基于IEEE Std 80-2000的光伏電站接地網(wǎng)設(shè)計

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1 IEEE標(biāo)準(zhǔn)簡介

IEEE Std 80-2000標(biāo)準(zhǔn)是由美國電氣電子工程師學(xué)會發(fā)布的關(guān)于電站接地設(shè)計的技術(shù)導(dǎo)則，其主要研究電站接地的主要設(shè)計導(dǎo)則，包括接地材料選擇、接地導(dǎo)體截面選擇及跨步電勢、接觸電勢、土壤電阻率及接地電阻的計算等。IEEE標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在國際項目中得到了廣泛的使用和認(rèn)可，其對于變電站接地安全性設(shè)計起著關(guān)鍵性的參考作用。

2 IEEE標(biāo)準(zhǔn)下接地網(wǎng)設(shè)計原則

IEEE的設(shè)計流程和我國的GB50065-2011在大方向上是基本一致的，但是在選擇導(dǎo)體截面、計算接地電阻以及跨步電勢、接觸電勢上略有不同。接地網(wǎng)的初步設(shè)計主要給定水平均壓帶和垂直接地極的間距、數(shù)量和埋深。在計算接地短路電流時，二者均給需要計算分流系數(shù)。根據(jù)入地電流，計算地電位的升高情況，并與所允許的接觸電勢進(jìn)行對比，若地電位升高小于允許的接觸電勢，則滿足安全判據(jù)，可進(jìn)行下一步設(shè)計；反之，則需進(jìn)一步驗算接觸電勢和跨步電勢，直至滿足安全判據(jù)。

3 基于實例的詳細(xì)設(shè)計

（1）項目概況。某60MW光伏項目，共3回24kV電纜型集電線路。24kV側(cè)采用單母接線，工程范圍包含光伏電站內(nèi)的全部設(shè)施，不包含升壓站和外線。通過計算得到，站內(nèi)24kV母線發(fā)生單相接時，最大接地故障電流If=12.53kA，其中站內(nèi)提供的短路電流為1.25kA，系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流為11.28kA，土壤電阻率ρ=7000Ω·m。

（2）接地導(dǎo)體截面選擇。IEEE標(biāo)準(zhǔn)中所提供的的接地導(dǎo)體最小截面的公式如下：

式中：If為接地故障對稱電流，A；Asc為導(dǎo)體截面積，mm2；Tca為單位體積熱容J/(cm3·℃)；tc為故障持續(xù)時間，取0.6s；α0為電阻率熱系數(shù)（t=0℃）；αr為參考溫度Tr下電阻率熱系數(shù)；ρr為參考溫度Tr下導(dǎo)體電阻率μΩ·cm；Ko為1/α0或(1/αr-Tr)℃；Tm為導(dǎo)體允許最大溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃。

采用式（1）計算的假想條件是短路為絕熱過程。對于大多數(shù)金屬，只要發(fā)生故障的時間足夠短，對于大部分溫度條件來說，這些假設(shè)都基本成立。

將各種接地材料的相關(guān)參數(shù)帶入IEEE 標(biāo)準(zhǔn)里的導(dǎo)體截面選擇公式中，可以得到如下公式:

式中，Kf是材料在不同Tm值下的常數(shù)。常見的接地材料有銅、鍍銅鋼棒、銅絞線、鋁、鋁包鋼線、角鋼、圓鋼等，其中，銅的導(dǎo)電性能及抗腐蝕性都比較優(yōu)越，但是銅的價格相對昂貴，出于經(jīng)濟(jì)性及安全性考慮，本項目中水平接地體和垂直接地體分別選用銅絞線和銅棒。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)中采用表格的形式給出了銅絞線和銅棒的特性參數(shù)(主要以Tr=20℃為基準(zhǔn)）進(jìn)行計算，詳見表1。

表1 Kf值

將上表中的值帶入公式（2）可得，銅絞線和銅棒的截面分別為51.07mm2、71.556mm2，考慮一定的裕度及接地材料的腐蝕等因素，選擇75mm2銅絞線及Φ16mm×2.5m的鍍銅鋼棒。

（3）接地電阻計算。IEEE標(biāo)準(zhǔn)給出了兩種計算接地電阻的方法，Schwarz’s方程和簡化的計算方法。含水平和垂直接地體的地網(wǎng)可通過 Schwarz’s方程組來計算接地體的接地電阻，總的接地電阻Rg：

式中：R1為水平接地體接地電阻，Ω；R2為垂直接地體接地電阻，Ω；Rm為水平和垂直接地體間互電阻，Ω。

本項目采用Schwarz’s 方程進(jìn)行接地電阻的計算。

式（9）中各參數(shù)含義同式（6）、（7）、（8）。相關(guān)參數(shù)如下：

ρ=7000Ω·m；A=297000m2；Lc=7605m；h=0.8m；a=0.005m；Lr=2.5m；nR=310；b=0.008m。接地網(wǎng)長和寬分別為Lx=180m；Ly=165m。由IEEE標(biāo)準(zhǔn)Figure25可得k1=1.36，k2=5.671。將項目各數(shù)值分別帶入上式可得Rg≈7Ω。

（4）接觸電勢和跨步電勢最大允許值計算。IEEE標(biāo)準(zhǔn)給出了的計算跨步電勢和接觸電勢公式考慮了人的體重，50kg和70kg，50kg比70kg的計算值低，因此，本項目按照50kg計算。公式如下：

式中：Estep50、Etouch50分別為50kg人體所能承受的最大跨步電勢和最大接觸電勢，V；ts為接地短路電流持續(xù)時間，取1s；Cs為表層衰減系數(shù)；ρs為表層物質(zhì)電阻率，Ω·m。

本項目未設(shè)置保護(hù)性地表層，按照IEEE中規(guī)定，hs=0、ρs=ρ、Cs=1。可得：Estep50=1722V、Etouch50=6477V。

（5）地點位升高（GPR）計算。

式中：GPR為地電位升高，V；IG為入地的不對稱故障電流，A；Ig為入地對稱故障電流，A；Df為考慮故障電流直流分量的衰減系數(shù)；Sf為故障電流分流系數(shù)。

在本項目中，系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流與光伏區(qū)提供的短路電流占比約為1:9，根據(jù)IEEE附錄C所提供的分流系數(shù)圖表，可將系統(tǒng)側(cè)提供的短路電流與光伏區(qū)提供的短路電流占比近似的認(rèn)為只有系統(tǒng)側(cè)提供短路電流，則有圖標(biāo)Sf=0.02，帶入以上公式可得，GPR=1754V

（6）接地網(wǎng)接觸電勢和跨步電勢實際值計算

式中：Em為接觸電勢，V；ρ位土壤電阻率（Ω·m），Km為網(wǎng)孔電壓幾何校正系數(shù)；Ki為接地網(wǎng)不規(guī)則修正系數(shù)；LM為所有直埋接地體的總長度，m；D為水平接地體平均間距，m；Es為跨步電勢，V；Ls為埋入地中的接地系統(tǒng)導(dǎo)體有效長度，m；Ks為幾何校正系數(shù)。本項目中LM=8270m，D=8m，ρ=7000（Ω·m），IG=12.53A,Ki=1，Km,81，Ls=6280將計算出來的數(shù)值與接觸電勢和跨步電勢的限值進(jìn)行比較，若Em=860

4 結(jié)語

本文通過IEEE提供相關(guān)計算方法可知，該60MW項目的接地導(dǎo)體選型滿足IEEE規(guī)范的要求。同時，可知IEEE標(biāo)準(zhǔn)與GB標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行接地設(shè)計時，基本原則保持一致，只是在導(dǎo)體截面選型設(shè)計上，雖然彼此的計算有差異，但是對于導(dǎo)體截面選擇時，IEEE標(biāo)準(zhǔn)和GB標(biāo)準(zhǔn)所選截面會因為材料的不同而略顯不同。在計算跨步電勢及接觸電勢時，IEEE標(biāo)準(zhǔn)考慮了人的體重，分為70kg和50kg，而GB沒有對此進(jìn)行嚴(yán)格的要求。