國際工程中交流變電站接地設計標準應用研究

李　躍

(中國能源建設集團陜西省電力設計院有限公司，陜西 西安 710054)

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國際工程中交流變電站接地設計標準應用研究

李躍

(中國能源建設集團陜西省電力設計院有限公司，陜西 西安 710054)

摘要：基于IEEE Std80—2000《交流變電站接地安全指南》中的戶外高壓交流變電站接地系統部分與國內相關標準，包括國標、行業標準和電力設計手冊進行對標，找出差異，提出執行國際工程變電站接地設計的設計流程和解決差異的具體辦法。

關鍵詞：接地網；接地電阻；網孔電壓；接觸電壓；跨步電壓

0引言

國際電力工程項目大都采用(或強制采用)國際上通行的國際標準或發達國家電力建設標準，如IEC、IEEE、ASTM、ANSI、BS、DIN等，特別是世界銀行、亞洲銀行等金融機構投資項目均強制要求采用上述標準。其中，IEEE交流變電站接地標準最為突出，該標準與我國電力設計行業一直沿用幾十年至今的DL/T621—1997行業標準存在較大差異，因此，給我國電力建設隊伍特別是設計企業在國外開展設計工作帶來了不便，甚至帶來了風險。為了便于我們在國際電力工程項目中有效順利地開展工作，降低技術風險，本文結合筆者自身的工程實踐經驗，將國標GB/T50065—2011和DL/T621—1997行業標準與IEEE Std80—2000標準進行簡易對比，找出差異，提出建議，盡可能使我們的工作標準與國際接軌，降低國際工程項目的技術風險。

1參數符號對比

參數符號與國內符號有所差異，由于篇幅有限，本文不再贅述。

2兩個設計程序逐步對比

因兩個設計程序的邏輯思路基本一致，為便于在國際工程中使用和比照，以下以IEEE Std80—2000(以下簡稱IEEE)步驟及符號為主與國標GB/T50065—2011(以下簡稱GB)及行業標準DL/T621—1997(以下簡稱DL)進行對比。

第一步(STEP1)，確定接地面積及土壤電阻率方法基本一致，只是符號不同。

經過分析可以看出，中國標準偏保守一點，導體截面值約高3%～5%。另外，IEEE標準中還提供了比簡化計算更精確的導體截面計算公式，公式的材料標準仍為ASTM標準。因此，在國際工程設計中，必須首先掌握ASTM材料標準的相關內容。

第三步(STEP3)，接觸電壓和跨步電壓允許值計算。

目前在國內變電站接地設計中，也大都采用礫石作為除道路、操作平臺外的其他設備區域的表層處理材料，以增大表層電阻率。雖然國內在新出版的GB中，采用了IEEE標準中的表層土壤衰減系數Cs，但是在允許值計算公式中，參數選用量級仍有差異，具體對比如表1所示。

表1　接觸電壓及跨步電壓允許值計算對比

從對比表中可以看出，DL標準不適合在國際工程中使用，它沒有考慮表層材料的影響因素。而新出版的GB雖然引入了表層衰減系數，但在計算接觸電壓和跨步電壓允許值時，根據中國特點，并結合DL標準提供的計算公式亦與IEEE標準有所區別。IEEE在計算人體耐受電流的允許值時，人體電阻選用1 000 Ω，而GB選用的人體電阻為1 500 Ω(其他參數條件相同)，因此產生公式差異。可以看出，GB計算出的值偏于保守。

第四步(STEP4)，接地網的初步設計。

包括地網平行導體的間距、接地極數量、地網導體總長度以及地網埋深等，并依據最大入地短路電流IG、地網面積A等參數，設計均壓網格的大小、垂直接地極之間的間距。在此方面，GB及DL標準與IEEE指導思想和設計思路基本一致。

但是，在計算最大入地短路電流方面，DL標準并沒有考慮短路電流中的直流分量對人體的危害和對接地導體產生的熱容量副作用的影響。雖然GB引入了IEEE標準中的故障電流衰減系數Df，但在使用Df系數表時仍需注意，GB中(表B.0.3)頻率為50 Hz，而在IEEE標準中的(Table 10—Typical values ofDf)頻率為60 Hz。由表中可以看出，在相同阻抗電阻比的條件下，GB值偏大，約有3%的差異。

另外，在IEEE標準中并沒有提供地網初步設計階段變電站接地電阻的估算方法，僅按照變電站的規模規定了1～5 Ω的范圍。因此，下列算式在國際工程設計中僅作為參考計算使用，不進入提交的計算書內容中。

R≤2 000/IG

IG=Df·Ig

式中，IG為經接地網入地的計及直流偏移分量的接地故障不對稱電流有效值；Ig為接地網入地電流有效值對稱分量；Df為全故障時間內的故障電流衰減系數。

第五步(STEP5)，接地電阻計算。

GB采用了DL“人工接地極工頻接地電阻的計算”公式，并與國際上通行的CDEGS(Current Distribution Electromagnetic Interference Grounding and Soil Structure Analysis)接地系統分析軟件計算結果進行了分析對比，仍沿用DL計算公式和相關系數。同時，引入DL/T5091—1999中雙層土壤的思路，提供了水平分層和垂直分層的雙層土壤接地極電阻的計算公式。而IEEE沒有提供雙層結構接地網接地電阻的計算公式，僅提供了均勻土壤的3種計算公式。IEEE除“不考慮埋深”的簡易公式與GB一致外，其他幾個計算公式均存在差異。GB增加考慮了水平接地體與垂直接地體互感的計算公式，該計算公式中的系數k1、k2采用了圖解法，其目的是簡化較為復雜的雙層電阻率結構的接地電阻計算。

為此，在國際工程中，經常采用將表層材料電阻率用于地電位升、跨步電壓和接觸電壓計算，而底層電阻率土壤用于變電站接地電阻計算。通過大量國際工程實踐證明，此種方法業主是認可的。

第六步(STEP6)，接地故障短路電流及分支系數的計算。

雖然IEEE與GB在計算接地網入地對稱短路電流時都采用了分流系數概念，但在計算分流系數方面有較大的差異。GB在標準中提供了較為復雜的分流系數計算公式，分為內、外部故障分流系數。計算考慮了不同材料接地線導體、單地線、雙地線和不同檔距等多方面因素對分流系數的影響，而IEEE為避免多種工況、多種結構條件下計算的復雜性，采用了圖解法(Annex C，Figure C.1～C.22)和查表法(Annex C，Table C.1)，將多種典型的變電站接線系統的間隔數和線路數量之比值，以及相關的如變電站地網接地阻抗、線路阻抗、站內中性點阻抗等與分流系數Sf相關的有規律性因素列成圖或表，在計算時，只需掌握關聯參數，即可在圖或表中查出對應的分流系數，大大減輕了計算工作量。圖和表兩種方法還可以相互校核，這樣也提高了計算的準確性。

第七步(STEP7)和第八步(STEP8)，故障情況下網孔電壓、接觸電壓和跨步電壓的校核。

在校核地網電位升方面，IEEE與GB基本一致，利用地網電位升計算公式Ut=IGRg，使其小于接觸電壓允許值Utouch即可。而DL和設計手冊在校核時采用的是入地短路電流I，沒有采用含有直流分量影響的短路電流IG，即引入衰減系數Df的概念。

在校核等間距網孔電壓和最大跨步電壓時，IEEE與GB一致，采用將全站不規則地網形狀且等間距導體布置地網分為4種典型的規則地網類型，由這4類典型地網形狀所組成，提供了幾何影響系數KM和KS。而DL標準和設計手冊雖然也采用了幾何影響因素，但其系數的算法與之不同，僅考慮了方形、矩形和與之相關的地網導體參數。

GB除在等間距地網布置方面按照IEEE方式校核網孔電壓和跨步電壓外，同DL標準，還提供了非等間距的最大跨步電壓和最大接觸電壓的計算公式(與DL系數算法不同)。IEEE標準則沒有提供非等間距的具體計算公式。

因此，在國際工程中，本步驟不能按照DL標準計算。應按照GB或IEEE標準計算(GB的衰減系數值與IEEE略有差異，詳見第四步分析)。關于非等間距，一般業主要求采用CDEGS軟件分析計算。

第八步至第十二步(STEP8～12)，這些步驟在思維方式、處理手段，如后期評價與實施建設接軌等方面均與國內標準和設計手冊相同，不再贅述。

3結論

(1) GB和DL與IEEE整體思路基本一致，包括對接地安全性的認知程度、理論依據、分析手段和評價方式等方面。

(2) 基于安全性計算分析的接地網設計程序基本一致；在國際工程中，可按IEEE標準進行設計計算，用GB進行校核，按照IEEE計算程序提供計算書。

(3) 在第一至八步的計算程序中，基本方程式基本一致，差異主要發生在各個公式中的相關系數計算和取值依據等方面，如熱穩定系數、雙層土壤影響系數、短路電流衰減系數、短路電流分流系數、幾何系數和校正系數等。

(4) 在國際工程中采用IEEE標準的同時，材料標準應隨之配套，可采用ASTM、BS等歐美的材料標準。

(5) 在國際大型工程中使用IEEE標準的同時，應采用CDEGS分析軟件，以便更加準確地提供計算結果。

[參考文獻]

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[3]李謙，肖磊石.過電壓保護與接地裝置運行維護[M].北京：中國電力出版社，2014.

作者簡介：李躍(1958—)，男，四川合江人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：國際工程設計。

收稿日期：2015-11-17