基于IEEE Std 80与GB/T 50065的变电站接地差异分析

2020-03-31

四川电力技术 2020年1期

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430071)

0 引言

在国家“十三五”规划转变经济发展模式的政策背景以及“一带一路”的推动下,国内工程公司都在积极拓展国外市场。尤其是近年来国家电网公司构建全球能源互联网已经从战略构想阶段进入落地实施阶段，必将进一步扩大国内电力设计院海外电力设计市场。变电站接地网是保证变电站电气设备安全可靠运行、工作人员人身安全的重要设施。然而国外接地网设计采用标准与国内标准存在差异，弄清楚国内外接地标准差异的内部原因将极大地提高设计院工作效率，拓宽工作思路，进而提高本行业在电力建设技术领域的国际竞争力。

文献[1]在接地导体截面的选择、接地电阻值计算、接触电势与跨步电压计算等3个方面进行了差异比较，但没有指明国内外标准在接地设计判据上的侧重点，没有从更深层次的原理上分析两标准存在差异的原因。文献[2]依据牵引变电站接地网设计，详细分析了国内外接地标准在接地电阻值计算、接触电势跨步电压限值两方面的差异，但其忽略了接地导体在接地标准中的差异，显然接地导体的选择是接地网设计的基础，该项选择将影响变电站建设的工程量甚至后期变电站的安全可靠运行。

下面从接地导体截面的选择、接地判据的侧重点、电流分流系数等方面进行了深层次的分析，给出了IEEE Std 80[3]和GB/T 50065[4]两标准存在的差异以及存在这些差异的内部原因，为设计工程师在比较国内外接地标准差异时提供了便利。

1 接地装置导体的选择方法比较

每一接地系统的元件，包括地网导体、连接、连接导线和所有的主电极，IEEE Std 80和GB/T 50065都规定了其设计应该符合装置的预期寿命要求，即在选择接地装置导体的材质和截面时，应满足热稳定校验要求，同时需考虑设计使用年限内土壤对其的腐蚀影响。

可以发现两本规范在导体选择的基本原则上是一致的，但是在热稳定校验的方式上存在差异。两本规范的热稳定校验都是在式(1)上化简而来的。

(1)

式中：Amm2为导体截面积；Tm为导体最大许可温度；Tα为环境温度；Tr为材料常数的参考温度；αr为参考温度Tr时电阻率的温度系数；ρr为参考温度Tr时接地导体的电阻率；Ko为1/αo或(1/αr)-Tr；tc为电流的持续时间；TCAP为每单位体积的热容量。

1.1 IEEE Std 80 热稳定校验方法

IEEE Std 80中规定，接地导体(线)的最小截面可按式(2)的简化公式计算：

(2)

根据式(1)、式(2)可知：

(3)

1.2 GB/T 50065 热稳定校验方法

GB/T 50065中规定，接地导体(线)的最小截面应符合式(4)的要求：

(4)

根据式(1)、式(4)可知：

(5)

1.3 两种热稳定校验方法的异同

考虑到tc是短路电流的持续时间，其主要与电力系统的二次保护时间有关，不是接地规范考虑的重点，因此比较两本规范的热稳定校验公式可以发现，其主要区别是短路入地电流Ig和接地材料的热稳定系数Kf(1/C)，这里主要讨论接地材料的热稳定系数差异，短路入地电流Ig的计算差异将在第3节中讨论。

通过1.1节和1.2节对接地材料热稳定系数Kf(1/C)的比较，可以发现两者在公式计算上并无差异，然而归纳总结两本规范中已给出的相关接地材料热稳定系数，如表1所示(为方便比较，表中已进行了单位换算，与标准中的系数不一致)，可以发现IEEE Std 80中的接地材料热稳定系数比GB/T 50065中的要小，这是由于两标准在最大许可温度Tm上的选取有差异。

GB/T 50065中考虑了接地导体连接处放热焊的最大允许温度，例如铜和铜覆钢可根据土壤腐蚀的程度分别取900 ℃、800 ℃和700 ℃；钢和铝材的最大允许温度可分别取400 ℃和300 ℃。而在IEEE Std 80中Kf的计算值是按照材料本身所能允许的最大温度来考虑的，因此计算所得的接地材料热稳定系数IEEE Std 80的标准会比GB/T 50065的要小，自然计算所得的导体最小截面积IEEE Std 80的标准会比GB/T 50065的要小。但这并不意味着IEEE Std 80 标准不保守甚至不准确，需要注意的是，IEEE Std 80中还规定了在地网中，地上和地下的所有连接都应被评估，以便达到所用导体的全面要求，即电导率、耐腐蚀性、通流量和机械强度。这些连接点应足够大以便保持其温升低于导体的温升，并能抵御热效应的影响。显然，IEEE Std 80是定性地说明了需要考虑接地材料连接点的电导率、耐腐蚀性、通流量和机械强度；而GB/T 50065 则是根据经验公式定量地给出了接地材料连接点的电导率、耐腐蚀性、通流量和机械强度。

2 接地设计判据的侧重点比较

2.1 国内外接地标准判据侧重点

中国变电站的接地设计必须符合GB/T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中有关接地的要求。其规定，接地电阻、接触电位差和跨步电位差在四季中均应符合相关要求[4]。

而国外接地设计则多要求符合IEEE Std 80- 2013的规定。其规定侧重点在于接触电位差和跨步电位差在四季中均应符合相关要求。

中国对接地设计，要求通过计算获得的接地电阻值和地电位升高要在给定的限值以内，要求的地电位升限值为2 kV或者5 kV，相应的接地网的接地电阻宜符合式(6)要求：

R≤2000/IG

(6)

由于中国电网的发展，系统短路容量迅速扩大，式(6)已很难满足要求，在采取相关措施后，地电位升限值可提高为5 kV。

IEEE Std 80标准中虽然给出了接地电阻的计算方法，同时还规定了大型的系统变电站接地电阻可限制在1 Ω左右，但并没有将接地电阻作为设计考核的依据，其考核判据是变电站所计算的最大接触电势和最大跨步电压不超越其所规定的限值，该限值的计算是通过人体所能耐受的程度来计算的。

2.2 接地电阻的计算方法

GB/T 50065 中给出了均匀土壤中水平接地极为主边缘闭合的复合接地网的接地电阻计算公式为

Rn=α1Re

(7)

式中：Rn为任意形状边缘闭合接地网的接地电阻；Re为等值(等面积、等水平接地极总长度)方形接地网电阻；α1为水平接地网的形状系数(关于水平地网的面积S和接地网外缘边线总长度L0的方程)。Re的计算原理是将接地网等效为一个圆盘接地极，进而计算圆盘的接地电阻，然后通过内插法将圆盘接地电阻值等效转化为方形接地网的接地电阻。

IEEE Std 80 中是采用先独立计算出水平接地网和垂直接地极的自电阻系数R1和R2，然后计算水平接地体和垂直接地体的互电阻系数R12，最后通过式(8)计算系统总电阻Rg。

(8)

仔细研究两标准公式的计算原理，可以发现，GB/T 50065中计算方法的简化原理有所不同，GB/T 50065认为发电站、变电站的占地面积一般都比较大，垂直接地体对降低接地电阻所起的作用很小(不过2%～8%)。这是因为变电站的水平接地体可以等效为一个直径为b的圆盘，对于垂直接地体来说，即使密密麻麻地打了很多垂直接地体，也可以将其等效为一个厚度为a(垂直接地体长度)的圆盘，然而对于实际变电站来说，a<

因此GB/T 50065在计算复合地网的接地电阻时，忽略了垂直接地体对接地电阻的影响。显然，IEEE Std 80中并没有忽略垂直接地体的影响，其计算也更为复杂。

2.3 接触电势和跨步电压的限值计算方法

IEEE Std 80将人体分为50 kg和70 kg两种类型考虑，规定了跨步电压和接触电势的最大限值。

对于50 kg的人：

(9)

(10)

对于70 kg的人：

(11)

(12)

式中：Estep为跨步电压；Etouch为接触电势；Cs为表层衰减系数；ρs为地表层的电阻率。

GB/T 50065中规定110 kV以上有效接地系统的接触电势和跨步电压不应超过式(13)、式(14)计算所得的数值：

(13)

(14)

针对式(9)至式(14)，绘制以ρs为自变量、跨步电压和基础电势为因变量的数据图，如图 1至图 4所示。

通过比较两规范要求，可以发现，其在规定接地系统的接触电势和跨步电压的原理上是保持一致的，都是从人体能够耐受的电流出发，建立人体触电电路模型，进而求解跨步电压和接触电势限值。但是比较两本规范最后所得的计算公式可知，区别主要体现在：

1)IEEE Std 80将人体耐受电流分为两种类型分别求解，而GB/T 50065中将人体都按50 kg来考虑，这是因为50 kg人体更符合中国人的体型，而且其对应的接触电势和跨步电压限值更小，能够针对不同体重的人群，其计算结果更为严格。

图1 IEEE Std 80(50 kg人体)与GB/T 50065跨步电压比较

图2 IEEE Std 80(50 kg人体)与GB/T 50065接触电势比较

图3 IEEE Std 80(70 kg人体)与GB/T 50065跨步电压比较

图4 IEEE Std 80(70 kg人体)与GB/T 50065接触电势比较

2)IEEE Std 80将人体电阻按1000 Ω考虑，而GB/T 50065中将人体电阻按1500 Ω考虑，自然IEEE Std 80 在接触电势和跨步电压的限值选择上更为严格。

3)IEEE Std 80按人体50 kg耐受电流考虑时，其计算所得的跨步电压限值和接触电势限值均比GB/T 50065规范的计算值要小，这是由于IEEE Std 80选取的人体电阻值更小。

4)IEEE Std 80按人体70 kg耐受电流考虑时，其计算所得的跨步电压限值和接触电势限值与GB/T 50065的计算值大小和土壤电阻率有关。当土壤电阻率ρs≤69.1 Ω·m时，基于IEEE Std 80计算的跨步电压限值更为保守；反之基于GB/T 50065计算的跨步电压限值更为保守。当土壤电阻率ρs≤276.4 Ω·m时，基于IEEE Std 80计算的接触电势限值更为保守；反之基于GB/T 50065计算的接触限值更为保守。

3 短路电流分流系数计算方法比较

如果输电线路的架空地线或中性导线连接到变电站的接地体上，那么当系统发送故障时，一部分短路电流可以由与地网连接的架空地线构成回路流通，因此经地网入地的电流并不等于接地点的全部短路电流。

IEEE Std 80中并没有明确规定短路电流分流系数的计算方法，其认为分流系数的影响主要来自于架空地线和中性导线以及直埋管道和电缆的影响。其简要地介绍了多种对于防雷线、相导线等建模技术，并认为确定分流系数方法的选择将取决于系统连接到变电站的复杂性以及理想的准确度，因此IEEE Std 80对于分流系数计算方法的选择没有准确规定，须由设计工程师根据实际工程需要，在众多方法中选择合适的计算方法。

GB/T 50065中给出了具体的计算公式，其将线路按架空线路接地的档距分段，采用具有集中参数的π型电路，然后采用传输线理论，以各节点电压为变量建立节点电压方程求解。

4 算例分析

以某海外项目中设计的换流站为例，该换流站实测土壤电阻率为10.3 Ω·m，换流站表层不采取降阻措施。流经接地装置的最大入地短路电流取63 kA，故障隔离时间取0.35 s。依据标准中的热稳定校验要求，计算换流站接地导体的最小截面。

按照GB/T 50065，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面为

按照IEEE Std 80-2013中11.3.1.3节公式进行计算,接地线的最小截面为

=260.9 kcmil=153.03 mm2

地网面积为137 000 m2，埋设深度为0.8 m，水平接地体为150 mm2的铜绞线，垂直接地体为φ17.2 mm、长3 m的镀铜钢棒，经统计，接地导体的总长度为49.14 km，接地网外边缘长度为2.52 km。按照GB/T 50065标准和IEEE Std 80标准分别计算该换流站的接地电阻、跨步电压限值、接触电势限值等，计算结果如表 2。

表2 接地计算结果表

由表 2可见，采用两种标准计算得出的接地电阻相差不大，这侧面说明了垂直接地体对大型变电站接地电阻的影响不大。

采用CDEGS计算软件算得该换流站接触电势和跨步电压结果如图 5、图 6所示。

图5 变电站接触电势分布

图6 变电站跨步电压分布

结果表明，全站跨步电压最大值为96 V，接触电势最大值为228 V，显然计算所得的跨步电压均满足IEEE Std 80和GB/T 50065的要求，然而接触电势仅满足了GB/T 50065的要求，并未满足IEEE Std 80的要求。由此可以看出：IEEE Std 80 比GB/T 50065在接地电阻上的要求要宽松；IEEE Std 80 比GB/T 50065在接触电势和跨步电压的要求上要更严格。但是IEEE Std 80的判据侧重点在接触电势和跨步电压上，因此采用中国标准设计的接地网未必能够满足国际IEEE标准要求。