基于IEEE Std 80與GB/T 50065的變電站接地差異分析

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

在國家“十三五”規(guī)劃轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的政策背景以及“一帶一路”的推動下,國內(nèi)工程公司都在積極拓展國外市場。尤其是近年來國家電網(wǎng)公司構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從戰(zhàn)略構(gòu)想階段進(jìn)入落地實(shí)施階段，必將進(jìn)一步擴(kuò)大國內(nèi)電力設(shè)計(jì)院海外電力設(shè)計(jì)市場。變電站接地網(wǎng)是保證變電站電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行、工作人員人身安全的重要設(shè)施。然而國外接地網(wǎng)設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，弄清楚國內(nèi)外接地標(biāo)準(zhǔn)差異的內(nèi)部原因?qū)O大地提高設(shè)計(jì)院工作效率，拓寬工作思路，進(jìn)而提高本行業(yè)在電力建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域的國際競爭力。

文獻(xiàn)[1]在接地導(dǎo)體截面的選擇、接地電阻值計(jì)算、接觸電勢與跨步電壓計(jì)算等3個方面進(jìn)行了差異比較，但沒有指明國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在接地設(shè)計(jì)判據(jù)上的側(cè)重點(diǎn)，沒有從更深層次的原理上分析兩標(biāo)準(zhǔn)存在差異的原因。文獻(xiàn)[2]依據(jù)牽引變電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了國內(nèi)外接地標(biāo)準(zhǔn)在接地電阻值計(jì)算、接觸電勢跨步電壓限值兩方面的差異，但其忽略了接地導(dǎo)體在接地標(biāo)準(zhǔn)中的差異，顯然接地導(dǎo)體的選擇是接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，該項(xiàng)選擇將影響變電站建設(shè)的工程量甚至后期變電站的安全可靠運(yùn)行。

下面從接地導(dǎo)體截面的選擇、接地判據(jù)的側(cè)重點(diǎn)、電流分流系數(shù)等方面進(jìn)行了深層次的分析，給出了IEEE Std 80[3]和GB/T 50065[4]兩標(biāo)準(zhǔn)存在的差異以及存在這些差異的內(nèi)部原因，為設(shè)計(jì)工程師在比較國內(nèi)外接地標(biāo)準(zhǔn)差異時提供了便利。

1 接地裝置導(dǎo)體的選擇方法比較

每一接地系統(tǒng)的元件，包括地網(wǎng)導(dǎo)體、連接、連接導(dǎo)線和所有的主電極，IEEE Std 80和GB/T 50065都規(guī)定了其設(shè)計(jì)應(yīng)該符合裝置的預(yù)期壽命要求，即在選擇接地裝置導(dǎo)體的材質(zhì)和截面時，應(yīng)滿足熱穩(wěn)定校驗(yàn)要求，同時需考慮設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)土壤對其的腐蝕影響。

可以發(fā)現(xiàn)兩本規(guī)范在導(dǎo)體選擇的基本原則上是一致的，但是在熱穩(wěn)定校驗(yàn)的方式上存在差異。兩本規(guī)范的熱穩(wěn)定校驗(yàn)都是在式(1)上化簡而來的。

(1)

式中：Amm2為導(dǎo)體截面積；Tm為導(dǎo)體最大許可溫度；Tα為環(huán)境溫度；Tr為材料常數(shù)的參考溫度；αr為參考溫度Tr時電阻率的溫度系數(shù)；ρr為參考溫度Tr時接地導(dǎo)體的電阻率；Ko為1/αo或(1/αr)-Tr；tc為電流的持續(xù)時間；TCAP為每單位體積的熱容量。

1.1 IEEE Std 80 熱穩(wěn)定校驗(yàn)方法

IEEE Std 80中規(guī)定，接地導(dǎo)體(線)的最小截面可按式(2)的簡化公式計(jì)算：

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)可知：

(3)

1.2 GB/T 50065 熱穩(wěn)定校驗(yàn)方法

GB/T 50065中規(guī)定，接地導(dǎo)體(線)的最小截面應(yīng)符合式(4)的要求：

(4)

根據(jù)式(1)、式(4)可知：

(5)

1.3 兩種熱穩(wěn)定校驗(yàn)方法的異同

考慮到tc是短路電流的持續(xù)時間，其主要與電力系統(tǒng)的二次保護(hù)時間有關(guān)，不是接地規(guī)范考慮的重點(diǎn)，因此比較兩本規(guī)范的熱穩(wěn)定校驗(yàn)公式可以發(fā)現(xiàn)，其主要區(qū)別是短路入地電流Ig和接地材料的熱穩(wěn)定系數(shù)Kf(1/C)，這里主要討論接地材料的熱穩(wěn)定系數(shù)差異，短路入地電流Ig的計(jì)算差異將在第3節(jié)中討論。

通過1.1節(jié)和1.2節(jié)對接地材料熱穩(wěn)定系數(shù)Kf(1/C)的比較，可以發(fā)現(xiàn)兩者在公式計(jì)算上并無差異，然而歸納總結(jié)兩本規(guī)范中已給出的相關(guān)接地材料熱穩(wěn)定系數(shù)，如表1所示(為方便比較，表中已進(jìn)行了單位換算，與標(biāo)準(zhǔn)中的系數(shù)不一致)，可以發(fā)現(xiàn)IEEE Std 80中的接地材料熱穩(wěn)定系數(shù)比GB/T 50065中的要小，這是由于兩標(biāo)準(zhǔn)在最大許可溫度Tm上的選取有差異。

GB/T 50065中考慮了接地導(dǎo)體連接處放熱焊的最大允許溫度，例如銅和銅覆鋼可根據(jù)土壤腐蝕的程度分別取900 ℃、800 ℃和700 ℃；鋼和鋁材的最大允許溫度可分別取400 ℃和300 ℃。而在IEEE Std 80中Kf的計(jì)算值是按照材料本身所能允許的最大溫度來考慮的，因此計(jì)算所得的接地材料熱穩(wěn)定系數(shù)IEEE Std 80的標(biāo)準(zhǔn)會比GB/T 50065的要小，自然計(jì)算所得的導(dǎo)體最小截面積IEEE Std 80的標(biāo)準(zhǔn)會比GB/T 50065的要小。但這并不意味著IEEE Std 80 標(biāo)準(zhǔn)不保守甚至不準(zhǔn)確，需要注意的是，IEEE Std 80中還規(guī)定了在地網(wǎng)中，地上和地下的所有連接都應(yīng)被評估，以便達(dá)到所用導(dǎo)體的全面要求，即電導(dǎo)率、耐腐蝕性、通流量和機(jī)械強(qiáng)度。這些連接點(diǎn)應(yīng)足夠大以便保持其溫升低于導(dǎo)體的溫升，并能抵御熱效應(yīng)的影響。顯然，IEEE Std 80是定性地說明了需要考慮接地材料連接點(diǎn)的電導(dǎo)率、耐腐蝕性、通流量和機(jī)械強(qiáng)度；而GB/T 50065 則是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式定量地給出了接地材料連接點(diǎn)的電導(dǎo)率、耐腐蝕性、通流量和機(jī)械強(qiáng)度。

2 接地設(shè)計(jì)判據(jù)的側(cè)重點(diǎn)比較

2.1 國內(nèi)外接地標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)側(cè)重點(diǎn)

中國變電站的接地設(shè)計(jì)必須符合GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)接地的要求。其規(guī)定，接地電阻、接觸電位差和跨步電位差在四季中均應(yīng)符合相關(guān)要求[4]。

而國外接地設(shè)計(jì)則多要求符合IEEE Std 80- 2013的規(guī)定。其規(guī)定側(cè)重點(diǎn)在于接觸電位差和跨步電位差在四季中均應(yīng)符合相關(guān)要求。

中國對接地設(shè)計(jì)，要求通過計(jì)算獲得的接地電阻值和地電位升高要在給定的限值以內(nèi)，要求的地電位升限值為2 kV或者5 kV，相應(yīng)的接地網(wǎng)的接地電阻宜符合式(6)要求：

R≤2000/IG

(6)

由于中國電網(wǎng)的發(fā)展，系統(tǒng)短路容量迅速擴(kuò)大，式(6)已很難滿足要求，在采取相關(guān)措施后，地電位升限值可提高為5 kV。

IEEE Std 80標(biāo)準(zhǔn)中雖然給出了接地電阻的計(jì)算方法，同時還規(guī)定了大型的系統(tǒng)變電站接地電阻可限制在1 Ω左右，但并沒有將接地電阻作為設(shè)計(jì)考核的依據(jù)，其考核判據(jù)是變電站所計(jì)算的最大接觸電勢和最大跨步電壓不超越其所規(guī)定的限值，該限值的計(jì)算是通過人體所能耐受的程度來計(jì)算的。

2.2 接地電阻的計(jì)算方法

GB/T 50065 中給出了均勻土壤中水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算公式為

Rn=α1Re

(7)

式中：Rn為任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻；Re為等值(等面積、等水平接地極總長度)方形接地網(wǎng)電阻；α1為水平接地網(wǎng)的形狀系數(shù)(關(guān)于水平地網(wǎng)的面積S和接地網(wǎng)外緣邊線總長度L0的方程)。Re的計(jì)算原理是將接地網(wǎng)等效為一個圓盤接地極，進(jìn)而計(jì)算圓盤的接地電阻，然后通過內(nèi)插法將圓盤接地電阻值等效轉(zhuǎn)化為方形接地網(wǎng)的接地電阻。

IEEE Std 80 中是采用先獨(dú)立計(jì)算出水平接地網(wǎng)和垂直接地極的自電阻系數(shù)R1和R2，然后計(jì)算水平接地體和垂直接地體的互電阻系數(shù)R12，最后通過式(8)計(jì)算系統(tǒng)總電阻Rg。

(8)

仔細(xì)研究兩標(biāo)準(zhǔn)公式的計(jì)算原理，可以發(fā)現(xiàn)，GB/T 50065中計(jì)算方法的簡化原理有所不同，GB/T 50065認(rèn)為發(fā)電站、變電站的占地面積一般都比較大，垂直接地體對降低接地電阻所起的作用很小(不過2%～8%)。這是因?yàn)樽冸娬镜乃浇拥伢w可以等效為一個直徑為b的圓盤，對于垂直接地體來說，即使密密麻麻地打了很多垂直接地體，也可以將其等效為一個厚度為a(垂直接地體長度)的圓盤，然而對于實(shí)際變電站來說，a<

因此GB/T 50065在計(jì)算復(fù)合地網(wǎng)的接地電阻時，忽略了垂直接地體對接地電阻的影響。顯然，IEEE Std 80中并沒有忽略垂直接地體的影響，其計(jì)算也更為復(fù)雜。

2.3 接觸電勢和跨步電壓的限值計(jì)算方法

IEEE Std 80將人體分為50 kg和70 kg兩種類型考慮，規(guī)定了跨步電壓和接觸電勢的最大限值。

對于50 kg的人：

(9)

(10)

對于70 kg的人：

(11)

(12)

式中：Estep為跨步電壓；Etouch為接觸電勢；Cs為表層衰減系數(shù)；ρs為地表層的電阻率。

GB/T 50065中規(guī)定110 kV以上有效接地系統(tǒng)的接觸電勢和跨步電壓不應(yīng)超過式(13)、式(14)計(jì)算所得的數(shù)值：

(13)

(14)

針對式(9)至式(14)，繪制以ρs為自變量、跨步電壓和基礎(chǔ)電勢為因變量的數(shù)據(jù)圖，如圖 1至圖 4所示。

通過比較兩規(guī)范要求，可以發(fā)現(xiàn)，其在規(guī)定接地系統(tǒng)的接觸電勢和跨步電壓的原理上是保持一致的，都是從人體能夠耐受的電流出發(fā)，建立人體觸電電路模型，進(jìn)而求解跨步電壓和接觸電勢限值。但是比較兩本規(guī)范最后所得的計(jì)算公式可知，區(qū)別主要體現(xiàn)在：

1)IEEE Std 80將人體耐受電流分為兩種類型分別求解，而GB/T 50065中將人體都按50 kg來考慮，這是因?yàn)?0 kg人體更符合中國人的體型，而且其對應(yīng)的接觸電勢和跨步電壓限值更小，能夠針對不同體重的人群，其計(jì)算結(jié)果更為嚴(yán)格。

圖1 IEEE Std 80(50 kg人體)與GB/T 50065跨步電壓比較

圖2 IEEE Std 80(50 kg人體)與GB/T 50065接觸電勢比較

圖3 IEEE Std 80(70 kg人體)與GB/T 50065跨步電壓比較

圖4 IEEE Std 80(70 kg人體)與GB/T 50065接觸電勢比較

2)IEEE Std 80將人體電阻按1000 Ω考慮，而GB/T 50065中將人體電阻按1500 Ω考慮，自然IEEE Std 80 在接觸電勢和跨步電壓的限值選擇上更為嚴(yán)格。

3)IEEE Std 80按人體50 kg耐受電流考慮時，其計(jì)算所得的跨步電壓限值和接觸電勢限值均比GB/T 50065規(guī)范的計(jì)算值要小，這是由于IEEE Std 80選取的人體電阻值更小。

4)IEEE Std 80按人體70 kg耐受電流考慮時，其計(jì)算所得的跨步電壓限值和接觸電勢限值與GB/T 50065的計(jì)算值大小和土壤電阻率有關(guān)。當(dāng)土壤電阻率ρs≤69.1 Ω·m時，基于IEEE Std 80計(jì)算的跨步電壓限值更為保守；反之基于GB/T 50065計(jì)算的跨步電壓限值更為保守。當(dāng)土壤電阻率ρs≤276.4 Ω·m時，基于IEEE Std 80計(jì)算的接觸電勢限值更為保守；反之基于GB/T 50065計(jì)算的接觸限值更為保守。

3 短路電流分流系數(shù)計(jì)算方法比較

如果輸電線路的架空地線或中性導(dǎo)線連接到變電站的接地體上，那么當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送故障時，一部分短路電流可以由與地網(wǎng)連接的架空地線構(gòu)成回路流通，因此經(jīng)地網(wǎng)入地的電流并不等于接地點(diǎn)的全部短路電流。

IEEE Std 80中并沒有明確規(guī)定短路電流分流系數(shù)的計(jì)算方法，其認(rèn)為分流系數(shù)的影響主要來自于架空地線和中性導(dǎo)線以及直埋管道和電纜的影響。其簡要地介紹了多種對于防雷線、相導(dǎo)線等建模技術(shù)，并認(rèn)為確定分流系數(shù)方法的選擇將取決于系統(tǒng)連接到變電站的復(fù)雜性以及理想的準(zhǔn)確度，因此IEEE Std 80對于分流系數(shù)計(jì)算方法的選擇沒有準(zhǔn)確規(guī)定，須由設(shè)計(jì)工程師根據(jù)實(shí)際工程需要，在眾多方法中選擇合適的計(jì)算方法。

GB/T 50065中給出了具體的計(jì)算公式，其將線路按架空線路接地的檔距分段，采用具有集中參數(shù)的π型電路，然后采用傳輸線理論，以各節(jié)點(diǎn)電壓為變量建立節(jié)點(diǎn)電壓方程求解。

4 算例分析

以某海外項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的換流站為例，該換流站實(shí)測土壤電阻率為10.3 Ω·m，換流站表層不采取降阻措施。流經(jīng)接地裝置的最大入地短路電流取63 kA，故障隔離時間取0.35 s。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的熱穩(wěn)定校驗(yàn)要求，計(jì)算換流站接地導(dǎo)體的最小截面。

按照GB/T 50065，未考慮腐蝕時，接地線的最小截面為

按照IEEE Std 80-2013中11.3.1.3節(jié)公式進(jìn)行計(jì)算,接地線的最小截面為

=260.9 kcmil=153.03 mm2

地網(wǎng)面積為137 000 m2，埋設(shè)深度為0.8 m，水平接地體為150 mm2的銅絞線，垂直接地體為φ17.2 mm、長3 m的鍍銅鋼棒，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，接地導(dǎo)體的總長度為49.14 km，接地網(wǎng)外邊緣長度為2.52 km。按照GB/T 50065標(biāo)準(zhǔn)和IEEE Std 80標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算該換流站的接地電阻、跨步電壓限值、接觸電勢限值等，計(jì)算結(jié)果如表 2。

表2 接地計(jì)算結(jié)果表

由表 2可見，采用兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出的接地電阻相差不大，這側(cè)面說明了垂直接地體對大型變電站接地電阻的影響不大。

采用CDEGS計(jì)算軟件算得該換流站接觸電勢和跨步電壓結(jié)果如圖 5、圖 6所示。

圖5 變電站接觸電勢分布

圖6 變電站跨步電壓分布

結(jié)果表明，全站跨步電壓最大值為96 V，接觸電勢最大值為228 V，顯然計(jì)算所得的跨步電壓均滿足IEEE Std 80和GB/T 50065的要求，然而接觸電勢僅滿足了GB/T 50065的要求，并未滿足IEEE Std 80的要求。由此可以看出：IEEE Std 80 比GB/T 50065在接地電阻上的要求要寬松；IEEE Std 80 比GB/T 50065在接觸電勢和跨步電壓的要求上要更嚴(yán)格。但是IEEE Std 80的判據(jù)側(cè)重點(diǎn)在接觸電勢和跨步電壓上，因此采用中國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)未必能夠滿足國際IEEE標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 語

IEEE Std 80 和GB/T 50065在接地導(dǎo)體的選擇原理上是一致的，但是在計(jì)算導(dǎo)體截面積的方法上存在化簡原則的差異，其差異主要體現(xiàn)在導(dǎo)體最大允許溫升的選擇上。

IEEE Std 80 和GB/T 50065在接地判據(jù)的側(cè)重點(diǎn)上有所不同，IEEE Std 80的判據(jù)原則側(cè)重接觸電勢和跨步電壓不超過允許值，而GB/T 50065結(jié)合接地電阻、接觸電勢和跨步電壓來綜合判斷。

GB/T 50065在計(jì)算復(fù)合地網(wǎng)的接地電阻時，忽略了垂直接地體對接地電阻的影響，而IEEE Std 80中并沒有忽略垂直接地體的影響，其計(jì)算也更為復(fù)雜。

IEEE Std 80 在計(jì)算接觸電勢和跨步電壓限值時將人體分為兩種類型來考慮，同時在人體等效電阻的選擇上，IEEE Std 80比GB/T 50065更小。