發(fā)電廠和變電站接地設(shè)計安全判據(jù)的探討

楊懷棟

(廣州供電局有限公司系統(tǒng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510610)

1 接地系統(tǒng)設(shè)計目的

目前，國內(nèi)發(fā)電廠和變電站接地系統(tǒng)采用《GB 50065－2011：交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)”)作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；國外變電站接地系統(tǒng)則采用《IEEE Std 80－2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》(以下簡稱“國際標(biāo)準(zhǔn)”)作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)電廠和變電站接地系統(tǒng)設(shè)計的基本目的：①正常的工作接地；②保護(hù)設(shè)備免受絕緣損壞；③保護(hù)人身安全。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，變電站接地系統(tǒng)設(shè)計的基本目的：①在正常和故障兩種工況下，在不超過任何操作限值和設(shè)備限值，同時不對變電站的運(yùn)行產(chǎn)生有害影響的前提下，為電流提供入地通道；②在各種工況下，保護(hù)位于接地裝置附近的人免受電擊危險。國際標(biāo)準(zhǔn)對于變電站接地系統(tǒng)設(shè)計目的的描述同樣也適用于發(fā)電廠的接地系統(tǒng)設(shè)計。

由此可知，雖然以上兩個設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對于接地系統(tǒng)設(shè)計目的的描述有所不同，但是其本質(zhì)并沒有什么差別。可歸納為如下兩點：①功能性接地，即在正常情況下為電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行電流提供入地通道；②安全性接地，即在故障情況下為電力系統(tǒng)的故障電流提供入地通道，限制地電位升、接觸電位差和跨步電位差的升高，以保證人身和設(shè)備的安全。

2 現(xiàn)有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 現(xiàn)有設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的安全判據(jù)

現(xiàn)有的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)均制訂了接地系統(tǒng)設(shè)計的安全判據(jù)：

(1)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)首先是側(cè)重接地電阻。“有效接地系統(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)，應(yīng)符合下列要求：接地網(wǎng)的接地電阻宜符合下式的要求，且保護(hù)接地接至變電站接地網(wǎng)的站用變壓器的低壓應(yīng)采用TN系統(tǒng)，低壓電氣裝置應(yīng)采用(含建筑物鋼筋的)保護(hù)總等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)R≤2000/IG，式中R為考慮季節(jié)變化的最大接地電阻(Ω)；IG為計算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對稱電流有效值(A)；”同時規(guī)定，當(dāng)接地網(wǎng)的接地電阻不符合本式要求時，“可通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較適當(dāng)增大接地電阻。”且在采取隔離措施、校核低壓避雷器吸收能量的安全性等條件下，“接地網(wǎng)地電位升高可提高至5kV。必要時，經(jīng)專門計算，且采取的措施可確保人身和設(shè)備安全可靠時，接地網(wǎng)地電位升還可以進(jìn)一步提高?！背酥?，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還以專門的章節(jié)要求接地系統(tǒng)需要滿足接觸電位差和跨步電位差的要求。

(2)國際標(biāo)準(zhǔn)對于接地系統(tǒng)的安全判據(jù)有兩條：一是，在變電站范圍內(nèi)校驗接觸電位差和跨步電位差在安全的范圍內(nèi)，本條同樣適用于發(fā)電廠的接地系統(tǒng)設(shè)計；二是，為了降低地電位升，接地系統(tǒng)對遠(yuǎn)端大地應(yīng)保持較低的接地電阻，對于多數(shù)變電站或占地面積較大的變電站來說，接地電阻可限制在1Ω左右，而對小型的配電變電站站可以接受1Ω～5Ω。

2.2 差異

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)是從接地電阻和地電位升兩個方面規(guī)定了接地網(wǎng)的安全判據(jù)，而國際標(biāo)準(zhǔn)則是從接地電阻、接觸電位差和跨步電位差三個方面規(guī)定了接地網(wǎng)的安全判據(jù)，兩者之間卻存在很大的差異：

(1)接地電阻和地電位升

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對于接地電阻的規(guī)定較為嚴(yán)格，即R≤2000/IG。當(dāng)不滿足上述要求時，可增大接地電阻。國際標(biāo)準(zhǔn)對于接地電阻的規(guī)定相對寬松，而且接地電阻只是建議性的給出了阻值范圍，并不作為設(shè)計考核的標(biāo)淮。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)將地電位升作為接地電阻的輔助考核標(biāo)準(zhǔn)，即接地電阻不滿足R≤2000/IG時，若增大接地電阻，則在采取確保人身和設(shè)備安全措施后，地電位升可進(jìn)一步提高。而國際標(biāo)準(zhǔn)并未對地電位升的大小作具體數(shù)值規(guī)定。

(2)接觸電位差和跨步電位差

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)對于接觸電位差和跨步電位差都有嚴(yán)格的規(guī)定，即在任何情況下，接地系統(tǒng)的設(shè)計均需要校驗接觸電位差和跨步電位差在安全的范圍內(nèi)。但是，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)中，人體允許的安全接觸電位差和跨步電位差的計算公式有所不同，此部分內(nèi)容將在后續(xù)內(nèi)容中詳細(xì)介紹。

2.3 差異的分析比較

設(shè)備的安全指標(biāo)是地電位升，而人身的安全指標(biāo)是接觸電位差和跨步電位差。對于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)來說，原來的設(shè)計方法均是基于均勻土壤和簡單公式，因此接地電阻和地電位升之間存在簡單的對應(yīng)關(guān)系。所以，對于接地電阻的限制就直接體現(xiàn)了對地電位升的控制。因此，上述兩個標(biāo)準(zhǔn)的安全判據(jù)是通過對接地電阻的控制來體現(xiàn)設(shè)備的安全指標(biāo)，通過對接觸電位差和跨步電位差的控制來體現(xiàn)人身的安全指標(biāo)。

由于保護(hù)設(shè)備和人身安全是接地系統(tǒng)設(shè)計的基本目的，因此國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國外標(biāo)準(zhǔn)對于接地設(shè)計安全判據(jù)的制訂均存在一定缺陷，具體內(nèi)容如下：

(1)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)安全判據(jù)的缺陷

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定接地電阻需要滿足R≤2000/IG的要求，同時規(guī)定當(dāng)接地電阻不滿足上述要求時，且采取確保人身和設(shè)備安全措施后，地電位升可進(jìn)一步提高。并校核接觸電位差和跨步電位差以保證人身安全，而對于是否可以保護(hù)設(shè)備安全則通過對地電位升大小的限制進(jìn)行考核，并沒有給出保護(hù)設(shè)備安全的實質(zhì)內(nèi)容。這樣的接地設(shè)計是不完善的，理由如下：

對于設(shè)備保護(hù)：制訂接地電阻滿足R≤2000/IG要求的依據(jù)就是低壓設(shè)備的絕緣水平為2000V。低壓設(shè)備主要包括電氣二次專業(yè)的保護(hù)及測量裝置、通信專業(yè)裝置等。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，發(fā)電廠和變電站的入地電流不斷增大，因此接地電阻滿足R≤2000/IG的要求是很難實現(xiàn)的。此種情況下，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定地電位升最大為5kV，其立論依據(jù)是廠內(nèi)或站內(nèi)電氣二次設(shè)備承受的電位差不大于地電位升的40%，此系數(shù)有待進(jìn)一步考證。同時，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，特殊情況下，地電位升還可進(jìn)一步提高，此條規(guī)定僅為定性描述，可實施性較差。因此，上述判據(jù)對于廠內(nèi)或站內(nèi)低壓設(shè)備特別是電氣二次專業(yè)和通信專業(yè)的低壓設(shè)備保護(hù)的內(nèi)容，需要進(jìn)一步討論和明確。

(2)國際標(biāo)準(zhǔn)安全判據(jù)的缺陷

國際標(biāo)準(zhǔn)對于接地系統(tǒng)設(shè)計唯一考核的判據(jù)就是最大接觸電位差和跨步電位差不超過人體允許耐受的范圍，這充分保證了人身的安全要求，但并未規(guī)定保護(hù)設(shè)備安全的要求，這對于站內(nèi)設(shè)備特別是電氣二次專業(yè)和通信專業(yè)的低壓設(shè)備不利，也需要進(jìn)一步討論和明確。

2.4 結(jié)論

根據(jù)以上分析比較，對于接地系統(tǒng)設(shè)計的基本目的及其安全判據(jù)：

(1)接地系統(tǒng)的設(shè)計在任何情況下均應(yīng)通過計算來驗證最大接觸電位差和跨步電位差不超過人體允許耐受的范圍，以保證人身安全。

(2)接地系統(tǒng)的設(shè)計在任何情況下均應(yīng)保證廠內(nèi)或站內(nèi)低壓設(shè)備特別是電氣二次專業(yè)和通信專業(yè)等低壓設(shè)備的安全。

3 接觸電位差和跨步電位差允許值

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提出，人體允許的接觸電位差：

跨步電位差：

式中：Cs為表層衰減系數(shù)，ρs為地表層的土壤電阻率，hs為表層土壤厚度，ρ為下層土壤電阻率，ts為接地故障電流持續(xù)時間。

國際標(biāo)準(zhǔn)從99.5%人群耐受的電功率SB=IB2×ts出發(fā)，以體重50kg的人耐受電流SB=0.116/和體重70kg的人耐電流IB=0.157/作為判據(jù)。推導(dǎo)出人體允許的接觸電位差和跨步電位差：

(1)50kg人體：

(2)70kg人體：

式中：Cs、ρs、hs、ρ與前述定義相同。

由上式可以看出，體重50kg的人體允許接觸電位差和跨步電位差要明顯小于體重70kg的人體耐受值。在具體應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)發(fā)電廠和變電站運(yùn)行人員的具體情況進(jìn)行判斷和選擇。對于國內(nèi)發(fā)電廠和變電站，大部分運(yùn)行人員體重并未達(dá)到70kg，故應(yīng)以50kg為體重選擇標(biāo)準(zhǔn)來計算人體允許的接觸電位差和跨步電位差。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于接觸電位差和跨步電位差的計算公式中，最新國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)引入的Cs系數(shù)與國際標(biāo)準(zhǔn)相同。兩者的差異為，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中人體電阻取值為1500Ω，而國際標(biāo)準(zhǔn)中人體電阻取值為1000Ω。

對于人體重量，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中人體重量取值為50kg，而國際標(biāo)準(zhǔn)中人體重量分為50kg和70kg兩種，適用于國內(nèi)發(fā)電廠和變電站的人體重量應(yīng)選擇為50kg。兩者相同。

根據(jù)上述比較，國際標(biāo)準(zhǔn)對接觸電位差和跨步電位差的要求更為科學(xué)和嚴(yán)格。但根據(jù)國內(nèi)發(fā)電廠和變電站設(shè)計多年的驗證，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)對于接觸電位差和跨步電位差的計算公式均可作為國內(nèi)發(fā)電廠和變電站接地系統(tǒng)設(shè)計的人身安全判據(jù)。

4 低壓設(shè)備允許的地電位升

發(fā)電廠和變電站低壓設(shè)備的安全性直接與地電位升相關(guān)。目前，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對于接地電阻規(guī)定的R≤2000/IG的要求，其由來是：由于低壓設(shè)備的絕緣耐壓低，特別是原來的金屬導(dǎo)線的電話線的絕緣耐壓一般都只有2000V。同時假設(shè)短路故障時，低壓電纜芯線上沒有感應(yīng)電位，這樣作用在低壓電纜屏蔽層及低壓設(shè)備上的電壓就是地電位升。因此，從確保低壓設(shè)備的安全性出發(fā)，要求地電位升不大于2000V，即要求接地電阻R≤2000/IG。

但是，在進(jìn)行發(fā)電廠和變電站設(shè)計時，如果接地系統(tǒng)的接地電阻不滿足R≤2000/IG的要求，則電氣二次以及通信等專業(yè)所有引至站外的電纜，以及電氣一次專業(yè)的低壓電纜均要求采取加裝隔離變壓器或其它隔離措施，防止地電位引向廠外或站外，實現(xiàn)了廠內(nèi)或站內(nèi)低壓電纜和設(shè)備與廠外或站外電纜和設(shè)備的電氣隔離。這種情況下，發(fā)電廠或變電站內(nèi)所有低壓設(shè)備和電纜工作電壓的參考零電位都是廠內(nèi)或站內(nèi)接地系統(tǒng)的地電位。當(dāng)故障情況下接地系統(tǒng)的電位升高時，低壓電纜和設(shè)備的工作電壓的參考零電位會隨之升高。因此，施加于廠內(nèi)或站內(nèi)低壓電纜和設(shè)備的接地部分與工作部分的電位不會是接地系統(tǒng)的相對絕對零電位的地電位升，其電位最多為電流注入點的電位與發(fā)電廠或變電站內(nèi)最小電位升的差，即發(fā)電廠或變電站內(nèi)任意兩點之間的最大電位差(以下稱“最大相對地電位差”)。

根據(jù)以上分析，為了實現(xiàn)保護(hù)廠內(nèi)或站內(nèi)設(shè)備的安全，只要將發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)的最大相對地電位差限制在2000V以內(nèi)即可。

而在2011年發(fā)布并于2012年起實施的最新接地設(shè)計規(guī)范《GB 50065－2011：交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》中，第4.2.1第2)條規(guī)定，在采取隔離措施、校核低壓避雷器吸收能量的安全性等條件下，“接地網(wǎng)地電位升高可提高至5kV?！逼淞⒄摰幕A(chǔ)在于，常規(guī)發(fā)電廠和變電站的接地系統(tǒng)，其網(wǎng)內(nèi)最大地電位差一般不超過地電位升的40%，這種情況下，地電位升提高至5kV則可以滿足最大地電位差不大于2000V的要求。本條同時指出，“必要時，經(jīng)專門計算，且采取的措施可確保人身和設(shè)備安全可靠時，接地網(wǎng)地電位升高還可進(jìn)一步提高?！比松戆踩笣M足接觸電位差和跨步電位差的要求，而設(shè)備安全則是指滿足最大地電位差不大于2000V的要求。

因此，在實際的工程設(shè)計中，在發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)不滿足R≤2000/IG要求或者即使可以滿足但經(jīng)濟(jì)性較差的情況下，建議通過判斷發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)的最大相對地電位差是否不大于2000V作為國內(nèi)發(fā)電廠或變電站設(shè)計的低壓設(shè)備安全判據(jù)。

5 接地系統(tǒng)安全指標(biāo)的關(guān)系

在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中，接地系統(tǒng)的安全指標(biāo)包括了接地電阻、接觸電位差和跨步電位差；而在國際標(biāo)準(zhǔn)中，接地系統(tǒng)的安全指標(biāo)僅包括接觸電位差和跨步電位差。對于這些參數(shù)之間的相互關(guān)系分析如下：

5.1 地電位升、最大相對地電位差與接地電阻的關(guān)系

傳統(tǒng)的接地系統(tǒng)設(shè)計方法中，整個接地網(wǎng)被看作是等電位的。同時，地電位升的計算是基于均勻土壤和簡單公式，因此接地電阻和地電位升之間存在簡單的對應(yīng)關(guān)系。所以，對于地電位升的控制就直接體現(xiàn)在對接地電阻的限制上。

地電位升不但與接地電阻有關(guān)，還與發(fā)電廠和變電站內(nèi)土壤的電阻率變化以及土壤電阻率的大小分布等有關(guān)。若仍采用等電位接地網(wǎng)的概念，并視土壤為均勻的，計算采用簡單公式則會造成較大的計算誤差。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行接地網(wǎng)參數(shù)計算已得到成功應(yīng)用。這就為解決不等電位問題，計算接地網(wǎng)內(nèi)各點的電位升和發(fā)電廠和變電站內(nèi)接地區(qū)域的最大相對地電位差提供了可能。基于以上兩點，對于地電位升的控制，特別是本文中提到的對于最大相對地電位差的控制，已不能沿用原來的接地電阻的簡單判斷上，而需要通過先進(jìn)的計算方法轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ仉娢簧妥畲笙鄬Φ仉娢徊畹闹苯优袛嗌蟻怼?/p>

5.2 接觸電位差、跨步電位差與地電位升的關(guān)系分析

根據(jù)實際的物理定義可知，人體可能承受的接觸電位差和跨步電位差主要是由發(fā)電廠或變電站接地區(qū)域內(nèi)的各點之間存在電位差所導(dǎo)致的。因此，它和許多因素有關(guān)，如流經(jīng)接地體的電流、接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸、土壤電阻率等。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，人體承受的接觸電位差和跨步電位差與地電位升之間有如下關(guān)系：①當(dāng)水平接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸和土壤電阻率不變時，降低接地系統(tǒng)的地電位升可以降低人體承受的接觸電位差和跨步電位差；②當(dāng)降低地電位升的措施代價較大時，可以通過改善水平接地網(wǎng)的布置來改善網(wǎng)內(nèi)的電位分布的均勻性可以改善人體承受的接觸電位差和跨步電位差。

6 結(jié)論

(1)發(fā)電廠和變電站接地系統(tǒng)設(shè)計的安全判據(jù)應(yīng)同時考慮人身安全和設(shè)備安全兩個方面的內(nèi)容。

(2)最大接觸電位差和最大跨步電位差是保證人身安全的唯一判據(jù)。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)對于最大接觸電位差和最大跨步電位差的計算公式均可作為國內(nèi)發(fā)電廠和變電站設(shè)計的人身安全判據(jù)。國際標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的計算公式更偏保守。通過降低地電位升和改善水平接地網(wǎng)的布置可以降低人體承受的接觸電位差和跨步電位差。

(3)最大相對地電位差是保證設(shè)備安全的唯一判據(jù)。在發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)不滿足R≤2000/IG的要求時，建議通過判斷發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)的最大相對地電位差是否不大于2000V作為國內(nèi)發(fā)電廠和變電站設(shè)計的低壓設(shè)備安全判據(jù)。降低地電位升和改善水平接地網(wǎng)的布置可以降低接地系統(tǒng)的最大相對地電位差。

(4)發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)不滿足人身安全或設(shè)備安全的設(shè)計要求時，均可以通過降低接地電阻來降低地電位升改進(jìn)設(shè)計。但是發(fā)電廠和變電站的接地設(shè)計不可盲目地降低接地電阻，以造成較大的人力和物力的浪費。當(dāng)接地系統(tǒng)不滿足設(shè)計要求，且降低接地電阻代價較大時，可以通過改善水平接地網(wǎng)的布置使接地系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。對于接觸電位差和跨步電位差來說，還可以通過敷設(shè)高阻層來使其滿足人身安全的要求。

[1]GB 50065－2011，交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范[S]．

[2]水利電力西北設(shè)計院．電力工程電氣設(shè)計手冊：電氣次部分[K]．北京：中國電力出版社，1989．

[3]IEEE Std 80－2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding[S]．

[4]DL／T621－1997，交流電氣裝置的接地[S]．