IEEE 接地体选择与计算相关标准在工程项目中的应用

杨 彬

（中国石化工程建设有限公司，北京 100101）

0 引言

电力系统的安全可靠接地对电气设备安全可靠运行及操作维护人员安全都具有重大意义，在工程设计施工中，主要考虑以下几方面［1］：一是防止临近人员遭受电击；二是保证电力系统的正常运行；三是防止雷击和静电的危害。雷电发生时，除了直接雷外，还会生产感应雷，最有效的防范措施就是接地。若土壤对于接地材料没有腐蚀性并且接地体的截面足够大，则可以在数年内保证接地系统的可靠性。

在工程实践中，为满足接地系统的使用寿命，接地系统中的设备包括接地导体、连接方式、接地连接线、接地极，都应满足以下要求：1）有足够的导电能力，以减少跨步电压；2）在最大持续故障电流作用下能够不熔化、不变形；3）拥有较强的机械性能并且可靠连接；4）在遭受腐蚀或者物理损伤的时候能满足接地系统参数要求。

根据IEEE std 80—2013 《交流变电站接地安全指南》相关规定，结合某项目实际要求，对接地体的选择和接地电阻计算进行了初步研究。

1 接地体选择

1.1 导体材质的选择

目前广泛使用的接地工程材料有各种金属材料、非金属接地体、降阻剂和离子接地系统等［2］。

金属接地材料。金属接地材料（主要指铜材和钢材），由于其具备良好的导电性和经济性，很长时期以来一直是接地工程中最重要的材料之一。但是，由于金属材料存在易腐蚀的缺点，对接地电阻的影响也比较大，存在隐患，同时，随着其造价不断攀高，使得金属接地材料的缺点逐渐突显，金属接地材料的使用逐渐减少。

非金属接地体。非金属接地材料作为金属接地体的替换产品，由于其特有的抗腐蚀性能、良好的导电性和较高的性价比被广大用户所接受。

降阻剂。降阻剂分为化学降阻剂和物理降阻剂，由于化学降阻剂存在污染水源、腐蚀地网等缺陷，现在广泛采用的是物理降阻剂。物理降阻剂属于材料学中的不定性复合材料，可以根据使用环境形成不同形状的包裹体，也可以和接地环或接地体同时运用，包裹在接地环和接地体周围，达到降低接触电阻的作用。物理降阻剂有超过20 年的工程应用经验，施工工艺成熟。

离子接地系统。离子接地系统由传统的金属接地改进而来，根据其接地系统的金属材料不同，主要分为不锈钢离子接地系统、铜包钢离子接地系统和钢材离子接地系统。不锈钢离子接地系统的防腐性能较钢材离子接地系统好，但其不宜在腐蚀性严重的环境中使用。铜包钢离子接地系统可节约大量的铜，大大降低成本［3］。

综合考虑实际需求、环境参数、市场报价、工程项目经济性等因素，结合接地材料的抗腐蚀性、电气设备故障电流，本文选用加工倒棱终端冷拔铜。

1.2 导体截面

1.2.1 最大允许短路电流

根据IEEE std 80—2013 《交流变电站接地安全指南》中计算公式，导体最大允许短路熔断电流（即变电所开关柜所能开断的最大短路电流）为［4］

式中：Tp为导体热容量，J／（cm3·℃）；tc为电流作用时间，s；Tm为导体熔点，℃；ar为导体电阻率温度系数，式（1）中，ar取Tm温度下的导体电阻率温度系数值；，a0为0 ℃下的电阻率温度系数；ρr为导体电阻率，μΩ·cm，ρr取Tm温度下的导体电阻率；Ta为环境温度，℃。

在工程应用中，常见接地材料性能参数如表1所示。

式（1）基于两个基本的假定：所有的热量都集中在导体里（绝热过程）；比热容和密度的比值（热容量）是常数。对大多数金属而言，只要故障电流在几秒内消散，这两个假定在相当大温度范围内都适用。

1.2.2 变电所接地网导体截面

以某工程中变电所为例，查得该工程中变电所接地网有关数据如表2 所示。

表1 常见接地材料性能参数

表2 变电所接地网有关参数

工程应用中，取设备故障电流作用时间tc=0.25 s，根据式（1）计算可得接地导体使用最小截面Amin为75.21 mm2。故该变电所接地网使用4／0 AWG（横截面积为107 mm2）铜线满足最大允许短路熔断电流为85 kA 的要求。

1.2.3 装置区接地网导体截面

计算装置区用电设备短路故障电流

式中：cMAX为最大短路电流电压因数；ZM为电机阻抗值，Ω；Un为额定电压，kV。选择额定电压Un为0.48 kV，选取功率最大的电机进行校核，该电机相关参数如表3 所示。

根据IEC 6090—2016《三相交流系统短路计算》计算公式，电机阻抗值为［5］

表3 装置区功率最大电机有关参数

工程应用中取最大短路电流电压因数cMAX=1.05，可计算短路故障电流为

设备故障电流作用时间tc取1 s，根据式（1）可得接地导体使用最小截面为7.41 mm2。故该工程装置区用电设备接地线选用2／0 AWG（横截面积为67.4 mm2）铜线满足故障短路电流2.07 kA 的要求。

2 接地电阻

对于选定的接地体，接地电阻不宜过大，以保证为电流消散提供通道，使得跨步电压限制在安全范围内并避免弧闪。为了将不同用途和各种不同电压等级的电气设备接地，应使用一个总的接地装置。接地装置的接地电阻应满足其中接地电阻最小的电气设备的要求［6］。取某工程为例，工程要求接地体埋深不低于0.762 m，接地电阻不大于5 Ω，接地极长度不小于2.438 m，相邻两个接地极之间的距离不小于6.096 m。

2.1 土壤电阻率

工程设计应以实测的土壤电阻率为依据。在具体工程中变电所（或接地网）不同地点和不同深度的土壤电阻率是不同的，在计算中可选取一个等值的土壤电阻率进行计算。本文算例中，接地体埋深处土壤电阻率取值为197.8 Ω·m 。

2.2 柯西希瓦兹公式

本文算例中某区域接地网如图1 所示，接地干线规格为单芯4／0 AWG（横截面积为107 mm2）铜线，接地极直径为0.229 m，主要计算参数如表4 所示。

图1 主接地网

表4 计算参数

柯西希瓦兹公式给出了考虑水平接地体和垂直接地体的均匀土壤中接地电阻的计算公式为［1］：

式中：R1为水平接地体的计算电阻，Ω；R2为垂直接地极的计算电阻，Ω；Rm为R1和R2间的相互接地电阻，Ω；k1、k2为柯西希瓦兹公式中2 个计算参数。

柯西希瓦兹公式中参数k1和k2的取值曲线如图2 所示。使用插值法，可以从图2 曲线中得出该接地系统的计算参数k1和k2：

1）水平接地体的计算电阻。算例中使用的4／0 AWG（横截面积为107 mm2）铜导线的直径为＝0.013 05 m，等效直径a′＝＝0.099 72 m，则水平接地体的计算电阻为

图2 柯西希瓦兹公式中的参数和曲线

2）垂直接地极的计算电阻。算例中使用的接地极直径为0.019 m，则

3）相互接地电阻为

根据以上计算结果可以得出该装置局部接地系统的接地电阻计算值为

2.3 简便计算

接地电阻的估算是决定接地系统线径和布置的第一步，电阻值主要取决于接地系统的占地面积，而占地面积在设计初期很容易获得。接地电阻的最小值可以通过假设地表敷设整张金属板来估算：

进而把水平接地体的长度和垂直接地极的长度的总和作为接地干线总长度，接地电阻的计算值在上式中加上一个附加项来估算：

Sverak 给出了考虑到接地体的埋深计算公式［4］为

对比利用柯西希瓦兹公式和简便计算公式的测算看到：1）两种方法测算的接地极电阻值基本一致，满足业主相关要求；2）简便计算的计算量明显较小，所需参数也更为简单，非常适合工程实际中选用。

3 结语

土壤环境、接地材料的抗腐蚀性以及工程项目的经济性决定了接地材料的选择；设备最大短路故障电流决定了主接地网导体截面的选择。以某项目为算例，根据IEEE std 80—2013《交流变电站接地安全指南》相关规定进行相关设计，并通过计算验证了接地系统设计方案满足规范要求，并利用柯西希瓦兹公式和简便计算公式校核了接地电阻值，为接地系统设计满足IEEE 标准提供了思路。