IEEE 接地體選擇與計算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

楊 彬

（中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101）

0 引言

電力系統(tǒng)的安全可靠接地對電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行及操作維護(hù)人員安全都具有重大意義，在工程設(shè)計施工中，主要考慮以下幾方面［1］：一是防止臨近人員遭受電擊；二是保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行；三是防止雷擊和靜電的危害。雷電發(fā)生時，除了直接雷外，還會生產(chǎn)感應(yīng)雷，最有效的防范措施就是接地。若土壤對于接地材料沒有腐蝕性并且接地體的截面足夠大，則可以在數(shù)年內(nèi)保證接地系統(tǒng)的可靠性。

在工程實(shí)踐中，為滿足接地系統(tǒng)的使用壽命，接地系統(tǒng)中的設(shè)備包括接地導(dǎo)體、連接方式、接地連接線、接地極，都應(yīng)滿足以下要求：1）有足夠的導(dǎo)電能力，以減少跨步電壓；2）在最大持續(xù)故障電流作用下能夠不熔化、不變形；3）擁有較強(qiáng)的機(jī)械性能并且可靠連接；4）在遭受腐蝕或者物理損傷的時候能滿足接地系統(tǒng)參數(shù)要求。

根據(jù)IEEE std 80—2013 《交流變電站接地安全指南》相關(guān)規(guī)定，結(jié)合某項(xiàng)目實(shí)際要求，對接地體的選擇和接地電阻計算進(jìn)行了初步研究。

1 接地體選擇

1.1 導(dǎo)體材質(zhì)的選擇

目前廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料、非金屬接地體、降阻劑和離子接地系統(tǒng)等［2］。

金屬接地材料。金屬接地材料（主要指銅材和鋼材），由于其具備良好的導(dǎo)電性和經(jīng)濟(jì)性，很長時期以來一直是接地工程中最重要的材料之一。但是，由于金屬材料存在易腐蝕的缺點(diǎn)，對接地電阻的影響也比較大，存在隱患，同時，隨著其造價不斷攀高，使得金屬接地材料的缺點(diǎn)逐漸突顯，金屬接地材料的使用逐漸減少。

非金屬接地體。非金屬接地材料作為金屬接地體的替換產(chǎn)品，由于其特有的抗腐蝕性能、良好的導(dǎo)電性和較高的性價比被廣大用戶所接受。

降阻劑。降阻劑分為化學(xué)降阻劑和物理降阻劑，由于化學(xué)降阻劑存在污染水源、腐蝕地網(wǎng)等缺陷，現(xiàn)在廣泛采用的是物理降阻劑。物理降阻劑屬于材料學(xué)中的不定性復(fù)合材料，可以根據(jù)使用環(huán)境形成不同形狀的包裹體，也可以和接地環(huán)或接地體同時運(yùn)用，包裹在接地環(huán)和接地體周圍，達(dá)到降低接觸電阻的作用。物理降阻劑有超過20 年的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，施工工藝成熟。

離子接地系統(tǒng)。離子接地系統(tǒng)由傳統(tǒng)的金屬接地改進(jìn)而來，根據(jù)其接地系統(tǒng)的金屬材料不同，主要分為不銹鋼離子接地系統(tǒng)、銅包鋼離子接地系統(tǒng)和鋼材離子接地系統(tǒng)。不銹鋼離子接地系統(tǒng)的防腐性能較鋼材離子接地系統(tǒng)好，但其不宜在腐蝕性嚴(yán)重的環(huán)境中使用。銅包鋼離子接地系統(tǒng)可節(jié)約大量的銅，大大降低成本［3］。

綜合考慮實(shí)際需求、環(huán)境參數(shù)、市場報價、工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性等因素，結(jié)合接地材料的抗腐蝕性、電氣設(shè)備故障電流，本文選用加工倒棱終端冷拔銅。

1.2 導(dǎo)體截面

1.2.1 最大允許短路電流

根據(jù)IEEE std 80—2013 《交流變電站接地安全指南》中計算公式，導(dǎo)體最大允許短路熔斷電流（即變電所開關(guān)柜所能開斷的最大短路電流）為［4］

式中：Tp為導(dǎo)體熱容量，J／（cm3·℃）；tc為電流作用時間，s；Tm為導(dǎo)體熔點(diǎn)，℃；ar為導(dǎo)體電阻率溫度系數(shù)，式（1）中，ar取Tm溫度下的導(dǎo)體電阻率溫度系數(shù)值；，a0為0 ℃下的電阻率溫度系數(shù)；ρr為導(dǎo)體電阻率，μΩ·cm，ρr取Tm溫度下的導(dǎo)體電阻率；Ta為環(huán)境溫度，℃。

在工程應(yīng)用中，常見接地材料性能參數(shù)如表1所示。

式（1）基于兩個基本的假定：所有的熱量都集中在導(dǎo)體里（絕熱過程）；比熱容和密度的比值（熱容量）是常數(shù)。對大多數(shù)金屬而言，只要故障電流在幾秒內(nèi)消散，這兩個假定在相當(dāng)大溫度范圍內(nèi)都適用。

1.2.2 變電所接地網(wǎng)導(dǎo)體截面

以某工程中變電所為例，查得該工程中變電所接地網(wǎng)有關(guān)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 常見接地材料性能參數(shù)

表2 變電所接地網(wǎng)有關(guān)參數(shù)

工程應(yīng)用中，取設(shè)備故障電流作用時間tc=0.25 s，根據(jù)式（1）計算可得接地導(dǎo)體使用最小截面Amin為75.21 mm2。故該變電所接地網(wǎng)使用4／0 AWG（橫截面積為107 mm2）銅線滿足最大允許短路熔斷電流為85 kA 的要求。

1.2.3 裝置區(qū)接地網(wǎng)導(dǎo)體截面

計算裝置區(qū)用電設(shè)備短路故障電流

式中：cMAX為最大短路電流電壓因數(shù)；ZM為電機(jī)阻抗值，Ω；Un為額定電壓，kV。選擇額定電壓Un為0.48 kV，選取功率最大的電機(jī)進(jìn)行校核，該電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

根據(jù)IEC 6090—2016《三相交流系統(tǒng)短路計算》計算公式，電機(jī)阻抗值為［5］

表3 裝置區(qū)功率最大電機(jī)有關(guān)參數(shù)

工程應(yīng)用中取最大短路電流電壓因數(shù)cMAX=1.05，可計算短路故障電流為

設(shè)備故障電流作用時間tc取1 s，根據(jù)式（1）可得接地導(dǎo)體使用最小截面為7.41 mm2。故該工程裝置區(qū)用電設(shè)備接地線選用2／0 AWG（橫截面積為67.4 mm2）銅線滿足故障短路電流2.07 kA 的要求。

2 接地電阻

對于選定的接地體，接地電阻不宜過大，以保證為電流消散提供通道，使得跨步電壓限制在安全范圍內(nèi)并避免弧閃。為了將不同用途和各種不同電壓等級的電氣設(shè)備接地，應(yīng)使用一個總的接地裝置。接地裝置的接地電阻應(yīng)滿足其中接地電阻最小的電氣設(shè)備的要求［6］。取某工程為例，工程要求接地體埋深不低于0.762 m，接地電阻不大于5 Ω，接地極長度不小于2.438 m，相鄰兩個接地極之間的距離不小于6.096 m。

2.1 土壤電阻率

工程設(shè)計應(yīng)以實(shí)測的土壤電阻率為依據(jù)。在具體工程中變電所（或接地網(wǎng)）不同地點(diǎn)和不同深度的土壤電阻率是不同的，在計算中可選取一個等值的土壤電阻率進(jìn)行計算。本文算例中，接地體埋深處土壤電阻率取值為197.8 Ω·m 。

2.2 柯西希瓦茲公式

本文算例中某區(qū)域接地網(wǎng)如圖1 所示，接地干線規(guī)格為單芯4／0 AWG（橫截面積為107 mm2）銅線，接地極直徑為0.229 m，主要計算參數(shù)如表4 所示。

圖1 主接地網(wǎng)

表4 計算參數(shù)

柯西希瓦茲公式給出了考慮水平接地體和垂直接地體的均勻土壤中接地電阻的計算公式為［1］：

式中：R1為水平接地體的計算電阻，Ω；R2為垂直接地極的計算電阻，Ω；Rm為R1和R2間的相互接地電阻，Ω；k1、k2為柯西希瓦茲公式中2 個計算參數(shù)。

柯西希瓦茲公式中參數(shù)k1和k2的取值曲線如圖2 所示。使用插值法，可以從圖2 曲線中得出該接地系統(tǒng)的計算參數(shù)k1和k2：

1）水平接地體的計算電阻。算例中使用的4／0 AWG（橫截面積為107 mm2）銅導(dǎo)線的直徑為＝0.013 05 m，等效直徑a′＝＝0.099 72 m，則水平接地體的計算電阻為

圖2 柯西希瓦茲公式中的參數(shù)和曲線

2）垂直接地極的計算電阻。算例中使用的接地極直徑為0.019 m，則

3）相互接地電阻為

根據(jù)以上計算結(jié)果可以得出該裝置局部接地系統(tǒng)的接地電阻計算值為

2.3 簡便計算

接地電阻的估算是決定接地系統(tǒng)線徑和布置的第一步，電阻值主要取決于接地系統(tǒng)的占地面積，而占地面積在設(shè)計初期很容易獲得。接地電阻的最小值可以通過假設(shè)地表敷設(shè)整張金屬板來估算：

進(jìn)而把水平接地體的長度和垂直接地極的長度的總和作為接地干線總長度，接地電阻的計算值在上式中加上一個附加項(xiàng)來估算：

Sverak 給出了考慮到接地體的埋深計算公式［4］為

對比利用柯西希瓦茲公式和簡便計算公式的測算看到：1）兩種方法測算的接地極電阻值基本一致，滿足業(yè)主相關(guān)要求；2）簡便計算的計算量明顯較小，所需參數(shù)也更為簡單，非常適合工程實(shí)際中選用。

3 結(jié)語

土壤環(huán)境、接地材料的抗腐蝕性以及工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性決定了接地材料的選擇；設(shè)備最大短路故障電流決定了主接地網(wǎng)導(dǎo)體截面的選擇。以某項(xiàng)目為算例，根據(jù)IEEE std 80—2013《交流變電站接地安全指南》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行相關(guān)設(shè)計，并通過計算驗(yàn)證了接地系統(tǒng)設(shè)計方案滿足規(guī)范要求，并利用柯西希瓦茲公式和簡便計算公式校核了接地電阻值，為接地系統(tǒng)設(shè)計滿足IEEE 標(biāo)準(zhǔn)提供了思路。