干货！配电网触电保护与中性点接地方式

配电网分布于人口密集地区，人体触电事故时有发生。对于低压配电网触电问题，人们做了大量的研究工作，剩余电流（漏电）保护装置获得了广泛的应用，而对中压配电网触电问题的研究相对比较少，目前，还没有很可靠的触电保护措施。然而，近年来一些中压配电网触电事故通过社交媒体广泛传播，受到了社会的极大关注。中压配电网（以下简称配电网）触电事故主要是人体自身或通过导体物体触碰或接近正常运行的导体或坠地的导线引起的。配电网触电保护除研究人体触电的检测与保护问题外，还包括坠地导线的检测与保护问题，这是因为坠地导线难以被人们所觉察，非常容易引起触电事故。人体触电与导线坠地的接地电阻都很高，因此，配电网触电保护也是一个高阻故障保护问题。

20世纪80年代，为减少配电网触电事故，美国电气电子工程师协会（IEEE）电力工程委员会（PES）成立了工作组，调研配电网高阻故障保护与坠地导线检测问题。国际上先后开发出了基于零序电流、模式识别、谐波电流等原理的商业化产品，但这些产品的实际应用效果并不十分理想。IEEEPES发表专题报告指出，现有的技术还不能完全解决高阻接地（导线坠地）故障的检测问题，为保障公共安全，需进一步研发配电网高阻故障保护新技术。

中国对配电网接地故障保护的研究主要集中于小电流接地故障的选线方面，关注的重点主要是提高选线装置实用化水平、提高整体选线成功率，还缺少对高阻接地故障保护的研究。随着人们更加关注人身安全问题，为解决触电保护问题，一些供电企业将配电网中性点接地方式改为小电阻接地方式，希望以此回避小电流接地故障保护的难题，在出现人体触电或导线坠地时及时跳闸切除故障线路。然而，理论分析与工程实践均表明，目前小电阻接地配电网接地保护反映接地电阻的能力只有300Ω左右，中性点接地方式改为小电阻方式不仅无法在出现高阻接地故障时可靠报警、跳闸，反而增加了解决问题的难度。本文探讨配电网高阻故障保护问题以及与中性点接地方式的关系，以期抛砖引玉，使读者对配电网接地方式与人身安全问题有个更加全面的认识。

1 配电网高阻接地故障分析

1.1 高阻接地电流

配电网单相接地故障的零序网络如图1所示。

图1 单相接地零序网络

中性点直接接地配电网母线零序阻抗一般小于1Ω，小电阻接地配电网的母线零序阻抗近似等于3倍的接地电阻值，而接地电阻值一般小于10Ω，因此，在计算中性点直接接地与小电阻接地配电网（大电流接地配电网）的高阻接地电流时，可以忽略母线零序阻抗的影响。10kV小电阻接地配电网中UPN=5.7kV，在接地电阻为1kΩ时，接地电流为5.7A。

对于中性点不接地配电网来说，母线零序阻抗等于1/jωCb，Cb为母线、主变压器与所有非故障线路单相对地电容之和，等于系统整体对地电容减去故障线路对地电容。对于有多条出线的配电网来说，可近似认为Cb等于系统对地电容C。在10kV中性点不接地配电网中，假设系统对地电容电流为10A，母线零序容抗约为1710Ω，接地电阻为1kΩ时，接地电流约为5A。

谐振接地配电网中，母线零序阻抗是Cb与消弧线圈电感（3Lp）并联形成的阻抗如图2所示，其数值取决于消弧线圈补偿度。如果处于全补偿状态，母线零序阻抗数值很大，接地电流很小。实际系统中，消弧线圈处于过补偿状态，假设金属性故障时补偿后的接地残余电流为5A，则母线零序阻抗约为3.4kΩ，接地电阻为1kΩ时,假设母线零序阻抗呈纯感性，则接地电流为3.8A。

图2 谐振接地配电网高阻接地故障零序等效网络

由以上分析可知，不同接地方式配电网高阻接地电流差别是很小的。对于暂态高频分量来说，由于分布电容的阻抗很小并且可以忽略消弧线圈的影响，不同接地方式配电网的接地电流几乎是相等的。

1.2高阻接地零序电压

对于高阻接地来说，小电阻接地配电网的母线阻抗很小，母线零序电压几乎为零。中性点不接地配电网的母线零序阻抗在数百欧姆，母线零序电压仍有一定的数值，对于电容电流为10A的10kV配电网来说，1kΩ接地故障时母线零序电压约为2kV；对于补偿后残余电流为5A的10kV谐振接地配电网来说，1kΩ接地故障时母线零序电压约为4kV。

1.3 接地故障电流的非线性现象

由于接地电弧电流小、坠地导线跳动等方面的原因，配电网高阻接地故电流存在严重的畸变，且有间歇性拉弧现象。图3（a）给出了比利时布鲁塞尔自由大学20kV配电网导线坠地故障测试结果，图3（b）给出了放大的故障初始电流波形，可见其具有明显的非线性与不对称现象。美国德克萨斯农机大学对高阻故障进行了深入的研究，通过分析大量的实际高阻故障电流录波数据，发现其幅值在0～50A之间，主要含有30～780Hz的谐波和非谐波成分。

图3 一高阻接地故障电流波形图