国际工程中交流变电站接地设计标准应用研究

2016-01-31李跃

机电信息 2015年36期

关键词：接地电阻跨步电压

李　跃

(中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西西安 710054)

国际工程中交流变电站接地设计标准应用研究

李跃

(中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西西安 710054)

摘要：基于IEEE Std80—2000《交流变电站接地安全指南》中的户外高压交流变电站接地系统部分与国内相关标准，包括国标、行业标准和电力设计手册进行对标，找出差异，提出执行国际工程变电站接地设计的设计流程和解决差异的具体办法。

关键词：接地网；接地电阻；网孔电压；接触电压；跨步电压

0引言

国际电力工程项目大都采用(或强制采用)国际上通行的国际标准或发达国家电力建设标准，如IEC、IEEE、ASTM、ANSI、BS、DIN等，特别是世界银行、亚洲银行等金融机构投资项目均强制要求采用上述标准。其中，IEEE交流变电站接地标准最为突出，该标准与我国电力设计行业一直沿用几十年至今的DL/T621—1997行业标准存在较大差异，因此，给我国电力建设队伍特别是设计企业在国外开展设计工作带来了不便，甚至带来了风险。为了便于我们在国际电力工程项目中有效顺利地开展工作，降低技术风险，本文结合笔者自身的工程实践经验，将国标GB/T50065—2011和DL/T621—1997行业标准与IEEE Std80—2000标准进行简易对比，找出差异，提出建议，尽可能使我们的工作标准与国际接轨，降低国际工程项目的技术风险。

1参数符号对比

参数符号与国内符号有所差异，由于篇幅有限，本文不再赘述。

2两个设计程序逐步对比

因两个设计程序的逻辑思路基本一致，为便于在国际工程中使用和比照，以下以IEEE Std80—2000(以下简称IEEE)步骤及符号为主与国标GB/T50065—2011(以下简称GB)及行业标准DL/T621—1997(以下简称DL)进行对比。

第一步(STEP1)，确定接地面积及土壤电阻率方法基本一致，只是符号不同。

经过分析可以看出，中国标准偏保守一点，导体截面值约高3%～5%。另外，IEEE标准中还提供了比简化计算更精确的导体截面计算公式，公式的材料标准仍为ASTM标准。因此，在国际工程设计中，必须首先掌握ASTM材料标准的相关内容。

第三步(STEP3)，接触电压和跨步电压允许值计算。

目前在国内变电站接地设计中，也大都采用砾石作为除道路、操作平台外的其他设备区域的表层处理材料，以增大表层电阻率。虽然国内在新出版的GB中，采用了IEEE标准中的表层土壤衰减系数Cs，但是在允许值计算公式中，参数选用量级仍有差异，具体对比如表1所示。

表1　接触电压及跨步电压允许值计算对比

从对比表中可以看出，DL标准不适合在国际工程中使用，它没有考虑表层材料的影响因素。而新出版的GB虽然引入了表层衰减系数，但在计算接触电压和跨步电压允许值时，根据中国特点，并结合DL标准提供的计算公式亦与IEEE标准有所区别。IEEE在计算人体耐受电流的允许值时，人体电阻选用1 000 Ω，而GB选用的人体电阻为1 500 Ω(其他参数条件相同)，因此产生公式差异。可以看出，GB计算出的值偏于保守。

第四步(STEP4)，接地网的初步设计。

包括地网平行导体的间距、接地极数量、地网导体总长度以及地网埋深等，并依据最大入地短路电流IG、地网面积A等参数，设计均压网格的大小、垂直接地极之间的间距。在此方面，GB及DL标准与IEEE指导思想和设计思路基本一致。

但是，在计算最大入地短路电流方面，DL标准并没有考虑短路电流中的直流分量对人体的危害和对接地导体产生的热容量副作用的影响。虽然GB引入了IEEE标准中的故障电流衰减系数Df，但在使用Df系数表时仍需注意，GB中(表B.0.3)频率为50 Hz，而在IEEE标准中的(Table 10—Typical values ofDf)频率为60 Hz。由表中可以看出，在相同阻抗电阻比的条件下，GB值偏大，约有3%的差异。

另外，在IEEE标准中并没有提供地网初步设计阶段变电站接地电阻的估算方法，仅按照变电站的规模规定了1～5 Ω的范围。因此，下列算式在国际工程设计中仅作为参考计算使用，不进入提交的计算书内容中。

R≤2 000/IG

IG=Df·Ig

式中，IG为经接地网入地的计及直流偏移分量的接地故障不对称电流有效值；Ig为接地网入地电流有效值对称分量；Df为全故障时间内的故障电流衰减系数。

第五步(STEP5)，接地电阻计算。

GB采用了DL“人工接地极工频接地电阻的计算”公式，并与国际上通行的CDEGS(Current Distribution Electromagnetic Interference Grounding and Soil Structure Analysis)接地系统分析软件计算结果进行了分析对比，仍沿用DL计算公式和相关系数。同时，引入DL/T5091—1999中双层土壤的思路，提供了水平分层和垂直分层的双层土壤接地极电阻的计算公式。而IEEE没有提供双层结构接地网接地电阻的计算公式，仅提供了均匀土壤的3种计算公式。IEEE除“不考虑埋深”的简易公式与GB一致外，其他几个计算公式均存在差异。GB增加考虑了水平接地体与垂直接地体互感的计算公式，该计算公式中的系数k1、k2采用了图解法，其目的是简化较为复杂的双层电阻率结构的接地电阻计算。

为此，在国际工程中，经常采用将表层材料电阻率用于地电位升、跨步电压和接触电压计算，而底层电阻率土壤用于变电站接地电阻计算。通过大量国际工程实践证明，此种方法业主是认可的。

第六步(STEP6)，接地故障短路电流及分支系数的计算。

虽然IEEE与GB在计算接地网入地对称短路电流时都采用了分流系数概念，但在计算分流系数方面有较大的差异。GB在标准中提供了较为复杂的分流系数计算公式，分为内、外部故障分流系数。计算考虑了不同材料接地线导体、单地线、双地线和不同档距等多方面因素对分流系数的影响，而IEEE为避免多种工况、多种结构条件下计算的复杂性，采用了图解法(Annex C，Figure C.1～C.22)和查表法(Annex C，Table C.1)，将多种典型的变电站接线系统的间隔数和线路数量之比值，以及相关的如变电站地网接地阻抗、线路阻抗、站内中性点阻抗等与分流系数Sf相关的有规律性因素列成图或表，在计算时，只需掌握关联参数，即可在图或表中查出对应的分流系数，大大减轻了计算工作量。图和表两种方法还可以相互校核，这样也提高了计算的准确性。

第七步(STEP7)和第八步(STEP8)，故障情况下网孔电压、接触电压和跨步电压的校核。

在校核地网电位升方面，IEEE与GB基本一致，利用地网电位升计算公式Ut=IGRg，使其小于接触电压允许值Utouch即可。而DL和设计手册在校核时采用的是入地短路电流I，没有采用含有直流分量影响的短路电流IG，即引入衰减系数Df的概念。

在校核等间距网孔电压和最大跨步电压时，IEEE与GB一致，采用将全站不规则地网形状且等间距导体布置地网分为4种典型的规则地网类型，由这4类典型地网形状所组成，提供了几何影响系数KM和KS。而DL标准和设计手册虽然也采用了几何影响因素，但其系数的算法与之不同，仅考虑了方形、矩形和与之相关的地网导体参数。

GB除在等间距地网布置方面按照IEEE方式校核网孔电压和跨步电压外，同DL标准，还提供了非等间距的最大跨步电压和最大接触电压的计算公式(与DL系数算法不同)。IEEE标准则没有提供非等间距的具体计算公式。

因此，在国际工程中，本步骤不能按照DL标准计算。应按照GB或IEEE标准计算(GB的衰减系数值与IEEE略有差异，详见第四步分析)。关于非等间距，一般业主要求采用CDEGS软件分析计算。

第八步至第十二步(STEP8～12)，这些步骤在思维方式、处理手段，如后期评价与实施建设接轨等方面均与国内标准和设计手册相同，不再赘述。

3结论

(1) GB和DL与IEEE整体思路基本一致，包括对接地安全性的认知程度、理论依据、分析手段和评价方式等方面。

(2) 基于安全性计算分析的接地网设计程序基本一致；在国际工程中，可按IEEE标准进行设计计算，用GB进行校核，按照IEEE计算程序提供计算书。

(3) 在第一至八步的计算程序中，基本方程式基本一致，差异主要发生在各个公式中的相关系数计算和取值依据等方面，如热稳定系数、双层土壤影响系数、短路电流衰减系数、短路电流分流系数、几何系数和校正系数等。

(4) 在国际工程中采用IEEE标准的同时，材料标准应随之配套，可采用ASTM、BS等欧美的材料标准。

(5) 在国际大型工程中使用IEEE标准的同时，应采用CDEGS分析软件，以便更加准确地提供计算结果。

[参考文献]

[1]陈家斌.接地技术与接地装置[M].北京：中国电力出版社，2003.

[2]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册：电气一次部分[M].北京：中国电力出版社，1989.