海外工程火力發(fā)電廠接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

鄧志剛

（浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315012）

海外工程火力發(fā)電廠接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

鄧志剛

（浙江省電力建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315012）

在海外工程接地設(shè)計(jì)中主要參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE Standard 80-2013，通過(guò)介紹越南沿海發(fā)電廠接地材料的選擇、接地故障接地網(wǎng)入地不對(duì)稱電流的計(jì)算、接地材料截面大小的確定、接地電阻的計(jì)算以及接觸電壓跨步電壓的計(jì)算和校驗(yàn)，體現(xiàn)了海外工程接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。論述了在海外工程中EPC合同的重要性，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)圖紙審批過(guò)程中遇到的困難和解決方案，為海外工程接地網(wǎng)設(shè)計(jì)提供借鑒，降低海外工程項(xiàng)目的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

接地材料；接地導(dǎo)體截面；接觸電壓；跨步電壓；接地電阻；圖紙審批

0 引言

隨著國(guó)家“一帶一路”重大戰(zhàn)略的制定，以及國(guó)內(nèi)火電年利用小時(shí)數(shù)下降、裝機(jī)容量趨于飽和、新建火電項(xiàng)目審批困難，國(guó)內(nèi)各大工程公司和設(shè)計(jì)院參與承包和設(shè)計(jì)的海外發(fā)電廠項(xiàng)目越來(lái)越多。然而，在海外工程中中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)往往不被認(rèn)可，EPC合同會(huì)明確要求使用歐美標(biāo)準(zhǔn)，接地網(wǎng)設(shè)計(jì)主要參考IEEE Std 80-2013《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和 IEEE Std 665-1995《IEEE Standard for Generating Station Grounding》，IEEE Std 80-2013詳細(xì)介紹了發(fā)電廠和變電站接地設(shè)計(jì)的原理和方法，IEEE Std 665-1995則專門補(bǔ)充說(shuō)明發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。

海外工程要求提交接地計(jì)算書，只有在接地計(jì)算書獲得批準(zhǔn)后，業(yè)主和監(jiān)理工程師才會(huì)審查接地設(shè)計(jì)圖紙，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，接地計(jì)算書扮演著重要的角色，其既是接地材料選型、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收的依據(jù)，也決定著工程成本。

1 接地設(shè)計(jì)目的

接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有2個(gè)目的：一是為故障電流提供入地通道，確保設(shè)備安全和發(fā)電廠的連續(xù)運(yùn)行；二是保證在接地裝置附近的人員免受電擊傷害[1]。第一條由接地導(dǎo)體短時(shí)熱穩(wěn)定保證，第二條則需要在發(fā)電廠范圍內(nèi)校驗(yàn)接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)，確保其在允許的安全范圍內(nèi)。

與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不同的是，IEEE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接地電阻的要求比較寬松，而且不作為設(shè)計(jì)考核的依據(jù)，唯一考核的判據(jù)是接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)不超過(guò)人體允許的安全值[2]。

2 接地材料的選擇

（1）金屬性能。銅材與鋼材相比具有更好的導(dǎo)電性和抗腐蝕性。

（2）連接方式。銅材之間的連接采用放熱焊接，這種焊接方式利用活性較強(qiáng)的鋁將氧化亞銅還原，釋放出大量的熱量熔化金屬銅，使銅材之間真正達(dá)到分子結(jié)合；鋼材之間的連接采用電弧焊接，高溫電弧會(huì)破壞接地體接頭部位的鍍鋅層，導(dǎo)致后期接頭腐蝕加劇。

（3）接地材料選擇。選擇合適的接地材料能保證接地網(wǎng)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的完整性，如果接地網(wǎng)在運(yùn)行期間損壞，在已運(yùn)行的發(fā)電廠重新開挖敷設(shè)接地網(wǎng)不僅操作困難也不經(jīng)濟(jì)[3]，銅接地網(wǎng)在投運(yùn)后檢驗(yàn)維護(hù)工作量小，是IEEE標(biāo)準(zhǔn)推薦的接地材料，銅是國(guó)際工程中接地材料的首選。但需要注意的是：銅材會(huì)對(duì)與之相連的地下金屬構(gòu)筑物產(chǎn)生電偶腐蝕[4]，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理規(guī)劃路徑避免并行，并在銅材附近的金屬管道上刷絕緣涂層；同時(shí)，銅材比鋼材價(jià)格高很多，施工完成后應(yīng)做好防盜措施，避免因此造成接地網(wǎng)的不完整。

3 接地故障接地網(wǎng)入地不對(duì)稱電流

在設(shè)計(jì)接地網(wǎng)時(shí)，應(yīng)計(jì)及故障電流直流分量的影響；同時(shí)，接地故障電流經(jīng)過(guò)分流后，剩余部分經(jīng)接地網(wǎng)流入地中，因此要考慮分流系數(shù)，并假設(shè)分流系數(shù)在整個(gè)故障過(guò)程中是不變的[5]。在設(shè)計(jì)接地網(wǎng)時(shí)應(yīng)按照接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對(duì)稱電流有效值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)IEEE Std 80式84，可以計(jì)算出衰減系數(shù)Df：

式中：Ta為直流偏移分量的時(shí)間常數(shù)；tf為故障持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)IEEE Std 80式69和式70可以計(jì)算出接地故障接地網(wǎng)入地不對(duì)稱電流有效值IG：

式中：Sf為分流系數(shù)；If為接地故障對(duì)稱電流有效值；Ig為接地故障接地網(wǎng)入地對(duì)稱電流有效值。

4 接地導(dǎo)體截面

接地導(dǎo)體分為設(shè)備引下線和接地網(wǎng)，由于設(shè)備引下線要承受流入主接地網(wǎng)的所有故障電流，而故障電流流入地網(wǎng)后會(huì)發(fā)生分流，這樣接地網(wǎng)導(dǎo)體只需要承受故障電流的一部分。所以，設(shè)備引下線截面應(yīng)大于接地網(wǎng)導(dǎo)體的截面，或者從設(shè)備向接地網(wǎng)引出多條引下線。

在選擇銅材作為接地材料后，根據(jù)IEEE Std 80中的表1可以得到銅的材料物理常數(shù)。

表1中的銅的最大允許溫度來(lái)自ASTM標(biāo)準(zhǔn)，而IEEE Std 665結(jié)合火力發(fā)電廠實(shí)際情況，規(guī)定火力發(fā)電廠接地網(wǎng)銅的最高溫度不能超過(guò)500℃，因此最大允許溫度取值Tm=500℃[6]。

根據(jù)IEEE Std 80式45，可以計(jì)算出接地網(wǎng)導(dǎo)體的截面Amm2：

式中：Tm為導(dǎo)體最大允許溫度；Ta為環(huán)境溫度，取值40℃；Tr為材料物理常數(shù)的參考溫度，取值20℃；tc為短路電流持續(xù)時(shí)間；αr為溫度在參考溫度Tr時(shí)的電阻率溫度系數(shù)；α0為溫度為0℃時(shí)的電阻率溫度系數(shù)；ρr為溫度在參考溫度Tr時(shí)接地導(dǎo)體的電阻率；K0為或-Tr； TCAP 為材料單位體積熱容常數(shù)。

特別需要注意的是，這里計(jì)算接地導(dǎo)體截面所用的電流沒(méi)有考慮分流系數(shù)的接地故障不對(duì)稱電流IF，這是IEEE標(biāo)準(zhǔn)中被廣泛接受的經(jīng)驗(yàn)做法，以此來(lái)考慮系統(tǒng)未來(lái)擴(kuò)容所造成的接地故障電流增大。如果既考慮系統(tǒng)未來(lái)的擴(kuò)容，又忽略分流系數(shù)就會(huì)造成過(guò)度設(shè)計(jì)。

在接地裝置的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，導(dǎo)體的強(qiáng)度應(yīng)能經(jīng)受住任何預(yù)期的機(jī)械作用或腐蝕引起的損傷[7]。越南沿海火力發(fā)電廠靠近海邊，接地導(dǎo)體暴露在腐蝕性土壤環(huán)境中，即使合理的導(dǎo)體尺寸和正確的連接方法已經(jīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，仍然需要選擇更大的導(dǎo)體尺寸，以補(bǔ)償土壤腐蝕環(huán)境中接地導(dǎo)體截面在接地裝置設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的逐漸減少[8]。

表1 銅的材料物理常數(shù)

5 跨步電壓和接觸電壓允許值

人體電阻為Rg=1 000Ω，結(jié)合亞洲人體重的實(shí)際情況，體重50 kg的人耐受電流考慮表層土壤衰減系數(shù)的情況下，人腳和土壤間的接觸電阻Rf=3Csρs。當(dāng)人在地面行走時(shí)，人的兩只腳和土壤間的接觸電阻以及人體電阻是串聯(lián)的，因此根據(jù)IEEE Std 80式28和式29可以計(jì)算出跨步電壓的允許值Estep50為：

當(dāng)人站立于地面用手去接觸接地的金屬導(dǎo)體時(shí)，人的兩只腳和土壤間的接觸電阻是并聯(lián)的，因此根據(jù)IEEE Std 80式31和式32可以計(jì)算出接觸電壓的允許值Etouch50為：

根據(jù)IEEE Std 80式27可以計(jì)算出表層衰減系數(shù)Cs為：

式中：hs為表層土壤厚度；ρ為土壤電阻率；ρs為表層土壤電阻率。

需要注意的是：電流流經(jīng)人體的路徑通常是從手到腳或從一只腳到另一只腳，當(dāng)電流路徑是從手到腳時(shí)，大部分電流會(huì)流經(jīng)人體重要器官包括心臟，因而危險(xiǎn)性更大。要在心臟區(qū)域產(chǎn)生同樣影響，從一只腳流向另一只腳所需的電流是從手到腳的25倍。

6 接地電阻

接地網(wǎng)包含水平接地網(wǎng)和垂直接地極[10]，同時(shí)接地網(wǎng)的邊緣是封閉的，根據(jù)IEEE Std 80式57即Sverak公式，綜合考慮土壤電阻率、接地網(wǎng)面積、接地導(dǎo)體有效長(zhǎng)度和埋設(shè)深度，可以計(jì)算出接地電阻值Rg為：

式中：LT為接地導(dǎo)體總長(zhǎng)度，包括水平接地網(wǎng)和垂直接地極；A為接地網(wǎng)面積；h為接地網(wǎng)埋設(shè)深度。

7 接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)校驗(yàn)

7.1 地電位升

地電位升GPR=IGRg，如果地電位升GPR小于接觸電壓允許值Etouch50，那么計(jì)算可以結(jié)束，無(wú)需進(jìn)一步分析，否則需要進(jìn)一步校驗(yàn)接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)實(shí)際值。

7.2 網(wǎng)孔電壓

網(wǎng)孔電壓是電站內(nèi)可能出現(xiàn)的最嚴(yán)重的接觸電壓[11]，根據(jù)IEEE Std 80式85可以計(jì)算出網(wǎng)孔電壓Em為：

根據(jù)IEEE Std 80式86可以計(jì)算出網(wǎng)孔電壓幾何校正系數(shù)Km為：

根據(jù)IEEE Std 80式94可以計(jì)算出接地網(wǎng)不規(guī)則校正系數(shù)Ki為：

對(duì)于在邊角有垂直接地極的接地網(wǎng)，或是沿著接地網(wǎng)四周和其內(nèi)部布置垂直接地極時(shí)，根據(jù)IEEE Std 80式96可以計(jì)算出接地網(wǎng)有效埋設(shè)長(zhǎng)度LM為：

式中：D為接地網(wǎng)平行導(dǎo)體間距；d為接地網(wǎng)導(dǎo)體直徑；Kii為垂直接地極系數(shù)，對(duì)于使用垂直接地極較多的接地網(wǎng)取值1；LC為水平接地網(wǎng)導(dǎo)體的總長(zhǎng)度；LR為所有垂直接地極的總長(zhǎng)度；Lx為接地網(wǎng)x方向的最大長(zhǎng)度；Ly為接地網(wǎng)y方向的最大長(zhǎng)度；Lr為每個(gè)垂直接地極的長(zhǎng)度。

根據(jù)IEEE Std 80式88可以計(jì)算出接地網(wǎng)埋深系數(shù)Kh為：

式中：h0接地網(wǎng)參考深度，取值1 m。

根據(jù)IEEE Std 80式89可以計(jì)算出矩形接地網(wǎng)一個(gè)方向的平行導(dǎo)體數(shù)n：

式中：對(duì)于矩形接地網(wǎng)nc=1，nd=1；LP為接地網(wǎng)的周長(zhǎng)。

7.3 跨步電壓

根據(jù)IEEE Std 80式97，98和99可以計(jì)算出跨步電壓Es為：

式中：Ls為埋入地中的接地系統(tǒng)導(dǎo)體有效長(zhǎng)度；Ks為幾何校正系數(shù)。

如果計(jì)算出來(lái)的接地網(wǎng)網(wǎng)孔電壓和跨步電壓均小于允許值，設(shè)計(jì)僅需完善設(shè)備接地通道，接地設(shè)計(jì)即可完成。否則需要增大接地網(wǎng)面積，縮小接地導(dǎo)體間距，增加接地極來(lái)降低最大接觸電位差和跨步電位差；或是在配電裝置有人操作和走動(dòng)的地方鋪設(shè)碎石[12]，人為提高表層土壤電阻率，通過(guò)增大人腳和土壤間的接觸電阻來(lái)增加跨步電壓和接觸電壓允許值，從而保證人身安全[13]。

8 工程實(shí)踐

海外工程設(shè)計(jì)圖紙需要業(yè)主審批，在EPC合同中規(guī)定只有獲得業(yè)主批準(zhǔn)的圖紙才能在施工中使用，如果擅自使用沒(méi)有提交業(yè)主審查或者審查沒(méi)有通過(guò)的圖紙，由此造成的后果由總承包方承擔(dān)，可能存在返工、延誤工期的風(fēng)險(xiǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失；同時(shí)施工完成后業(yè)主將拒絕去現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，直接導(dǎo)致后續(xù)的施工無(wú)法開展[14]。

（1）海外工程中普遍使用銅作為接地材料，由于越南項(xiàng)目對(duì)接地計(jì)算書的審查極其嚴(yán)格，同時(shí)EPC合同中規(guī)定導(dǎo)體需留有至少10%的裕量，接地材料截面往往會(huì)大于預(yù)期，接地材料的選擇和截面大小變化會(huì)帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）海外工程圖紙審批難度大，一般情況下圖紙從初次提交到獲得業(yè)主批準(zhǔn)需要3～5個(gè)來(lái)回，越南沿海項(xiàng)目從初次提交接地圖紙到圖紙最終獲批歷時(shí)8個(gè)月，而接地施工又是電氣專業(yè)最早開始的施工項(xiàng)目，圖紙審批時(shí)間長(zhǎng)會(huì)帶來(lái)一定的工期風(fēng)險(xiǎn)。

（3）接地計(jì)算書中使用的每一個(gè)數(shù)據(jù)都必須要有充分的依據(jù)，計(jì)算跨步電壓和接觸電壓允許值使用的表層土壤電阻率數(shù)據(jù)取自IEEE Std 80中的Table 7，分流系數(shù)取值來(lái)自IEEE Std 80中的Figure C.17。中方設(shè)計(jì)人員必須深入理解EPC合同和IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求，爭(zhēng)取每次與業(yè)主開會(huì)討論都形成由各方簽字確認(rèn)的會(huì)議紀(jì)要，逐步減少雙方的分歧。

（4）首次土壤電阻率測(cè)試結(jié)果包含在地勘報(bào)告中，由于軟基處理前后土壤電阻率存在差異，計(jì)算書中使用的土壤電阻率數(shù)據(jù)來(lái)自軟基處理之后，因而更加準(zhǔn)確。

（5）最大接地故障電流取EPC合同規(guī)定值和設(shè)計(jì)方提交計(jì)算值中的較大者，取值50 kA，為EPC合同中規(guī)定值。

9 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家“一帶一路”重大戰(zhàn)略的實(shí)施，越來(lái)越多的中國(guó)企業(yè)正在積極參與國(guó)際電站工程的建設(shè)，由于設(shè)計(jì)方法和理念存在差異，在工程實(shí)踐中采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接地設(shè)計(jì)很難得到認(rèn)可[15]，而IEEE Std 80作為國(guó)際上通用的接地設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)成果容易被國(guó)際同行理解和采納。

在海外工程中EPC合同是極其重要的，它是業(yè)主工程師審圖的主要依據(jù)，只有深入理解EPC合同，才能在與業(yè)主溝通時(shí)仔細(xì)解答業(yè)主的每一個(gè)困惑，通過(guò)充分的溝通建立起彼此之間的信任，順利推動(dòng)圖紙審批進(jìn)程。

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2017-08-07

鄧志剛（1988），男，助理工程師，從事國(guó)際電站工程建設(shè)管理工作。

（本文編輯：徐 晗）

Design of Earth Mat in Overseas Thermal Power Plant Projects

DENGZhigang
（Zhejiang Electric Power Construction Company， Ningbo Zhejiang 315012， China）

IEEE Standard 80-2013 is largely referenced in earthing design in overseas projects.By introduction of earthing material selection，calculation of unsymmetrical current in the earthing mat with earthing fault， section determination of earthing material， grounding resistance calculation and the calculation and check of contract voltage and step voltage in Vietnam coastal power plants，design characteristics of earthing mat in overseas projects are reflected.The paper also expounds the importance of EPC contractor in overseas projects； besides， it summarizes difficulties and solutions during earthing mat design and drawing approval，providing reference for earthing mat design in overseas projects and reducing the technical risks.

earthing material； earthing conductor section； contact voltage； step voltage； grounding resistance；drawing approval

10.19585/j.zjdl.201710005

1007-1881（2017）10-0022-05

TM201.3

B