发电厂和变电站接地设计安全判据的探讨

杨怀栋

(广州供电局有限公司系统规划研究中心，广东 广州 510610)

1 接地系统设计目的

目前，国内发电厂和变电站接地系统采用《GB 50065－2011：交流电气装置的接地设计规范》(以下简称“国内标准”)作为设计标准；国外变电站接地系统则采用《IEEE Std 80－2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》(以下简称“国际标准”)作为设计标准。

根据国内标准，发电厂和变电站接地系统设计的基本目的：①正常的工作接地；②保护设备免受绝缘损坏；③保护人身安全。

根据国际标准，变电站接地系统设计的基本目的：①在正常和故障两种工况下，在不超过任何操作限值和设备限值，同时不对变电站的运行产生有害影响的前提下，为电流提供入地通道；②在各种工况下，保护位于接地装置附近的人免受电击危险。国际标准对于变电站接地系统设计目的的描述同样也适用于发电厂的接地系统设计。

由此可知，虽然以上两个设计标准对于接地系统设计目的的描述有所不同，但是其本质并没有什么差别。可归纳为如下两点：①功能性接地，即在正常情况下为电力系统的正常运行电流提供入地通道；②安全性接地，即在故障情况下为电力系统的故障电流提供入地通道，限制地电位升、接触电位差和跨步电位差的升高，以保证人身和设备的安全。

2 现有设计标准分析

2.1 现有设计标准的安全判据

现有的国内标准和国际标准均制订了接地系统设计的安全判据：

(1)国内标准首先是侧重接地电阻。“有效接地系统和低电阻接地系统，应符合下列要求：接地网的接地电阻宜符合下式的要求，且保护接地接至变电站接地网的站用变压器的低压应采用TN系统，低压电气装置应采用(含建筑物钢筋的)保护总等电位联结系统R≤2000/IG，式中R为考虑季节变化的最大接地电阻(Ω)；IG为计算用经接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值(A)；”同时规定，当接地网的接地电阻不符合本式要求时，“可通过技术经济比较适当增大接地电阻。”且在采取隔离措施、校核低压避雷器吸收能量的安全性等条件下，“接地网地电位升高可提高至5kV。必要时，经专门计算，且采取的措施可确保人身和设备安全可靠时，接地网地电位升还可以进一步提高。”除此之外，国内标准还以专门的章节要求接地系统需要满足接触电位差和跨步电位差的要求。

(2)国际标准对于接地系统的安全判据有两条：一是，在变电站范围内校验接触电位差和跨步电位差在安全的范围内，本条同样适用于发电厂的接地系统设计；二是，为了降低地电位升，接地系统对远端大地应保持较低的接地电阻，对于多数变电站或占地面积较大的变电站来说，接地电阻可限制在1Ω左右，而对小型的配电变电站站可以接受1Ω～5Ω。

2.2 差异

国内标准是从接地电阻和地电位升两个方面规定了接地网的安全判据，而国际标准则是从接地电阻、接触电位差和跨步电位差三个方面规定了接地网的安全判据，两者之间却存在很大的差异：

(1)接地电阻和地电位升

国内标准对于接地电阻的规定较为严格，即R≤2000/IG。当不满足上述要求时，可增大接地电阻。国际标准对于接地电阻的规定相对宽松，而且接地电阻只是建议性的给出了阻值范围，并不作为设计考核的标淮。

国内标准将地电位升作为接地电阻的辅助考核标准，即接地电阻不满足R≤2000/IG时，若增大接地电阻，则在采取确保人身和设备安全措施后，地电位升可进一步提高。而国际标准并未对地电位升的大小作具体数值规定。

(2)接触电位差和跨步电位差

国内标准和国际标准对于接触电位差和跨步电位差都有严格的规定，即在任何情况下，接地系统的设计均需要校验接触电位差和跨步电位差在安全的范围内。但是，国内标准和国际标准中，人体允许的安全接触电位差和跨步电位差的计算公式有所不同，此部分内容将在后续内容中详细介绍。

2.3 差异的分析比较

设备的安全指标是地电位升，而人身的安全指标是接触电位差和跨步电位差。对于国内标准和国际标准来说，原来的设计方法均是基于均匀土壤和简单公式，因此接地电阻和地电位升之间存在简单的对应关系。所以，对于接地电阻的限制就直接体现了对地电位升的控制。因此，上述两个标准的安全判据是通过对接地电阻的控制来体现设备的安全指标，通过对接触电位差和跨步电位差的控制来体现人身的安全指标。

由于保护设备和人身安全是接地系统设计的基本目的，因此国内标准和国外标准对于接地设计安全判据的制订均存在一定缺陷，具体内容如下：

(1)国内标准安全判据的缺陷

国内标准规定接地电阻需要满足R≤2000/IG的要求，同时规定当接地电阻不满足上述要求时，且采取确保人身和设备安全措施后，地电位升可进一步提高。并校核接触电位差和跨步电位差以保证人身安全，而对于是否可以保护设备安全则通过对地电位升大小的限制进行考核，并没有给出保护设备安全的实质内容。这样的接地设计是不完善的，理由如下：

对于设备保护：制订接地电阻满足R≤2000/IG要求的依据就是低压设备的绝缘水平为2000V。低压设备主要包括电气二次专业的保护及测量装置、通信专业装置等。随着电力系统的不断发展，发电厂和变电站的入地电流不断增大，因此接地电阻满足R≤2000/IG的要求是很难实现的。此种情况下，国内标准规定地电位升最大为5kV，其立论依据是厂内或站内电气二次设备承受的电位差不大于地电位升的40%，此系数有待进一步考证。同时，国内标准还规定，特殊情况下，地电位升还可进一步提高，此条规定仅为定性描述，可实施性较差。因此，上述判据对于厂内或站内低压设备特别是电气二次专业和通信专业的低压设备保护的内容，需要进一步讨论和明确。

(2)国际标准安全判据的缺陷

国际标准对于接地系统设计唯一考核的判据就是最大接触电位差和跨步电位差不超过人体允许耐受的范围，这充分保证了人身的安全要求，但并未规定保护设备安全的要求，这对于站内设备特别是电气二次专业和通信专业的低压设备不利，也需要进一步讨论和明确。

2.4 结论

根据以上分析比较，对于接地系统设计的基本目的及其安全判据：

(1)接地系统的设计在任何情况下均应通过计算来验证最大接触电位差和跨步电位差不超过人体允许耐受的范围，以保证人身安全。

(2)接地系统的设计在任何情况下均应保证厂内或站内低压设备特别是电气二次专业和通信专业等低压设备的安全。

3 接触电位差和跨步电位差允许值

国内标准提出，人体允许的接触电位差：

跨步电位差：

式中：Cs为表层衰减系数，ρs为地表层的土壤电阻率，hs为表层土壤厚度，ρ为下层土壤电阻率，ts为接地故障电流持续时间。

国际标准从99.5%人群耐受的电功率SB=IB2×ts出发，以体重50kg的人耐受电流SB=0.116/和体重70kg的人耐电流IB=0.157/作为判据。推导出人体允许的接触电位差和跨步电位差：

(1)50kg人体：

(2)70kg人体：

式中：Cs、ρs、hs、ρ与前述定义相同。

由上式可以看出，体重50kg的人体允许接触电位差和跨步电位差要明显小于体重70kg的人体耐受值。在具体应用中，应根据发电厂和变电站运行人员的具体情况进行判断和选择。对于国内发电厂和变电站，大部分运行人员体重并未达到70kg，故应以50kg为体重选择标准来计算人体允许的接触电位差和跨步电位差。

国内标准和国际标准关于接触电位差和跨步电位差的计算公式中，最新国内标准引入的Cs系数与国际标准相同。两者的差异为，国内标准中人体电阻取值为1500Ω，而国际标准中人体电阻取值为1000Ω。

对于人体重量，国内标准中人体重量取值为50kg，而国际标准中人体重量分为50kg和70kg两种，适用于国内发电厂和变电站的人体重量应选择为50kg。两者相同。

根据上述比较，国际标准对接触电位差和跨步电位差的要求更为科学和严格。但根据国内发电厂和变电站设计多年的验证，国内标准和国际标准对于接触电位差和跨步电位差的计算公式均可作为国内发电厂和变电站接地系统设计的人身安全判据。

4 低压设备允许的地电位升

发电厂和变电站低压设备的安全性直接与地电位升相关。目前，国内标准对于接地电阻规定的R≤2000/IG的要求，其由来是：由于低压设备的绝缘耐压低，特别是原来的金属导线的电话线的绝缘耐压一般都只有2000V。同时假设短路故障时，低压电缆芯线上没有感应电位，这样作用在低压电缆屏蔽层及低压设备上的电压就是地电位升。因此，从确保低压设备的安全性出发，要求地电位升不大于2000V，即要求接地电阻R≤2000/IG。

但是，在进行发电厂和变电站设计时，如果接地系统的接地电阻不满足R≤2000/IG的要求，则电气二次以及通信等专业所有引至站外的电缆，以及电气一次专业的低压电缆均要求采取加装隔离变压器或其它隔离措施，防止地电位引向厂外或站外，实现了厂内或站内低压电缆和设备与厂外或站外电缆和设备的电气隔离。这种情况下，发电厂或变电站内所有低压设备和电缆工作电压的参考零电位都是厂内或站内接地系统的地电位。当故障情况下接地系统的电位升高时，低压电缆和设备的工作电压的参考零电位会随之升高。因此，施加于厂内或站内低压电缆和设备的接地部分与工作部分的电位不会是接地系统的相对绝对零电位的地电位升，其电位最多为电流注入点的电位与发电厂或变电站内最小电位升的差，即发电厂或变电站内任意两点之间的最大电位差(以下称“最大相对地电位差”)。

根据以上分析，为了实现保护厂内或站内设备的安全，只要将发电厂或变电站接地系统的最大相对地电位差限制在2000V以内即可。

而在2011年发布并于2012年起实施的最新接地设计规范《GB 50065－2011：交流电气装置的接地设计规范》中，第4.2.1第2)条规定，在采取隔离措施、校核低压避雷器吸收能量的安全性等条件下，“接地网地电位升高可提高至5kV。”其立论的基础在于，常规发电厂和变电站的接地系统，其网内最大地电位差一般不超过地电位升的40%，这种情况下，地电位升提高至5kV则可以满足最大地电位差不大于2000V的要求。本条同时指出，“必要时，经专门计算，且采取的措施可确保人身和设备安全可靠时，接地网地电位升高还可进一步提高。”人身安全指满足接触电位差和跨步电位差的要求，而设备安全则是指满足最大地电位差不大于2000V的要求。

因此，在实际的工程设计中，在发电厂或变电站接地系统不满足R≤2000/IG要求或者即使可以满足但经济性较差的情况下，建议通过判断发电厂或变电站接地系统的最大相对地电位差是否不大于2000V作为国内发电厂或变电站设计的低压设备安全判据。

5 接地系统安全指标的关系

在国内标准中，接地系统的安全指标包括了接地电阻、接触电位差和跨步电位差；而在国际标准中，接地系统的安全指标仅包括接触电位差和跨步电位差。对于这些参数之间的相互关系分析如下：

5.1 地电位升、最大相对地电位差与接地电阻的关系

传统的接地系统设计方法中，整个接地网被看作是等电位的。同时，地电位升的计算是基于均匀土壤和简单公式，因此接地电阻和地电位升之间存在简单的对应关系。所以，对于地电位升的控制就直接体现在对接地电阻的限制上。

地电位升不但与接地电阻有关，还与发电厂和变电站内土壤的电阻率变化以及土壤电阻率的大小分布等有关。若仍采用等电位接地网的概念，并视土壤为均匀的，计算采用简单公式则会造成较大的计算误差。近年来，随着计算机技术的进步，采用数值分析的方法进行接地网参数计算已得到成功应用。这就为解决不等电位问题，计算接地网内各点的电位升和发电厂和变电站内接地区域的最大相对地电位差提供了可能。基于以上两点，对于地电位升的控制，特别是本文中提到的对于最大相对地电位差的控制，已不能沿用原来的接地电阻的简单判断上，而需要通过先进的计算方法转变为对地电位升和最大相对地电位差的直接判断上来。

5.2 接触电位差、跨步电位差与地电位升的关系分析

根据实际的物理定义可知，人体可能承受的接触电位差和跨步电位差主要是由发电厂或变电站接地区域内的各点之间存在电位差所导致的。因此，它和许多因素有关，如流经接地体的电流、接地网结构尺寸、土壤电阻率等。根据设计经验，人体承受的接触电位差和跨步电位差与地电位升之间有如下关系：①当水平接地网结构尺寸和土壤电阻率不变时，降低接地系统的地电位升可以降低人体承受的接触电位差和跨步电位差；②当降低地电位升的措施代价较大时，可以通过改善水平接地网的布置来改善网内的电位分布的均匀性可以改善人体承受的接触电位差和跨步电位差。

6 结论

(1)发电厂和变电站接地系统设计的安全判据应同时考虑人身安全和设备安全两个方面的内容。

(2)最大接触电位差和最大跨步电位差是保证人身安全的唯一判据。国内标准和国际标准对于最大接触电位差和最大跨步电位差的计算公式均可作为国内发电厂和变电站设计的人身安全判据。国际标准相应的计算公式更偏保守。通过降低地电位升和改善水平接地网的布置可以降低人体承受的接触电位差和跨步电位差。

(3)最大相对地电位差是保证设备安全的唯一判据。在发电厂或变电站接地系统不满足R≤2000/IG的要求时，建议通过判断发电厂或变电站接地系统的最大相对地电位差是否不大于2000V作为国内发电厂和变电站设计的低压设备安全判据。降低地电位升和改善水平接地网的布置可以降低接地系统的最大相对地电位差。

(4)发电厂或变电站接地系统不满足人身安全或设备安全的设计要求时，均可以通过降低接地电阻来降低地电位升改进设计。但是发电厂和变电站的接地设计不可盲目地降低接地电阻，以造成较大的人力和物力的浪费。当接地系统不满足设计要求，且降低接地电阻代价较大时，可以通过改善水平接地网的布置使接地系统满足设计要求。对于接触电位差和跨步电位差来说，还可以通过敷设高阻层来使其满足人身安全的要求。

[1]GB 50065－2011，交流电气装置的接地设计规范[S]．

[2]水利电力西北设计院．电力工程电气设计手册：电气次部分[K]．北京：中国电力出版社，1989．

[3]IEEE Std 80－2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding[S]．

[4]DL／T621－1997，交流电气装置的接地[S]．