配電變壓器低壓側
中性點接地的歷史和作用
1866年德國人西門子製成發電機，1870年比利時人格拉姆發明電動機，隨後電燈、電車、電鑽、電焊機等電氣產品出現，電力工業和電器製造業迅速發展，人類跨入了“電氣時代”，史稱第二次工業革命。
技術的快速發展和創新，也給工程應用帶來了很大的不確定性，變壓器低壓側中性點接地也經歷了這樣的變化。日本交流配電始於1889年的大阪1 kV系統，當時變壓器的低壓側是不接地的，作為非接地系統運行。那時的非接地系統，電燈是可以點亮的，電動機是可以轉動的；變壓器低壓側是否接地，不影響上述設備的正常使用，沒有變壓器中性點接地是為了提供一個接地的運行參考電位這樣的說法。
隨著系統的擴展和覆蓋面的增大，當時的非接地系統遇到了一個問題，稱為高低壓混觸事故，國內也稱為高壓竄入低壓。高低壓混觸事故其中一種情況如圖1所示，變壓器一次側和二次側絕緣損壞，一次側的高電壓侵入二次側，造成危險。這種高低壓混觸事故在世界各國都有發生，會產生觸電事故和火災。為了應對高低壓混觸事故，把變壓器二次側實行接地，變壓器二次側有中性點時，一般將中性點接地。文獻［5］第250. 4（A）（1）條中提到了接地的供電系統的系統接地需要考慮與高壓線路的無意接觸（unintentional contact with higher-voltage lines），也是高低壓混觸事故的一種。
圖1 高低壓混觸事故
變壓器低壓側中性點接地的系統接地主要是為了防止因高壓與低壓接觸而發生的二次側電路的災害。接地的目的有的是為了安全，有的是為了穩定，從變壓器低壓側中性點出現的歷史原因和主要解決的問題看，系統接地主要是為了防止災害，也就是為安全考慮的保護接地。
配電變壓器低壓側
中性點接地與功能接地
功能接地是設備從功能上考慮必須採取的接地。這樣的描述比較抽象，不容易理解，下文舉幾個例子進行說明。
早期和典型的例子是莫爾斯有線通信電路，如圖2所示。該電路只將1根發出信號的電線架起來，利用大地能通電流的性質作為返回信號的歸路，稱為“大地歸路”。這時大地成為通信電路的一部分，發信點和受信點必須接地，這個接地稱為功能性接地（機能的接地）。
圖2 莫爾斯有線通信電路——大地歸路的採用
在大型地下金屬管道中，用於防止腐蝕的外加電流陰極保護設備是目前仍在使用的一個例子，如圖3所示。該設備需要一端與金屬管道連接，另一端接地（輔助陽極），通過接地將直流電源輸出的直流電流由介質（土壤）傳遞到被保護的金屬管道。這個接地是電流回路的重要組成部分，沒有這個接地是沒法工作的，也屬於功能接地。
圖3 管線外加電流陰極保護系統示意圖
配電變壓器低壓側
中性點接地與中壓接地故障
變壓器一側由中壓電網供電，為了解決中壓系統接地故障產生的安全問題，需要接地。由於實施比較方便，中壓接地與低壓側中性點接地共用接地，也就是中低壓共地，是比較常規的做法，這時配電變壓器低壓側中性點接地受中壓接地故障影響。
我國早期的10 kV電網主要採用不接地系統或經消弧線圈接地系統，接地故障電流比較小。GBJ 65 - 83《工業與民用電力裝置的接地設計規範》第4. 1. 1條規定：中性點非直接接地的高壓電力設備，在與低壓電力設備共用接地裝置時，R ≤ 120 / I，R為接地電阻，I為接地故障電流，當並列運行的變壓器總容量不超過100 kVA時，接地電阻不宜大於10 Ω。第4. 2. 1條規定：低壓電力設備接地裝置的接地電阻不宜大於4 Ω，當並列運行的發電機、變壓器等電力設備總容量不超過100 kVA時，接地電阻不宜大於10 Ω。4. 1. 1條與4. 2. 1條的內容對不超過100 kVA的變壓器要求很類似，而對於100 kVA以上的變壓器，一個是用公式計算，一個直接用4 Ω，也有專家的課件中講述4 Ω其實就是120 V / 30 A（10 kV不接地最大單相接地電容電流）得來的。可見，當時對中低壓共用接地裝置的電阻值，是以中壓側接地故障產生的電位上升不超過120 V考核的。從DL / T 621 - 1997《交流電氣裝置的接地》開始，國內對不接地、經消弧線圈接地和高電阻接地系統接地故障產生的電位上升限制從120 V降低到了50 V。
隨著10 kV電網的發展，國內出現了中性點經小電阻接地的系統，接地故障電流較大。JGJ 16 - 2008《民用建築電氣設計規範》、GB 50065 - 2011《交流電氣裝置的接地設計規範》對配電變壓器的高壓側（中壓）工作於小電阻接地系統時中低壓共地的要求是不同的。JGJ 16 - 2008《民用建築電氣設計規範》僅允許向建築物供電的配電變壓器安裝在該建築物內且建築物採用總等電位時採用，GB 50065 - 2011《交流電氣裝置的接地設計規範》僅允許建築物內採用總等電位及TN - S時採用。兩本規範一個強調變壓器與建築物的位置關係，另一個強調低壓系統的接地形式。
可能認為這兩本規範的要求不太合理，國內對這方面的分析一般採用IEC 60364 - 4 - 44及其國內轉化版本文獻［6］。這類文章非常多，基本上都是對工頻故障電壓和工頻應力電壓進行計算和比較，其中工頻故障電壓（中壓側接地故障產生的地電位上升）和時間點與圖4曲線進行比較。
圖4 變電所內高壓側發生接地故障時允許的故障電壓值
日本將配電變壓器低壓側中性點接地歸為第二種接地，其接地電阻同樣是用中壓側接地故障產生的電位上升並考慮故障切斷時間來考核的，對於35 kV以下系統，1 s內切斷允許600 V，1 ~ 2s內切斷為300 V，其餘為150 V。英國採用中壓側接地故障產生的電位上升及故障切斷時間對變配電所的接地進行分類，在電位上升650 V以下0. 2 s內切斷及電位上升430 V在1 s內切斷屬於冷站（COLD Site），允許採用中低壓共地系統並認為其地電位上升是安全的；其餘屬於熱站，需要特殊處理。可見日本與英國允許的中壓側接地故障產生的電位上升和切斷時間點，均在圖4曲線的上方。
筆者曾經懷疑日本與英國的要求不滿足IEC 60364 - 4 - 44的要求，後來經過對比一些文獻發現，在地電位上升和接觸電壓計算方面，目前大部分的分析存在一些誤區，主要有以下兩方面：
a. 中壓接地故障入地電流。文獻［8］明確提出，由於電纜屏蔽層對接地故障電流明顯的分流作用，電纜供電的變電所需要考慮入地電流百分比Ig r %，接地故障入地電流Ig r = Ig r % × If，If為接地故障電流，初次計算時Ig r %可取40 %，詳細計算時須查表，與上一級變電站接地電阻、本變配電所接地電阻、電纜規格、電纜長度等有關。
b. 允許接觸電壓與地電位上升的關係。文獻 ［7］第10. 2. 3. 3條表5，對於中低壓共地的TN系統，其地電位上升的考核標準為EPR ≤ F · UT P，F係數常規值為2，當PEN多點接地時F係數提高，部分土壤情況下F係數最高可達5。與文獻［6］第442. 2. 1條中考慮PEN多點接地導致的總並聯電阻降低時，Uf = 0. 5RE × IE是類似的，Uf = EPR / F（F係數取2）。筆者認為在TN - S系統中，PE的多點接地同樣也會導致總並聯電阻降低，上式不僅僅適用於有PEN的TN - C系統，TN - S系統同樣應考慮F係數大於1。文獻［6］圖44. A2的注說該曲線取自文獻 ［7］併為最不利情況，其它情況的導則在文獻 ［7］規定。從英國及日本的規定也看出，他們並沒有按這個最不利情況取值。
江蘇省電力公司《配電網技術導則實施細則（試行）》（2009年12月版）第4. 3. 6條：“採用低電阻接地方式的10（20）千伏系統，在發生單相接地故障時，10（20）千伏配電網的接地電流宜控制在150 ～ 500安範圍內。杆塔接地電阻安全性校核（接觸電壓、跨步電壓）的故障持續時間應按照後備保護動作時間考慮，一般為1. 3 ～ 1. 5 秒。”第7. 5. 2條：“10（20）千伏電網中性點經低電阻接地地區，臺區所有設施中性線共網接地。接地等效電阻達到0. 5 歐姆以下時，變壓器工作接地和保護接地可共用接地裝置，否則應分開設置；並且二者接地電阻均不應超過4 歐姆，且接地點間距不宜小於5 米。”按500 A、入地電流百分比40 %、F係數為2、接地電阻0. 5 歐姆考慮，Uf =EPR / F = 500A × 40 % × 0. 5 Ω / 2 = 50 V，即使按照後備保護1. 5 s考核，也是滿足中低壓共地的安全要求的。如不考慮入地電流百分比與F係數，則會得出250 V，按照後備保護1. 5 s考核，與圖4曲線比較，是非常不安全的結論。
由於上述計算參數中入地電流百分比與係數F非常重要，在這兩個參數沒有明確取值方式時，任何對EPR、Uf的計算和比較都是徒勞的，容易得出不正確的結論。
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