海外工程火力發電廠接地網設計

鄧志剛

（浙江省電力建設有限公司，浙江 寧波 315012）

海外工程火力發電廠接地網設計

鄧志剛

（浙江省電力建設有限公司，浙江 寧波 315012）

在海外工程接地設計中主要參考國際標準IEEE Standard 80-2013，通過介紹越南沿海發電廠接地材料的選擇、接地故障接地網入地不對稱電流的計算、接地材料截面大小的確定、接地電阻的計算以及接觸電壓跨步電壓的計算和校驗，體現了海外工程接地網設計的特點。論述了在海外工程中EPC合同的重要性，結合工程實踐經驗，總結接地網設計和設計圖紙審批過程中遇到的困難和解決方案，為海外工程接地網設計提供借鑒，降低海外工程項目的技術風險。

接地材料；接地導體截面；接觸電壓；跨步電壓；接地電阻；圖紙審批

0 引言

隨著國家“一帶一路”重大戰略的制定，以及國內火電年利用小時數下降、裝機容量趨于飽和、新建火電項目審批困難，國內各大工程公司和設計院參與承包和設計的海外發電廠項目越來越多。然而，在海外工程中中國標準往往不被認可，EPC合同會明確要求使用歐美標準，接地網設計主要參考IEEE Std 80-2013《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和 IEEE Std 665-1995《IEEE Standard for Generating Station Grounding》，IEEE Std 80-2013詳細介紹了發電廠和變電站接地設計的原理和方法，IEEE Std 665-1995則專門補充說明發電廠接地設計的特點。

海外工程要求提交接地計算書，只有在接地計算書獲得批準后，業主和監理工程師才會審查接地設計圖紙，在項目實施過程中，接地計算書扮演著重要的角色，其既是接地材料選型、圖紙設計和現場驗收的依據，也決定著工程成本。

1 接地設計目的

接地系統設計主要有2個目的：一是為故障電流提供入地通道，確保設備安全和發電廠的連續運行；二是保證在接地裝置附近的人員免受電擊傷害[1]。第一條由接地導體短時熱穩定保證，第二條則需要在發電廠范圍內校驗接觸電勢和跨步電勢，確保其在允許的安全范圍內。

與中國標準不同的是，IEEE標準對接地電阻的要求比較寬松，而且不作為設計考核的依據，唯一考核的判據是接觸電勢和跨步電勢不超過人體允許的安全值[2]。

2 接地材料的選擇

（1）金屬性能。銅材與鋼材相比具有更好的導電性和抗腐蝕性。

（2）連接方式。銅材之間的連接采用放熱焊接，這種焊接方式利用活性較強的鋁將氧化亞銅還原，釋放出大量的熱量熔化金屬銅，使銅材之間真正達到分子結合；鋼材之間的連接采用電弧焊接，高溫電弧會破壞接地體接頭部位的鍍鋅層，導致后期接頭腐蝕加劇。

（3）接地材料選擇。選擇合適的接地材料能保證接地網在設計年限內的完整性，如果接地網在運行期間損壞，在已運行的發電廠重新開挖敷設接地網不僅操作困難也不經濟[3]，銅接地網在投運后檢驗維護工作量小，是IEEE標準推薦的接地材料，銅是國際工程中接地材料的首選。但需要注意的是：銅材會對與之相連的地下金屬構筑物產生電偶腐蝕[4]，在設計時應合理規劃路徑避免并行，并在銅材附近的金屬管道上刷絕緣涂層；同時，銅材比鋼材價格高很多，施工完成后應做好防盜措施，避免因此造成接地網的不完整。

3 接地故障接地網入地不對稱電流

在設計接地網時，應計及故障電流直流分量的影響；同時，接地故障電流經過分流后，剩余部分經接地網流入地中，因此要考慮分流系數，并假設分流系數在整個故障過程中是不變的[5]。在設計接地網時應按照接地網入地的最大接地故障不對稱電流有效值進行設計。

根據IEEE Std 80式84，可以計算出衰減系數Df：

式中：Ta為直流偏移分量的時間常數；tf為故障持續時間。

根據IEEE Std 80式69和式70可以計算出接地故障接地網入地不對稱電流有效值IG：

式中：Sf為分流系數；If為接地故障對稱電流有效值；Ig為接地故障接地網入地對稱電流有效值。

4 接地導體截面

接地導體分為設備引下線和接地網，由于設備引下線要承受流入主接地網的所有故障電流，而故障電流流入地網后會發生分流，這樣接地網導體只需要承受故障電流的一部分。所以，設備引下線截面應大于接地網導體的截面，或者從設備向接地網引出多條引下線。

在選擇銅材作為接地材料后，根據IEEE Std 80中的表1可以得到銅的材料物理常數。

表1中的銅的最大允許溫度來自ASTM標準，而IEEE Std 665結合火力發電廠實際情況，規定火力發電廠接地網銅的最高溫度不能超過500℃，因此最大允許溫度取值Tm=500℃[6]。

根據IEEE Std 80式45，可以計算出接地網導體的截面Amm2：

式中：Tm為導體最大允許溫度；Ta為環境溫度，取值40℃；Tr為材料物理常數的參考溫度，取值20℃；tc為短路電流持續時間；αr為溫度在參考溫度Tr時的電阻率溫度系數；α0為溫度為0℃時的電阻率溫度系數；ρr為溫度在參考溫度Tr時接地導體的電阻率；K0為或-Tr； TCAP 為材料單位體積熱容常數。

特別需要注意的是，這里計算接地導體截面所用的電流沒有考慮分流系數的接地故障不對稱電流IF，這是IEEE標準中被廣泛接受的經驗做法，以此來考慮系統未來擴容所造成的接地故障電流增大。如果既考慮系統未來的擴容，又忽略分流系數就會造成過度設計。

在接地裝置的設計壽命內，導體的強度應能經受住任何預期的機械作用或腐蝕引起的損傷[7]。越南沿海火力發電廠靠近海邊，接地導體暴露在腐蝕性土壤環境中，即使合理的導體尺寸和正確的連接方法已經滿足標準的要求，仍然需要選擇更大的導體尺寸，以補償土壤腐蝕環境中接地導體截面在接地裝置設計壽命內的逐漸減少[8]。

表1 銅的材料物理常數

5 跨步電壓和接觸電壓允許值

人體電阻為Rg=1 000Ω，結合亞洲人體重的實際情況，體重50 kg的人耐受電流考慮表層土壤衰減系數的情況下，人腳和土壤間的接觸電阻Rf=3Csρs。當人在地面行走時，人的兩只腳和土壤間的接觸電阻以及人體電阻是串聯的，因此根據IEEE Std 80式28和式29可以計算出跨步電壓的允許值Estep50為：

當人站立于地面用手去接觸接地的金屬導體時，人的兩只腳和土壤間的接觸電阻是并聯的，因此根據IEEE Std 80式31和式32可以計算出接觸電壓的允許值Etouch50為：

根據IEEE Std 80式27可以計算出表層衰減系數Cs為：

式中：hs為表層土壤厚度；ρ為土壤電阻率；ρs為表層土壤電阻率。

需要注意的是：電流流經人體的路徑通常是從手到腳或從一只腳到另一只腳，當電流路徑是從手到腳時，大部分電流會流經人體重要器官包括心臟，因而危險性更大。要在心臟區域產生同樣影響，從一只腳流向另一只腳所需的電流是從手到腳的25倍。

6 接地電阻

接地網包含水平接地網和垂直接地極[10]，同時接地網的邊緣是封閉的，根據IEEE Std 80式57即Sverak公式，綜合考慮土壤電阻率、接地網面積、接地導體有效長度和埋設深度，可以計算出接地電阻值Rg為：

式中：LT為接地導體總長度，包括水平接地網和垂直接地極；A為接地網面積；h為接地網埋設深度。

7 接觸電勢和跨步電勢校驗

7.1 地電位升

地電位升GPR=IGRg，如果地電位升GPR小于接觸電壓允許值Etouch50，那么計算可以結束，無需進一步分析，否則需要進一步校驗接觸電勢和跨步電勢實際值。

7.2 網孔電壓

網孔電壓是電站內可能出現的最嚴重的接觸電壓[11]，根據IEEE Std 80式85可以計算出網孔電壓Em為：

根據IEEE Std 80式86可以計算出網孔電壓幾何校正系數Km為：

根據IEEE Std 80式94可以計算出接地網不規則校正系數Ki為：

對于在邊角有垂直接地極的接地網，或是沿著接地網四周和其內部布置垂直接地極時，根據IEEE Std 80式96可以計算出接地網有效埋設長度LM為：

式中：D為接地網平行導體間距；d為接地網導體直徑；Kii為垂直接地極系數，對于使用垂直接地極較多的接地網取值1；LC為水平接地網導體的總長度；LR為所有垂直接地極的總長度；Lx為接地網x方向的最大長度；Ly為接地網y方向的最大長度；Lr為每個垂直接地極的長度。

根據IEEE Std 80式88可以計算出接地網埋深系數Kh為：

式中：h0接地網參考深度，取值1 m。

根據IEEE Std 80式89可以計算出矩形接地網一個方向的平行導體數n：

式中：對于矩形接地網nc=1，nd=1；LP為接地網的周長。

7.3 跨步電壓

根據IEEE Std 80式97，98和99可以計算出跨步電壓Es為：

式中：Ls為埋入地中的接地系統導體有效長度；Ks為幾何校正系數。

如果計算出來的接地網網孔電壓和跨步電壓均小于允許值，設計僅需完善設備接地通道，接地設計即可完成。否則需要增大接地網面積，縮小接地導體間距，增加接地極來降低最大接觸電位差和跨步電位差；或是在配電裝置有人操作和走動的地方鋪設碎石[12]，人為提高表層土壤電阻率，通過增大人腳和土壤間的接觸電阻來增加跨步電壓和接觸電壓允許值，從而保證人身安全[13]。

8 工程實踐

海外工程設計圖紙需要業主審批，在EPC合同中規定只有獲得業主批準的圖紙才能在施工中使用，如果擅自使用沒有提交業主審查或者審查沒有通過的圖紙，由此造成的后果由總承包方承擔，可能存在返工、延誤工期的風險，造成重大經濟損失；同時施工完成后業主將拒絕去現場驗收，直接導致后續的施工無法開展[14]。

（1）海外工程中普遍使用銅作為接地材料，由于越南項目對接地計算書的審查極其嚴格，同時EPC合同中規定導體需留有至少10%的裕量，接地材料截面往往會大于預期，接地材料的選擇和截面大小變化會帶來一定的經濟風險。

（2）海外工程圖紙審批難度大，一般情況下圖紙從初次提交到獲得業主批準需要3～5個來回，越南沿海項目從初次提交接地圖紙到圖紙最終獲批歷時8個月，而接地施工又是電氣專業最早開始的施工項目，圖紙審批時間長會帶來一定的工期風險。

（3）接地計算書中使用的每一個數據都必須要有充分的依據，計算跨步電壓和接觸電壓允許值使用的表層土壤電阻率數據取自IEEE Std 80中的Table 7，分流系數取值來自IEEE Std 80中的Figure C.17。中方設計人員必須深入理解EPC合同和IEEE標準中的技術要求，爭取每次與業主開會討論都形成由各方簽字確認的會議紀要，逐步減少雙方的分歧。

（4）首次土壤電阻率測試結果包含在地勘報告中，由于軟基處理前后土壤電阻率存在差異，計算書中使用的土壤電阻率數據來自軟基處理之后，因而更加準確。

（5）最大接地故障電流取EPC合同規定值和設計方提交計算值中的較大者，取值50 kA，為EPC合同中規定值。

9 結語

隨著國家“一帶一路”重大戰略的實施，越來越多的中國企業正在積極參與國際電站工程的建設，由于設計方法和理念存在差異，在工程實踐中采用中國標準進行接地設計很難得到認可[15]，而IEEE Std 80作為國際上通用的接地設計規范，設計成果容易被國際同行理解和采納。

在海外工程中EPC合同是極其重要的，它是業主工程師審圖的主要依據，只有深入理解EPC合同，才能在與業主溝通時仔細解答業主的每一個困惑，通過充分的溝通建立起彼此之間的信任，順利推動圖紙審批進程。

[1]IEEE Std 80-2013 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding[S].USA∶IEEE，2015.

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[3]王海鷗，林凌.變電站接地線在線監測系統的研究與開發[J].浙江電力，2015，34（6）∶24-27.

[4]DL/T 5394-2007電力工程地下金屬構筑物防腐技術導則[S].北京：中國電力出版社，2007.

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[6]IEEE Std 665-1995 IEEE Standard for Generating Station Grounding[S].USA∶IEEE，1996.

[7]胡慶來，李漢峰.IEEE接地設計標準與我國接地設計標準的異同分析[J].電力建設，2013，34（2）∶100-104.

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[9]周正一.海外高土壤電阻率地區火電廠接地方案研究[J].華電技術，2014，36（8）∶17-18.

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[11]林幼暉.變電站接地系統的設計步驟[J].電力建設，2001，22（1）∶32-34.

[12]DL/T 621-1997交流電氣裝置的接地[S].北京：中國電力出版社，1998.

[13]王海歐，白金泉，陳群鋒，等.基于無線傳輸技術的接地導通測試儀的研究與設計[J].浙江電力，2017，36（5）∶5-7.

[14]鄧志剛.越南電站EPC項目設計圖樣審批管理[J].項目管理技術，2016，14（6）∶114-117.

[15]董芳華.CDEGS軟件在巴基斯坦某電站接地設計中的應用[J].人民長江，2012，43（24）∶78-82.

2017-08-07

鄧志剛（1988），男，助理工程師，從事國際電站工程建設管理工作。

（本文編輯：徐 晗）

Design of Earth Mat in Overseas Thermal Power Plant Projects

DENGZhigang
（Zhejiang Electric Power Construction Company， Ningbo Zhejiang 315012， China）

IEEE Standard 80-2013 is largely referenced in earthing design in overseas projects.By introduction of earthing material selection，calculation of unsymmetrical current in the earthing mat with earthing fault， section determination of earthing material， grounding resistance calculation and the calculation and check of contract voltage and step voltage in Vietnam coastal power plants，design characteristics of earthing mat in overseas projects are reflected.The paper also expounds the importance of EPC contractor in overseas projects； besides， it summarizes difficulties and solutions during earthing mat design and drawing approval，providing reference for earthing mat design in overseas projects and reducing the technical risks.

earthing material； earthing conductor section； contact voltage； step voltage； grounding resistance；drawing approval

10.19585/j.zjdl.201710005

1007-1881（2017）10-0022-05

TM201.3

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