位差Us=50+0.2×100=70V，允许接触电位差Ut=50+0.05×100=55V。
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(4)安全电压。
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有人认为，安全电压50V的限值是根据人体允许电流30mA和人体电阻值1700Ω(0.03A×1700Ω=50V)的条件确定的，只要采用了安全电压，即使人体长时间直接接触带电体也不会有危险，这是一种误解。国标明确规定：当电器设备使用24V以上安全电压时，必须采取预防措施，以保护直接接触带电部分。当24～50V安全电压不会造成触电时，对人生命有危险的界限是有条件的，若超过24V安全电压时，则必须采取防止直接接触带电体的保护措施。另外，由于触电刺激，要防止人可能会从高处坠落、摔倒等二次性伤害事故。正常人在接触不同安全电压时的人体电阻和流过人体的电流见表2：
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2 绝缘水平
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3 继电保护
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(1)继电保护的要求。继电保护装置应有足够的灵敏性，灵敏性通常用灵敏度Km表示：
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式中：Km—继电保护装置的灵敏度，一般Km=1.2～2.0之间取值；Idmin—故障点的最小短路电流，A；Idz—保护装置一次动作电流，A。
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式中表明，最小短路电流的大小会影响灵敏度。短路电流的大小与接地电阻的大小有关，因此，发电厂和变电所接地网接地电阻值(R≤0.1、0.5、4Ω)对继电保护装置动作灵敏度有一定的影响。
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(2)熔断器的要求。《低压配电设计规范》(GB50054-95)对采用熔断器作接地故障保护电气装置中的熔断器选择比(即灵敏度)有不同要求。其选择比如下式：
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