李　躍

(中國能源建設(shè)集團陜西省電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710054)

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國際工程中交流變電站接地設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用研究

李躍

(中國能源建設(shè)集團陜西省電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710054)

摘要：基于IEEE Std80—2000《交流變電站接地安全指南》中的戶外高壓交流變電站接地系統(tǒng)部分與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括國標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和電力設(shè)計手冊進行對標(biāo)，找出差異，提出執(zhí)行國際工程變電站接地設(shè)計的設(shè)計流程和解決差異的具體辦法。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng)；接地電阻；網(wǎng)孔電壓；接觸電壓；跨步電壓

0引言

國際電力工程項目大都采用(或強制采用)國際上通行的國際標(biāo)準(zhǔn)或發(fā)達國家電力建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，如IEC、IEEE、ASTM、ANSI、BS、DIN等，特別是世界銀行、亞洲銀行等金融機構(gòu)投資項目均強制要求采用上述標(biāo)準(zhǔn)。其中，IEEE交流變電站接地標(biāo)準(zhǔn)最為突出，該標(biāo)準(zhǔn)與我國電力設(shè)計行業(yè)一直沿用幾十年至今的DL/T621—1997行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，因此，給我國電力建設(shè)隊伍特別是設(shè)計企業(yè)在國外開展設(shè)計工作帶來了不便，甚至帶來了風(fēng)險。為了便于我們在國際電力工程項目中有效順利地開展工作，降低技術(shù)風(fēng)險，本文結(jié)合筆者自身的工程實踐經(jīng)驗，將國標(biāo)GB/T50065—2011和DL/T621—1997行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與IEEE Std80—2000標(biāo)準(zhǔn)進行簡易對比，找出差異，提出建議，盡可能使我們的工作標(biāo)準(zhǔn)與國際接軌，降低國際工程項目的技術(shù)風(fēng)險。

1參數(shù)符號對比

參數(shù)符號與國內(nèi)符號有所差異，由于篇幅有限，本文不再贅述。

2兩個設(shè)計程序逐步對比

因兩個設(shè)計程序的邏輯思路基本一致，為便于在國際工程中使用和比照，以下以IEEE Std80—2000(以下簡稱IEEE)步驟及符號為主與國標(biāo)GB/T50065—2011(以下簡稱GB)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T621—1997(以下簡稱DL)進行對比。

第一步(STEP1)，確定接地面積及土壤電阻率方法基本一致，只是符號不同。

經(jīng)過分析可以看出，中國標(biāo)準(zhǔn)偏保守一點，導(dǎo)體截面值約高3%～5%。另外，IEEE標(biāo)準(zhǔn)中還提供了比簡化計算更精確的導(dǎo)體截面計算公式，公式的材料標(biāo)準(zhǔn)仍為ASTM標(biāo)準(zhǔn)。因此，在國際工程設(shè)計中，必須首先掌握ASTM材料標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容。

第三步(STEP3)，接觸電壓和跨步電壓允許值計算。

目前在國內(nèi)變電站接地設(shè)計中，也大都采用礫石作為除道路、操作平臺外的其他設(shè)備區(qū)域的表層處理材料，以增大表層電阻率。雖然國內(nèi)在新出版的GB中，采用了IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的表層土壤衰減系數(shù)Cs，但是在允許值計算公式中，參數(shù)選用量級仍有差異，具體對比如表1所示。

表1　接觸電壓及跨步電壓允許值計算對比

從對比表中可以看出，DL標(biāo)準(zhǔn)不適合在國際工程中使用，它沒有考慮表層材料的影響因素。而新出版的GB雖然引入了表層衰減系數(shù)，但在計算接觸電壓和跨步電壓允許值時，根據(jù)中國特點，并結(jié)合DL標(biāo)準(zhǔn)提供的計算公式亦與IEEE標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別。IEEE在計算人體耐受電流的允許值時，人體電阻選用1 000 Ω，而GB選用的人體電阻為1 500 Ω(其他參數(shù)條件相同)，因此產(chǎn)生公式差異?？梢钥闯觯珿B計算出的值偏于保守。

第四步(STEP4)，接地網(wǎng)的初步設(shè)計。

包括地網(wǎng)平行導(dǎo)體的間距、接地極數(shù)量、地網(wǎng)導(dǎo)體總長度以及地網(wǎng)埋深等，并依據(jù)最大入地短路電流IG、地網(wǎng)面積A等參數(shù)，設(shè)計均壓網(wǎng)格的大小、垂直接地極之間的間距。在此方面，GB及DL標(biāo)準(zhǔn)與IEEE指導(dǎo)思想和設(shè)計思路基本一致。

但是，在計算最大入地短路電流方面，DL標(biāo)準(zhǔn)并沒有考慮短路電流中的直流分量對人體的危害和對接地導(dǎo)體產(chǎn)生的熱容量副作用的影響。雖然GB引入了IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的故障電流衰減系數(shù)Df，但在使用Df系數(shù)表時仍需注意，GB中(表B.0.3)頻率為50 Hz，而在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中的(Table 10—Typical values ofDf)頻率為60 Hz。由表中可以看出，在相同阻抗電阻比的條件下，GB值偏大，約有3%的差異。

另外，在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中并沒有提供地網(wǎng)初步設(shè)計階段變電站接地電阻的估算方法，僅按照變電站的規(guī)模規(guī)定了1～5 Ω的范圍。因此，下列算式在國際工程設(shè)計中僅作為參考計算使用，不進入提交的計算書內(nèi)容中。

R≤2 000/IG

IG=Df·Ig

式中，IG為經(jīng)接地網(wǎng)入地的計及直流偏移分量的接地故障不對稱電流有效值；Ig為接地網(wǎng)入地電流有效值對稱分量；Df為全故障時間內(nèi)的故障電流衰減系數(shù)。

第五步(STEP5)，接地電阻計算。

GB采用了DL“人工接地極工頻接地電阻的計算”公式，并與國際上通行的CDEGS(Current Distribution Electromagnetic Interference Grounding and Soil Structure Analysis)接地系統(tǒng)分析軟件計算結(jié)果進行了分析對比，仍沿用DL計算公式和相關(guān)系數(shù)。同時，引入DL/T5091—1999中雙層土壤的思路，提供了水平分層和垂直分層的雙層土壤接地極電阻的計算公式。而IEEE沒有提供雙層結(jié)構(gòu)接地網(wǎng)接地電阻的計算公式，僅提供了均勻土壤的3種計算公式。IEEE除“不考慮埋深”的簡易公式與GB一致外，其他幾個計算公式均存在差異。GB增加考慮了水平接地體與垂直接地體互感的計算公式，該計算公式中的系數(shù)k1、k2采用了圖解法，其目的是簡化較為復(fù)雜的雙層電阻率結(jié)構(gòu)的接地電阻計算。

為此，在國際工程中，經(jīng)常采用將表層材料電阻率用于地電位升、跨步電壓和接觸電壓計算，而底層電阻率土壤用于變電站接地電阻計算。通過大量國際工程實踐證明，此種方法業(yè)主是認(rèn)可的。

第六步(STEP6)，接地故障短路電流及分支系數(shù)的計算。

雖然IEEE與GB在計算接地網(wǎng)入地對稱短路電流時都采用了分流系數(shù)概念，但在計算分流系數(shù)方面有較大的差異。GB在標(biāo)準(zhǔn)中提供了較為復(fù)雜的分流系數(shù)計算公式，分為內(nèi)、外部故障分流系數(shù)。計算考慮了不同材料接地線導(dǎo)體、單地線、雙地線和不同檔距等多方面因素對分流系數(shù)的影響，而IEEE為避免多種工況、多種結(jié)構(gòu)條件下計算的復(fù)雜性，采用了圖解法(Annex C，F(xiàn)igure C.1～C.22)和查表法(Annex C，Table C.1)，將多種典型的變電站接線系統(tǒng)的間隔數(shù)和線路數(shù)量之比值，以及相關(guān)的如變電站地網(wǎng)接地阻抗、線路阻抗、站內(nèi)中性點阻抗等與分流系數(shù)Sf相關(guān)的有規(guī)律性因素列成圖或表，在計算時，只需掌握關(guān)聯(lián)參數(shù)，即可在圖或表中查出對應(yīng)的分流系數(shù)，大大減輕了計算工作量。圖和表兩種方法還可以相互校核，這樣也提高了計算的準(zhǔn)確性。

第七步(STEP7)和第八步(STEP8)，故障情況下網(wǎng)孔電壓、接觸電壓和跨步電壓的校核。

在校核地網(wǎng)電位升方面，IEEE與GB基本一致，利用地網(wǎng)電位升計算公式Ut=IGRg，使其小于接觸電壓允許值Utouch即可。而DL和設(shè)計手冊在校核時采用的是入地短路電流I，沒有采用含有直流分量影響的短路電流IG，即引入衰減系數(shù)Df的概念。

在校核等間距網(wǎng)孔電壓和最大跨步電壓時，IEEE與GB一致，采用將全站不規(guī)則地網(wǎng)形狀且等間距導(dǎo)體布置地網(wǎng)分為4種典型的規(guī)則地網(wǎng)類型，由這4類典型地網(wǎng)形狀所組成，提供了幾何影響系數(shù)KM和KS。而DL標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計手冊雖然也采用了幾何影響因素，但其系數(shù)的算法與之不同，僅考慮了方形、矩形和與之相關(guān)的地網(wǎng)導(dǎo)體參數(shù)。

GB除在等間距地網(wǎng)布置方面按照IEEE方式校核網(wǎng)孔電壓和跨步電壓外，同DL標(biāo)準(zhǔn)，還提供了非等間距的最大跨步電壓和最大接觸電壓的計算公式(與DL系數(shù)算法不同)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)則沒有提供非等間距的具體計算公式。

因此，在國際工程中，本步驟不能按照DL標(biāo)準(zhǔn)計算。應(yīng)按照GB或IEEE標(biāo)準(zhǔn)計算(GB的衰減系數(shù)值與IEEE略有差異，詳見第四步分析)。關(guān)于非等間距，一般業(yè)主要求采用CDEGS軟件分析計算。

第八步至第十二步(STEP8～12)，這些步驟在思維方式、處理手段，如后期評價與實施建設(shè)接軌等方面均與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計手冊相同，不再贅述。

3結(jié)論

(1) GB和DL與IEEE整體思路基本一致，包括對接地安全性的認(rèn)知程度、理論依據(jù)、分析手段和評價方式等方面。

(2) 基于安全性計算分析的接地網(wǎng)設(shè)計程序基本一致；在國際工程中，可按IEEE標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計計算，用GB進行校核，按照IEEE計算程序提供計算書。

(3) 在第一至八步的計算程序中，基本方程式基本一致，差異主要發(fā)生在各個公式中的相關(guān)系數(shù)計算和取值依據(jù)等方面，如熱穩(wěn)定系數(shù)、雙層土壤影響系數(shù)、短路電流衰減系數(shù)、短路電流分流系數(shù)、幾何系數(shù)和校正系數(shù)等。

(4) 在國際工程中采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的同時，材料標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)隨之配套，可采用ASTM、BS等歐美的材料標(biāo)準(zhǔn)。

(5) 在國際大型工程中使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的同時，應(yīng)采用CDEGS分析軟件，以便更加準(zhǔn)確地提供計算結(jié)果。

[參考文獻]

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[3]李謙，肖磊石.過電壓保護與接地裝置運行維護[M].北京：中國電力出版社，2014.

作者簡介：李躍(1958—)，男，四川合江人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：國際工程設(shè)計。

收稿日期：2015-11-17