IEEE接地設(shè)計標準與我國接地設(shè)計標準的異同分析

胡慶來，李漢峰

(中南電力設(shè)計院，武漢市430071)

0 引言

目前，隨著中國國際貿(mào)易往來的增多，國內(nèi)各大工業(yè)集團與設(shè)計院參與承包和設(shè)計的涉外工程也與日俱增，而許多國外工程在標書或合同中都要求接地設(shè)計采用國際標準，其中要求最多的就是采用美國的IEEE標準。

國內(nèi)設(shè)計院在電廠和變電站接地設(shè)計中長期習慣使用DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》標準(下稱我國標準)，它與美國的IEEE接地設(shè)計標準在內(nèi)容及算法上都存在差異，而且IEEE標準為全英文版，給國內(nèi)設(shè)計人員在處理涉外工程的接地網(wǎng)設(shè)計上帶來了不少困難。

因此，就電力系統(tǒng)接地設(shè)計中通常采用的電力行業(yè)標準DL/T621—1997與IEEE標準中最常用的、涉外工程業(yè)主最關(guān)注的幾個方面進行論述和對比，希望能給火電廠、變電所工程的接地設(shè)計，尤其是涉外工程的接地設(shè)計提供參考和借鑒。

1 接地裝置導體截面的選擇方法比較

1.1 IEEE標準中接地裝置導體截面選擇和計算方法

IEEE Std 80—2000［1］(下稱 IEEE 標準)中規(guī)定，接地系統(tǒng)的每一個元件，其設(shè)計選擇都應滿足裝置的預期設(shè)計壽命，在最不利的故障和持續(xù)時間的共同作用下，應能避免熔化和機械損傷［2］。

IEEE標準中規(guī)定，按滿足避免熔化條件選擇的接地裝置導體最小截面為

式中:I為流過接地裝置導體的入地短路電流有效值，kA，應根據(jù)系統(tǒng)最大運行方式確定;Tm為最高允許溫度;Ta為接地材料參考常態(tài)溫度;TCAP，αr、K0、ρr為各種溫度不同材質(zhì)下的系數(shù);tc為短路電流持續(xù)時間，s;當配有2套速動主保護時，取主保護動作時間、斷路器失靈保護動作時間、斷路器開斷時間三者之和;配有1套速動主保護時，tc取斷路器開斷時間與第1級后備保護的動作時間之和，s。應注意，如涉外合同另有規(guī)定時，應遵守合同要求。

采用式(1)計算的基本假設(shè)條件是，發(fā)生短路過程中所有的熱量都留在導體中，即為絕熱過程。對于大多數(shù)金屬，只要故障時間在幾s內(nèi)，在相當寬的溫度范圍，這些假設(shè)都是適用的［3］。

IEEE標準中采用表格的形式給出了一些接地材料特性參數(shù)(主要以Tr=20℃為基準進行計算，見表1)。

?

應注意，當故障電流為非對稱電流即短路電流中存在直流分量(非周期分量)情況下，需將非對稱電流If折算成等效對稱電流IF(IF=If×Df)，Df為衰減系數(shù);然后再代入前面IEEE標準的公式進行計算。在考慮直流分量(非周期分量)情況下，選擇的導體將會更大一些。

將各種接地材料的固有屬性、材料常數(shù)代入IEEE標準的導體截面選擇公式中，可以得到如下簡化形式:

式中Kf是材料在不同Tm值(指熔化溫度或根據(jù)條款I(lǐng)EEE 11.3.3的導體限制溫度)下的常數(shù)。

1.2 我國標準中接地裝置導體截面選擇設(shè)計和計算方法

按照我國現(xiàn)行電力行業(yè)標準DL/T 621—1997［4］中附錄C中的定義，根據(jù)熱穩(wěn)定條件，未考慮腐蝕時，接地裝置導體的最小截面應符合下式要求:

式中C為接地線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)。

根據(jù)我國標準的規(guī)定，按熱穩(wěn)定條件，接地裝置接地極(指接地網(wǎng)內(nèi)的導體)的截面選擇上不宜小于連接至該接地裝置的接地線(也就是接地引下線)截面的75%。這是因為從設(shè)備到地網(wǎng)的引下導體要承受流入地網(wǎng)的全部故障電流，而地網(wǎng)通過分流使地網(wǎng)中的每段導體只承受部分故障電流。引下導體就應該比地網(wǎng)導體尺寸更大或從設(shè)備到地網(wǎng)連接采用多條引下導體，使之有足夠的通流量來承受全部故障電流。對于傳導雷電流的接地裝置導體無須做更多的考慮，根據(jù)故障電流要求而選定的導體尺寸，通常也足以通過雷電引起的短時浪涌。

1.3 IEEE標準與我國標準中接地裝置導體截面選擇方法的異同

將IEEE標準中的接地裝置導體最小截面計算公式進行簡單變形即為

各接地材料的我國標準中熱穩(wěn)定系數(shù)C和IEEE標準等效熱穩(wěn)定系數(shù)CIEEE比較見表2。

在同樣的短路電流和短路持續(xù)時間下，其選擇的接地裝置導體截面應與熱穩(wěn)定系數(shù)成反比，據(jù)此，IEEE標準與我國標準選定導體截面之比見表3。

?

?

從表3可以看出，按IEEE計算，當考慮熔化溫度時，退火銅材、鋁材和普通鋼材截面小于按我國標準(熱穩(wěn)定系數(shù))選取的截面，即我國標準設(shè)計更保守一些。當計算溫度采用硬扎銅材(退火溫度為250℃)時，按IEEE標準選取的截面比我國標準選取的約大25%;采用鍍鋅鋼棒時，比我國標準選取的大3%。即對于鍍鋅鋼棒和硬扎銅材(采用退火溫度為250℃)設(shè)計時，IEEE標準的裕度更大一些。

在接地裝置的設(shè)計壽命內(nèi)，導體的強度應能經(jīng)受得住任何預期的機械作用或腐蝕引起的損傷。對于那些可能暴露在腐蝕環(huán)境中的接地裝置導體，即使采用了上述正確的導體尺寸選擇計算方法，也應有遠見地選擇更大尺寸的接地裝置導體，以抵補在接地裝置設(shè)計壽命周期內(nèi)接地裝置導體截面逐漸減小的情況［6］。

2 接地電阻值的計算方法比較

2.1 IEEE標準中復合接地網(wǎng)接地電阻值的計算方法

復合接地網(wǎng)簡化計算法:

式中A為接地網(wǎng)的總面積，m2。

式(5)是將接地網(wǎng)按照等效圓盤計算［7］，考慮到地網(wǎng)與圓盤的誤差，與接地網(wǎng)的長度有關(guān)，增加一個附加的修正部分，就得到如下簡化公式:

式中LT為接地裝置導體的總長度。

復合接地網(wǎng)的等值計算法:

接地電阻值為

式中:LC為接地網(wǎng)所有接地水平導體的總長度，m;a'為接地水平導體的計算埋深，m;LR為所有垂直接地極總長，m;Lr為每根垂直接地極的長度，m;b為垂直接地極的半徑，m;nR為接地網(wǎng)面積區(qū)域A內(nèi)的接地極數(shù)量;k1和k2是關(guān)聯(lián)系數(shù)。

2.2 我國標準中復合接地網(wǎng)接地電阻值的計算方法

我國標準中也介紹了復合接地網(wǎng)接地電阻值的簡化計算法和標準計算法。

(1)復合接地網(wǎng)簡化計算法。

式中:S為接地網(wǎng)系統(tǒng)的總面積;L為水平接地體的總長。

(2)復合接地網(wǎng)等值計算法。

2.3 IEEE標準與我國標準中接地電阻計算方法的異同

(1)對于簡化的復合接地網(wǎng)電阻計算法比較。比較IEEE標準中公式與我國標準中第1種簡化公式:

從上述情況可以看出，兩者型式上是基本一致的，但IEEE標準計算結(jié)果比我國標準偏小12%。

引入圓盤修正系數(shù)后，第2種簡化公式:

對于第2種簡化公式而言，兩者在形式是一致的，但，IEEE標準定義的LT包含所有接地裝置導體的總長度(包括水平和垂直接地體)，即使這樣相加也只是保守近似的，因為在同等長度上垂直接地極將更為有效［8］;而在我國標準中定義的 L僅為水平接地裝置導體的總長度。很顯然，在此情況下IEEE標準計算接地電阻將比我國標準小，我國標準的簡化計算更偏保守。

(2)對于復合接地網(wǎng)電阻的等值計算法比較。

IEEE標準中是采用先獨立計算出水平接地網(wǎng)和垂直接地極的等效電阻R1和R2，然后計算出水平地網(wǎng)與垂直接地極之間的相互電阻Rm，最后代入計算公式求出接地網(wǎng)最終的接地電阻等效值Rg。

而我國標準中的計算方法原理有所不同，是先計算出轉(zhuǎn)化為等值(即等面積、等水平接地極總長度)方形接地網(wǎng)的接地電阻Re，然后根據(jù)實際接地網(wǎng)外緣邊線的總長度算出相對于方形接地網(wǎng)的變化系數(shù)α1;最終算出任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻等效值Rn。

3 變電站有效接地系統(tǒng)中接觸電位差和跨步電位差要求值(限值)的計算方法比較

3.1 IEEE標準中有效接地系統(tǒng)接觸電位差和跨步電位差限值的計算方法

考慮人體電阻為RB=1 000 Ω。

(1)對于50 kg的人，人體可承受的接觸電位差及跨步電位差限值分別為

式中:Cs為在土壤的表層，為提高接觸和跨步電位差的閥值而敷設(shè)了高阻材料，考慮其影響效果的衰減折扣系數(shù)［9］。但如果沒有表面防護層，則 Cs=1，ρs=ρ。

(2)對于70 kg的人，人體可承受的接觸電位差及跨步電位差限值分別為

3.2 我國標準中有效接地系統(tǒng)接觸電位差和跨步電位差限值的計算方法

在我國標準中不區(qū)分人體體重，人體可承受的接觸電位差及跨步電位差限值的公式統(tǒng)一如下。

接觸電位差:

跨步電位差:

3.3 IEEE標準與我國標準中接觸電位差和跨步電位差值計算方法的異同

IEEE標準中，跨步電位差與接觸電位差公式分為體重50 kg和70 kg 2種情況考慮。從條件的苛刻性來說，如果體重取50 kg，要求值將會降低，從而條件更苛刻，這也更加符合亞洲人實際身體情況，建議設(shè)計時取人體體重為50 kg較為合適。

對于人體電阻參數(shù)而言，在IEEE標準中，選用RB=1 000 Ω，而我國標準中實際采用人體電阻為1 500 Ω。并考慮當未鋪設(shè)表面絕緣層，即無表面層土壤時 Cs=1，ρ= ρs。

對于上述情況，將人體電阻1 500 Ω、Cs=1，ρ=ρs代入IEEE標準中的50 kg人體的接觸電位差和跨步電位差公式，可以得出:

(1)接觸電位差。

(2)跨步電位差。

所以，我國標準中的公式是一種結(jié)合我國國情，在特定情況下IEEE標準公式的特例，即按人均體重50 kg，人體電阻為1 500 Ω，且土壤上未鋪設(shè)表面保護材料層情況下的計算值。

如果考慮土壤表面材料的衰減系數(shù)、人體電阻為1 500 Ω，IEEE標準中對于50 kg體重的計算公式即變?yōu)?/p>

該公式也是目前國標GB 50065—2001中的推薦公式［10］。

4 結(jié)語

通過本文的具體分析和逐一對比，可以看出2個標準在應用中主要異同點。

(1)在IEEE標準與我國標準中的接地體截面選擇設(shè)計計算方面，IEEE標準更加準確和精細，它考慮了不同的使用環(huán)境、溫度系數(shù)及其他固有屬性的影響，對于同種材料不同材質(zhì)也做了進一步的細分，即采用不同材質(zhì)系數(shù)。而我國標準相對簡單，沒有區(qū)分各種具體材質(zhì)及型號以及環(huán)境因素，只是通過規(guī)程直接查取相應的經(jīng)驗系數(shù)值，準確率相對低很多，但在計算上卻較為方便。

(2)在IEEE標準與我國標準中的接地電阻計算方面，對于復合地網(wǎng)的計算方法在原理上兩者有所不同;而在簡化公式的計算方法上則是一致的;只是IEEE標準相對更多地考慮了如垂直接地極和接地網(wǎng)深度等一些必要因素。

(3)通過本文分析和公式推導，可以看出我國標準中的跨步電位差與接觸電位差(限值)計算公式，實際上是在IEEE標準的跨步電位差與接觸電位差(限值)公式基礎(chǔ)上，結(jié)合我國人均身體條件，并在特定情況下的一種公式形式的衍變。

［1］IEEE Std 80—2000 IEEE guide for safety in AC substation grounding［S］.

［2］Natarajan R，Popoff J.Analysis of grounding systems for electric traction［J］.IEEE Traction on Power Delivery，2001，16(3).

［3］Practical Applications of ANSI/IEEE Standard 80，IEEE Guide for safety［M］.IEEE Tutorial Course，1986.

［4］DL/T 621—1997交流電氣裝置的接地［S］.北京:中國電力出版社，1998.

［5］姜俊峰.發(fā)電廠、變電所接地設(shè)計研究［D］.鄭州:鄭州大學，2004.

［6］International Electrotechnical Commission.Effects of current passing through the human body［M］.IEC，1984.

［7］Schwarz S J.Analytical expression for resistance of grounding systems［J］.IEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1954，173(13):1011-1016.

［8］Joseph P，Kosiarski.The use of electrically conductive organic surface coatings shielding and grounding of plastic enclosures［J］.Polymer-Plastics Technology and Engineering，1979，33(2):183-195.

［9］王洪澤.對電力標準《接地》中接地網(wǎng)最大接觸電位差公式的分析與拓展［J］.廣西電力工程，2000(4):23-26.

［10］GB 50065—2011交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2012.