郭繼堯

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

國外大部分項(xiàng)目技術(shù)合同對(duì)接地設(shè)計(jì)均要求滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn)。IEEE的接地標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)項(xiàng)目采用的GB標(biāo)準(zhǔn)差異較大，本著為業(yè)主單位服務(wù)、提高電氣接地設(shè)計(jì)水平并滿足國際設(shè)計(jì)要求，本文先對(duì)IEEE標(biāo)準(zhǔn)的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)做個(gè)概述，然后通過印尼某燃煤電站主接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)對(duì)IEEE接地網(wǎng)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析。

1 IEEE接地標(biāo)準(zhǔn)概述

IEEE Std 665-1995(R2001)：IEEE Guide for Generating Station Grounding《IEEE發(fā)電站接地準(zhǔn)則》[1]用于設(shè)計(jì)發(fā)電站接地系統(tǒng)，以及戶內(nèi)外的建構(gòu)筑物和設(shè)備的接地，還包括發(fā)電站和變電站接地系統(tǒng)間的相互連接。

IEEE Std 80-2013：IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding《IEEE交流變電站接地安全準(zhǔn)則》[2]主要涉及室外交流變電站,包括傳統(tǒng)交流變電站、氣體絕緣變電站，也包括配電變電站、輸電變電站和電廠變電站等。

發(fā)電站設(shè)置接地用來保護(hù)人身安全，免受接觸電壓和跨步電壓的危害，同時(shí)保護(hù)財(cái)產(chǎn)不受損失。必須能確保人身安全以及短路故障時(shí)迅速自動(dòng)隔離電源或者將形成的接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)限制到允許范圍內(nèi)。

1.1 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

1.1.1 可用接地故障電流IG

系統(tǒng)故障時(shí)，故障電流可利用大地作為回流路徑而到達(dá)系統(tǒng)中性點(diǎn)。故障時(shí)入地電流導(dǎo)致接地電位升(grounding potential rise，GPR)。

式中等號(hào)右側(cè)各參數(shù)符號(hào)定義如下：

1)零序故障電流有效值If

接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中使用很普遍的為最大單相接地電流，兩相接地故障電流也用得較多。產(chǎn)生最大接地網(wǎng)對(duì)地電流的故障電流的最大值將作為設(shè)計(jì)值If。

2)確定分流系數(shù)Sf

故障電流并非都使用大地作為回流路徑，為此引入了分流系數(shù)。

3)確定遞減系數(shù)Df

為了說明故障剛開始一段時(shí)間里直流電流補(bǔ)償后的非對(duì)稱故障電流波形，引入了遞減系數(shù)Df：

式中：tf為故障持續(xù)時(shí)間，s；Ta為等效系統(tǒng)次暫態(tài)的時(shí)間常數(shù)，s。Ta=X''/ωR''，頻率為60 Hz時(shí)，Ta=X''/120πR''。X''/R''為故障點(diǎn)處系統(tǒng)的X/R。

4)確定擴(kuò)建修正系數(shù)Cp

擴(kuò)建修正系數(shù)Cp是考慮到未來故障電流增加，初始設(shè)計(jì)時(shí)Cp建議取值1.25。

1.1.2 接地導(dǎo)體截面選擇

包括導(dǎo)體材料的選擇和截面的選擇，其中截面選擇有三項(xiàng)要求：根據(jù)接地故障電流選擇、根據(jù)接地故障保護(hù)選擇以及根據(jù)機(jī)械可靠性選擇。為保證接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理和可靠，這三項(xiàng)要求都要考慮，具體設(shè)計(jì)中一般只對(duì)有代表性和特殊的情況來分析，并考慮材料腐蝕情況的影響。

1)根據(jù)接地故障電流選擇截面

任何接地故障電流都會(huì)對(duì)接地導(dǎo)體產(chǎn)生熱應(yīng)力。這種應(yīng)力與電流大小和故障持續(xù)時(shí)間有關(guān)。由于故障持續(xù)時(shí)間很短，導(dǎo)體來不及散熱，可承受電流還沒達(dá)到穩(wěn)態(tài)。其限制因素為導(dǎo)體最大可承受溫度。

可根據(jù)IEEE Std 80—2013[2]中給出的推薦方法來計(jì)算。對(duì)于快速的近似計(jì)算(由此選擇的導(dǎo)體面積比要求值大)以及對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)，可以使用下式：

式中：A(kcmil)為接地導(dǎo)體截面積，kcmil；If為故障電流(假定為金屬故障)，kA；tc為故障電流持續(xù)時(shí)間，包括繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和分閘時(shí)間，s；Kf為可查詢的常數(shù)(IEEE Std 80—2013[2]準(zhǔn)則第47頁)。

2)根據(jù)接地故障保護(hù)選擇截面

只有當(dāng)探測(cè)到一定大小的電流時(shí)，接地故障電流保護(hù)才動(dòng)作。發(fā)生于保護(hù)安裝回路任何地方的接地故障，只有當(dāng)回路阻抗足夠小時(shí)，電流才能達(dá)到動(dòng)作值。本計(jì)算要求接地導(dǎo)體通過中性點(diǎn)接地，需要滿足以下條件：

式中：E為相對(duì)地電壓，V；Ip為使保護(hù)動(dòng)作的電流值，A；Zs為故障回路阻抗和電源阻抗，Ω。

3)根據(jù)機(jī)械可靠性選擇截面

所有接地導(dǎo)體都要滿足一定的機(jī)械應(yīng)力，特別是在交通區(qū)或人員易靠近區(qū)。這些區(qū)域中接地導(dǎo)體易被損壞，故應(yīng)設(shè)置合理的機(jī)械保護(hù)。

1.1.3 最大允許接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)

為了安全設(shè)計(jì)，需要滿足最大允許接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)的要求。如果接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)低于最大允許值，則設(shè)計(jì)認(rèn)為合適。最大允許接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)越小，設(shè)計(jì)出合理的接地網(wǎng)就越難。大多數(shù)情況下，允許接觸電勢(shì)將是限制因素。

最大允許接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)的式如下：

式中：1 000為人體電阻，Ω；1.5兩只腳平行時(shí)的電阻，Ω；6為兩只腳行走時(shí)的電阻，Ω；Cs(hs,K)為換算系數(shù),具體取值按照下面條件確定；ρs為表層巖石的濕電阻率 ；ts為接地故障電流持續(xù)時(shí)間，s；0.116為人體重50 kg時(shí)的一個(gè)常數(shù)，人體重為70 kg時(shí)該常數(shù)為0.157。

1) 確定接地故障電流持續(xù)時(shí)間

電廠接地故障電流持續(xù)時(shí)間典型值范圍為0.15～0.5 s。大多數(shù)情況下，如果使用高速(2～3周期)斷路器，主切除時(shí)間將少于0.15 s。

2) 確定換算系數(shù)Cs

反射系數(shù)K首先由下式計(jì)算確定：

Cs值可通過IEEE Std 665—1995 5.2.7.2 圖3中K值近似曲線和地表巖石層或其它材料層的厚度的交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的y軸讀出。如果不使用地表材料層，則Cs取1.0。

1.2 接地網(wǎng)初期設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)準(zhǔn)則給出了發(fā)電站主廠房外區(qū)域跨步電勢(shì)和接觸電勢(shì)的設(shè)計(jì)要求，本條文是關(guān)于該區(qū)域的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，而不是發(fā)電站本身地下的接地網(wǎng)?；趯?duì)外部區(qū)域和設(shè)備使用的評(píng)估，所選區(qū)域的接地網(wǎng)應(yīng)符合跨步電勢(shì)和接觸電勢(shì)的要求。

1.2.1 選定區(qū)域的故障電流

為反應(yīng)接地故障電流中通過相關(guān)區(qū)域接地網(wǎng)的電流大小，需對(duì)計(jì)算出的Ig值進(jìn)行調(diào)整。

既然整個(gè)發(fā)電站接地網(wǎng)的GPR處處相等，故可利用相同GPR的原理來計(jì)算流入子接地網(wǎng)的有效故障電流。首先得計(jì)算整個(gè)電站接地網(wǎng)的GPR。

式中：Ig為最大入地電流，kA；Zgt為接地網(wǎng)對(duì)遠(yuǎn)方大地的電阻，Ω。

為了確定故障電流遞減的比率，可以假定Zgt對(duì)遠(yuǎn)方的大地僅是由接地網(wǎng)電阻組成的，而不是接地網(wǎng)電阻和其他輸電線路沿線接地通道的接地電阻的并聯(lián)值。

對(duì)遠(yuǎn)方大地的接地網(wǎng)電阻可以按照下式計(jì)算：

式中：A為接地網(wǎng)面積，m2；L為埋地水平導(dǎo)體總長度，m；h為接地網(wǎng)深度，m；ρ為土壤電阻率，Ω·m。

隨著GPR值由整個(gè)發(fā)電站接地網(wǎng)決定，子接地網(wǎng)電阻也得到計(jì)算。根據(jù)子網(wǎng)的GPR等于整個(gè)電站的GPR，從而確定子網(wǎng)相當(dāng)?shù)碾娏鳌?/p>

1.2.2 接地網(wǎng)布置

為了使用簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)公式，接地網(wǎng)中的每個(gè)網(wǎng)孔都應(yīng)該相同，使其中每處的跨步電勢(shì)和接觸電勢(shì)都有效。所以接地網(wǎng)應(yīng)該由相同的方形或者矩形網(wǎng)孔組成。

完成相關(guān)外部區(qū)域初期設(shè)計(jì)的步驟如下：

1)對(duì)于所選設(shè)計(jì)區(qū)域，在邊界內(nèi)確定最大矩形，該區(qū)域要求設(shè)置四根外部接地極。

2)放置接地極以構(gòu)成方形網(wǎng)孔。因公式的限制，在特定方向上接地極的數(shù)目不宜超過25根。對(duì)于方形區(qū)域，每個(gè)方向上接地極的數(shù)目要相等。對(duì)于矩形區(qū)域，設(shè)置方形網(wǎng)孔使每個(gè)方向上接地極數(shù)目不同。

3)選擇接地網(wǎng)深度。初期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值是0.5 m。

4)在接地網(wǎng)邊界上放置接地棒。一般在邊界每隔一個(gè)連接點(diǎn)設(shè)置一個(gè)接地棒。故障時(shí)由于接地棒能大量泄流，故有效控制了接地極中大電流密度(與相關(guān)的大跨步電勢(shì)和接觸電勢(shì))。接地棒埋到土壤較深層，電阻率受季節(jié)影響變化不大，接地網(wǎng)電阻從而較穩(wěn)定。

1.2.3 網(wǎng)孔電勢(shì)和跨步電勢(shì)的計(jì)算

網(wǎng)孔電勢(shì)說明了接地網(wǎng)網(wǎng)孔中可能的最大接觸電勢(shì)。初期設(shè)計(jì)的網(wǎng)孔電勢(shì)和跨步電勢(shì)：

式中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；Km為網(wǎng)孔電勢(shì)幾何修正系數(shù)；Ks為跨步電勢(shì)幾何修正系數(shù)；Ki為考慮接地網(wǎng)極端情況下電流增加的修正系數(shù)；IG為接地區(qū)域段的最大入地電流，A；Lc為接地極的總長度，m；Lr為接地棒總長度，m；L為Lc+Lr，適用于少量或者無接地棒的接地網(wǎng)，也適用于接地棒布置在邊界的接地網(wǎng)。

1.2.4 系數(shù)Km、Ks和Ki的計(jì)算Km和Ki用于計(jì)算接觸電勢(shì)，Ks和Ki用于計(jì)算跨步電勢(shì)：

上述式對(duì)于深度在0.25～2.50 m的接地網(wǎng)有效。

式中：D為平行接地體的間距，m；d為接地體的直徑，m；h為接地網(wǎng)深度，m；n為平行接地極在一方向上的有效數(shù)量，計(jì)算網(wǎng)孔電勢(shì)的Km、Ki時(shí)，計(jì)算跨步電勢(shì)的Ks、Ki時(shí)，n取n1和n2的較大者；Kii為調(diào)整內(nèi)部導(dǎo)體對(duì)角落網(wǎng)孔影響的修正系數(shù)，其計(jì)算方法見IEEE 80—2013[2]第94頁；Kh為接地網(wǎng)深度影響的修正系數(shù)，其計(jì)算方法見IEEE 80—2013[2]第94頁。

1.2.5 計(jì)算值和最大允許值的比較

如果接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)的計(jì)算值小于考察區(qū)域中網(wǎng)孔電勢(shì)和跨步電勢(shì)的最大允許值，則初期設(shè)計(jì)可接受，若開展施工設(shè)計(jì)，否則需要修正。

1.2.6 設(shè)計(jì)修正

如果接地網(wǎng)網(wǎng)孔電勢(shì)和跨步電勢(shì)計(jì)算值比最大接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)大，則初期設(shè)計(jì)需要修正。為了減小網(wǎng)孔電勢(shì)和跨步電勢(shì)，可嘗試以下修正措施：

1)在有問題的區(qū)域，通過在每個(gè)方向上增加平行接地極的數(shù)目來減小網(wǎng)孔大小。

2)增加地表材料層的厚度。對(duì)于碎石一般不超過15 cm。

2 IEEE接地標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算示例

以下以印尼某海邊2×300 MW燃煤電站工程全廠主接地網(wǎng)的相關(guān)計(jì)算。計(jì)算依據(jù)是IEEE Std 80—2013《IEEE交流變電站安全接地準(zhǔn)則》[2]。

假定條件：

1) 短路電流計(jì)算中未考慮接地電阻，結(jié)果要比考慮接地電阻后的更保守。

2) 計(jì)算中未考慮地下管道和電纜的影響，結(jié)果要比考慮其影響后的更保守。

2.1 原始數(shù)據(jù)

主要電氣設(shè)備的部分參數(shù)如下:

＃1和＃2 發(fā)電機(jī)(1G和2G)：300 MW ,Xd''=15.58%，X2=17.18%，P.F=0.85；

＃1和＃2 主變壓器 (1GT和2GT)：370 MVA，Ud=14%；

起動(dòng)/備用變(1ST)：40/25-25 MVA，U'd1-2=16.5%；

系統(tǒng)(1S)：100 MVA ，X''=1.58%。

短路電流計(jì)算接線圖如圖1所示。

圖1 短路電流計(jì)算接線圖

2.2 接地故障電流的計(jì)算

根據(jù)上面原始數(shù)據(jù)，我們可通過相關(guān)計(jì)算得到如下零序電抗圖表(計(jì)算中未考慮起動(dòng)/備用變1ST的零序勵(lì)磁電抗，結(jié)果要比考慮該因素后的更保守見表1所列。

表1 零序電抗值(Sj=100 MVA，Uj=Ucp)

式中：Ig流經(jīng)變壓器中性點(diǎn)短路電流的有名值 ；If為故障電流分流系數(shù)。

2.3 接地導(dǎo)體的選擇

根據(jù)IEEE Std 80—2013[2]中的公式(47)：

式中：A(kcmil)為接地導(dǎo)體截面積，kcmil，1 000 kcmil=507 mm2；tc為故障電流持續(xù)時(shí)間，s；Kf為可查詢的常數(shù) (見IEEE Std 80—2013[2]第47頁表2)，對(duì)于Tm可變值和Ta為40℃的材料，Kf=7.0 。所以：

考慮到腐蝕的存在，30 a后接地導(dǎo)體的厚度損失為：30×2×0.025=1.5 mm，式中腐蝕速率為 0.025 mm/a。

根據(jù)上述計(jì)算及合同要求，全廠主接地網(wǎng)的接地導(dǎo)體應(yīng)選用截面積240 mm2的軟銅鉸線，其有效直徑為17.5 mm。30 a后有效直徑則變?yōu)?7.5-1.5=16 mm＞13.45 mm(截面積141.96 mm2的軟銅鉸線的有效直徑 )。

2.4 全廠接地電阻的確定

根據(jù)IEEE Std 80-2013[2]公式(57)：

式中：Rg為全廠接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m，ρ=222 Ω·m；A 為接地網(wǎng)面積，m2，A= 169 000 m2；LT為全廠接地極的總長度，m，LT=13 600 m；h為接地網(wǎng)深度 m，h=1.0 m。

2.5 接地網(wǎng)最大入地電流IG和接地電位升GPR

接地網(wǎng)最大入地電流IG由 IEEE Std 80—2013[2]公式(69)確定：

式中：Df為整個(gè)故障持續(xù)時(shí)間的遞減系數(shù)，Df=1。根據(jù)準(zhǔn)則中說明：“若故障持續(xù)時(shí)間為30個(gè)周期或更長時(shí)間，遞減系數(shù)可取值為1.0”(見IEEE Std 80-2013準(zhǔn)則第86頁)

IG=DfIg=1×23.06=23.06kA

VGPR=IGRg=23.06×0.257=5.926 kV

(注：本示例電站不考慮遠(yuǎn)期擴(kuò)建，故擴(kuò)建修正系數(shù)Cp取1。)

2.6 接地網(wǎng)最大跨步電勢(shì)和網(wǎng)孔電勢(shì)的計(jì)算2.6.1 計(jì)算條件

根據(jù)合同，Et≤240 V，Es≤390 V(如有合同要求，按合同；如合同中沒有該項(xiàng)，按IEEE Std 80—2013計(jì)算)

2.6.2 主廠房A列外和150 kV升壓站的接地網(wǎng)的最大跨步電勢(shì)和網(wǎng)孔電勢(shì)

根據(jù)該工程圖紙“全廠主接地網(wǎng)布置圖”，本區(qū)域接地網(wǎng)可近似為一含有80根垂直接地極主要分布于區(qū)域邊界上的L形網(wǎng)。

埋于地下接地導(dǎo)體的總長度為：LT=LC+LR=3 260+80×3=3 500 m，

區(qū)域面積為：A=15 160 m2，使用IEEE Std 80—2013[2]，可計(jì)算出n，Km和Ki。

n=nanbncnd=11.64×1.07×1.11×1=13.8，其中na=2LC/LP=11.64，nd=1 (接地網(wǎng)為L形)；

現(xiàn)在Km可以通過使用IEEE Std 80—2013[2]式(88)和式(86)來計(jì)算：

式中：D為接地網(wǎng)中水平接地極的間距；d為接地網(wǎng)中接地導(dǎo)體的直徑；h為接地網(wǎng)中接地極埋地的深度。

利用IEEE Std 80—2013[2]公式(94)：

式中：R'g為主廠房A列外和150 kV升壓站子接地網(wǎng)的接地電阻 。

考慮到大接地網(wǎng)中電流分流系數(shù)的影響

IG' =VGPR/Rg' =5 926/0.855 6=6 926 A

式中：IG' 為主廠房A列外和150 kV升壓站子接地網(wǎng)的最大入地電流；

主廠房A列外和150 kV升壓站區(qū)域?yàn)槿珡S接地網(wǎng)中的一個(gè)子網(wǎng)，參考IEEE Std665[1]準(zhǔn)則附錄C“整個(gè)接地網(wǎng)中接地電位升(GPR)相等，為一常數(shù)”，所以IG'*Rg'=IG*Rg=GPR，IG'=IG*Rg/Rg'=GPR/Rg'，其中Rg/Rg'為內(nèi)部子網(wǎng)的電流分流系數(shù)。最后，由IEEE Std 80—2013[2]公式(85)及公式(96)：

所以最大接觸電勢(shì)滿足合同的要求?？衫肐EEE Std 80—2013[2]公式(97)(98)(99)來分別計(jì)算Es，Ls，Ks。

這說明最大跨步電勢(shì)也滿足合同要求。

本例中的最大接觸電勢(shì)和最大跨步電勢(shì)均能滿足合同要求，但是有些工程中這未必都能滿足合同值，可以采取相應(yīng)的修正措施來增大最大允許接觸電勢(shì)和最大允許跨步電勢(shì)。例如，可以增加水平接地極數(shù)量，減小網(wǎng)孔大小來降低接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)；還可在不滿足要求的區(qū)域中鋪設(shè)礫石或者瀝青的地面，用以提高地面電阻率，以降低人身承受的電壓，此時(shí)地面上的電位梯度并不改變。

3 結(jié)語

IEEE的設(shè)計(jì)方式與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的不同之處在于：采用IEEE是先假設(shè)出接地網(wǎng)格間距進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與允許值進(jìn)行比較，如果不滿足要求，則修改設(shè)計(jì)方案，直到滿足要求值為止。IEEE的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)更多的考慮了數(shù)學(xué)模型，因而計(jì)算過程較為復(fù)雜，考慮因素較多，而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方式則更多的使用了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此計(jì)算較為簡(jiǎn)捷。