幾種接地系統(tǒng)安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的分析

摘要：接地系統(tǒng)的安全評(píng)估是一個(gè)確定人體所承受的最大接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)與給定的安全標(biāo)準(zhǔn)比較的測(cè)試。本文通過一個(gè)實(shí)際算例對(duì)幾種接地系統(tǒng)的安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析比較，以對(duì)實(shí)際接地系統(tǒng)的安全評(píng)估提供參考。

關(guān)鍵詞：接地系統(tǒng) 安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

1 概述

接地網(wǎng)是變電站安全運(yùn)行的重要保證。變電站接地網(wǎng)主要電氣參數(shù)是接地電阻，接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)。接地系統(tǒng)安全評(píng)估是一個(gè)確定人體所承受的最大接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)與給定的安全標(biāo)準(zhǔn)比較的測(cè)試。目前國(guó)際應(yīng)用較廣泛的安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)有IEEE-80-2000，IEC-471-1，EA-TS41

-24，BS7354等。本文通過一個(gè)實(shí)際算例對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析比較，以對(duì)實(shí)際接地系統(tǒng)的安全評(píng)估提供參考。

2 電路模型

在討論人體可承受的電壓之前，應(yīng)該簡(jiǎn)要說明一下人體可承受的電流。電流通過人體重要器官時(shí)的作用取決于電流作用的時(shí)間，強(qiáng)度及頻率。電流通過人體時(shí)最大的危險(xiǎn)是電流會(huì)引起心室的震顫和呼吸的停止。不引發(fā)心室震顫和呼吸停止的電流IB的大小，在0.03秒到3秒的時(shí)間范圍內(nèi)，取決于人體所吸收的能量，SB=IB2×ts（1）

這里，ts是電流通過的時(shí)間；人體的接觸電壓和跨步電壓可用如下的等效電路表示，圖中，Vth是未發(fā)生觸電時(shí)H與F之間的電壓；Zth是發(fā)生觸電時(shí)電源的等效阻抗；RB是人體的電阻。

3 各標(biāo)準(zhǔn)中安全標(biāo)準(zhǔn)定義的比較

3.1 IEEE-80-2000標(biāo)準(zhǔn) IEEE-80-2000標(biāo)準(zhǔn)中提出人體可以承受的電流IB，對(duì)于體重為70公斤的人，IB=■（2）

并給出了標(biāo)準(zhǔn)接觸電壓Et和實(shí)際接觸電壓Em的計(jì)算公式，Et=（1000+1.5Csρs）■ （3）

其中Cs是電阻率的減小系數(shù)，ρs是地表碎石層的電阻率。Em=■ （4）

其中km是接地網(wǎng)的幾何因數(shù)，ki是對(duì)km的誤差校正因數(shù)，Lm是埋設(shè)導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，ρ是土壤的電阻率，IG是流入的故障電流。

該標(biāo)準(zhǔn)未考慮鞋的電阻，它通過比較實(shí)際接觸電壓是否小于標(biāo)準(zhǔn)接觸電壓來確定是否達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 BS7354標(biāo)準(zhǔn) BS7354標(biāo)準(zhǔn)給出的實(shí)際接觸電壓的計(jì)算公式：VT=■{ln（h/d）0.5+Cs}ki （5）

其中，Cs是電阻率的減小系數(shù)，R是網(wǎng)孔電阻，L是接地導(dǎo)體的總長(zhǎng)度，h是接地網(wǎng)埋設(shè)深度，d是導(dǎo)體的直徑，V是網(wǎng)孔的電位升，ki=（0.15n +0.7），n是平行導(dǎo)體的總數(shù)量。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，VT定義為沿接地網(wǎng)對(duì)角線向外1m的電壓與接地網(wǎng)到地表的電壓之和。

在BS7354標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出標(biāo)準(zhǔn)接觸電壓的計(jì)算公式，而是給出了接觸電壓的等效電路，如圖2所示。

通過公式，

VT=IT（RB+■） （6）

計(jì)算出通過人體的電流IT與IEC-471-1中給出的人體可承受的電流時(shí)間圖進(jìn)行比較。圖中RLF，RRF分別是左右腳鞋的電阻，RC是接觸電阻，RB是人體電阻。

3.3 EA-TS41-24標(biāo)準(zhǔn) EA-TS41-24給出的實(shí)際接觸電壓的計(jì)算公式，Et（grid）=■（7）

類似于IEEE-80-2000中的公式，但其中的參數(shù)計(jì)算有所不同。其中Ke是考慮到網(wǎng)格上均勻分布電流作用的因數(shù)，Kd是Ke對(duì)于不均勻分布的電極電流的修正參數(shù)，L是所有導(dǎo)體的長(zhǎng)度，包括垂直接地棒，Lp是接地網(wǎng)的周長(zhǎng)。且EA-TS41-24要求接地網(wǎng)周圍要設(shè)有圍欄，距離為兩米，圍欄的接觸電壓公式為：Et（fence）=■（8）

其中Kf=0.26Ke。

EA-TS41-24也沒有給出標(biāo)準(zhǔn)接觸電壓的公式，而是借助于IEC-471-1中給出的人體可承受的電流時(shí)間圖來確定是否安全。

■

圖3 IEC電流通過人體影響曲線

圖中，線a為觸電者有感覺與反應(yīng)的起始線0.5mA。在a線左方無感覺無反應(yīng)，即“區(qū)域1”，為無反應(yīng)區(qū)。從該線開始，右方為“區(qū)域2”為有感覺與反應(yīng)區(qū)。線b稱為安全曲線。線b到線c之間為“區(qū)域3”，為非致命的病理生理效應(yīng)區(qū)，可能發(fā)生痙攣、呼吸困難、心臟機(jī)能紊亂。線c以右，即“區(qū)域4”，為可能致命的心室顫動(dòng)嚴(yán)重?zé)齻ｋU(xiǎn)區(qū)。IEC-471-1標(biāo)準(zhǔn)沒有給出標(biāo)準(zhǔn)接觸電壓和實(shí)際接觸電壓的計(jì)算公式，只是給出了電流通過人體影響曲線，和人體電阻在不同情況下的曲線。

在各標(biāo)準(zhǔn)中通常認(rèn)為跨步電壓是小于接觸電壓的，一般認(rèn)為接觸電壓符合安全值，則跨步電壓也符合安全值。

4 算例分析

下面通過一個(gè)具體的實(shí)際工程算例來分析。某115kV變電站場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)：變電站長(zhǎng)度a=60m，寬度b=50m，接地網(wǎng)所占面積A=2867m2。鋪設(shè)碎石層厚度hs=0.1m，電阻率ρs=5000Ω·m，場(chǎng)地土壤電阻率ρ=52.33Ω·m。

按照標(biāo)書的初始設(shè)計(jì)：最大故障電流為10kA故障時(shí)間1s；接地網(wǎng)間距D=5m；接地導(dǎo)體條數(shù)nA=nB=12，總長(zhǎng)度LC=1200m， 埋深h=0.8m，直徑d=0.0125m，接地棒設(shè)于接地網(wǎng)邊緣，總數(shù)n=34根，總長(zhǎng)度Lr=81.6m，直徑d2=0.02m，每根長(zhǎng)L2=2.4m。

4.1 根據(jù)IEEE-80-2000標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算實(shí)際接觸電壓，Em=■。km是接地網(wǎng)的幾何因數(shù)，值為0.6，ki是km的誤差校正因數(shù)，值為2.72，LM為埋設(shè)導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度LM=LC+[1.55+1.22（■）]LR=1330m，可以得出

Em=■=642V，

Et=（1000+1.5Csρs）■=781V。

（Cs是電阻率的減小系數(shù)）

實(shí)際接觸電壓小于標(biāo)準(zhǔn)接觸電壓，所以認(rèn)為是安全的。

4.2 根據(jù)BS7354標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算實(shí)際接觸電壓VT=■{ln（h/d）0.5+Cs}ki=848V。其中R是接地極電阻，據(jù)公式計(jì)算可得0.4784Ω；V是地電位升，值為4784V。

由VT=IT（RB+（■）），RB=1000，RF=4000，RC=15000，可得出IT=81mA。

對(duì)照IEC-471-1中給出的人體可承受的電流時(shí)間圖發(fā)現(xiàn)不滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 根據(jù)EA-TS41-24標(biāo)準(zhǔn) 圍欄的接觸電壓：

Et（fence）=■=0.26·Et（grid）=215.6V

Et=IT（RB+Rf），得IT=43mA。與IEC-471-1中給出的人體可承受的電流時(shí)間圖進(jìn)行比較，滿足安全標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

通過以上對(duì)同一實(shí)際工程算例的計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)BS7354標(biāo)準(zhǔn)比其它兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)更加保守，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況適當(dāng)選擇評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。另外IEEE-80-2000標(biāo)準(zhǔn)中提出人體可以承受的電流IB=■比國(guó)際電工委員會(huì)IEC-471-1標(biāo)準(zhǔn)中通過人體安全電流曲線所顯示的值大。

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