基于IEEE Std 80-2000的光伏電站接地網設計

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1 IEEE標準簡介

IEEE Std 80-2000標準是由美國電氣電子工程師學會發布的關于電站接地設計的技術導則，其主要研究電站接地的主要設計導則，包括接地材料選擇、接地導體截面選擇及跨步電勢、接觸電勢、土壤電阻率及接地電阻的計算等。IEEE標準已經在國際項目中得到了廣泛的使用和認可，其對于變電站接地安全性設計起著關鍵性的參考作用。

2 IEEE標準下接地網設計原則

IEEE的設計流程和我國的GB50065-2011在大方向上是基本一致的，但是在選擇導體截面、計算接地電阻以及跨步電勢、接觸電勢上略有不同。接地網的初步設計主要給定水平均壓帶和垂直接地極的間距、數量和埋深。在計算接地短路電流時，二者均給需要計算分流系數。根據入地電流，計算地電位的升高情況，并與所允許的接觸電勢進行對比，若地電位升高小于允許的接觸電勢，則滿足安全判據，可進行下一步設計；反之，則需進一步驗算接觸電勢和跨步電勢，直至滿足安全判據。

3 基于實例的詳細設計

（1）項目概況。某60MW光伏項目，共3回24kV電纜型集電線路。24kV側采用單母接線，工程范圍包含光伏電站內的全部設施，不包含升壓站和外線。通過計算得到，站內24kV母線發生單相接時，最大接地故障電流If=12.53kA，其中站內提供的短路電流為1.25kA，系統側提供的短路電流為11.28kA，土壤電阻率ρ=7000Ω·m。

（2）接地導體截面選擇。IEEE標準中所提供的的接地導體最小截面的公式如下：

式中：If為接地故障對稱電流，A；Asc為導體截面積，mm2；Tca為單位體積熱容J/(cm3·℃)；tc為故障持續時間，取0.6s；α0為電阻率熱系數（t=0℃）；αr為參考溫度Tr下電阻率熱系數；ρr為參考溫度Tr下導體電阻率μΩ·cm；Ko為1/α0或(1/αr-Tr)℃；Tm為導體允許最大溫度，℃；Ta為環境溫度，℃。

采用式（1）計算的假想條件是短路為絕熱過程。對于大多數金屬，只要發生故障的時間足夠短，對于大部分溫度條件來說，這些假設都基本成立。

將各種接地材料的相關參數帶入IEEE 標準里的導體截面選擇公式中，可以得到如下公式:

式中，Kf是材料在不同Tm值下的常數。常見的接地材料有銅、鍍銅鋼棒、銅絞線、鋁、鋁包鋼線、角鋼、圓鋼等，其中，銅的導電性能及抗腐蝕性都比較優越，但是銅的價格相對昂貴，出于經濟性及安全性考慮，本項目中水平接地體和垂直接地體分別選用銅絞線和銅棒。

IEEE標準中采用表格的形式給出了銅絞線和銅棒的特性參數(主要以Tr=20℃為基準）進行計算，詳見表1。

表1 Kf值

將上表中的值帶入公式（2）可得，銅絞線和銅棒的截面分別為51.07mm2、71.556mm2，考慮一定的裕度及接地材料的腐蝕等因素，選擇75mm2銅絞線及Φ16mm×2.5m的鍍銅鋼棒。

（3）接地電阻計算。IEEE標準給出了兩種計算接地電阻的方法，Schwarz’s方程和簡化的計算方法。含水平和垂直接地體的地網可通過 Schwarz’s方程組來計算接地體的接地電阻，總的接地電阻Rg：

式中：R1為水平接地體接地電阻，Ω；R2為垂直接地體接地電阻，Ω；Rm為水平和垂直接地體間互電阻，Ω。

本項目采用Schwarz’s 方程進行接地電阻的計算。

式（9）中各參數含義同式（6）、（7）、（8）。相關參數如下：

ρ=7000Ω·m；A=297000m2；Lc=7605m；h=0.8m；a=0.005m；Lr=2.5m；nR=310；b=0.008m。接地網長和寬分別為Lx=180m；Ly=165m。由IEEE標準Figure25可得k1=1.36，k2=5.671。將項目各數值分別帶入上式可得Rg≈7Ω。

（4）接觸電勢和跨步電勢最大允許值計算。IEEE標準給出了的計算跨步電勢和接觸電勢公式考慮了人的體重，50kg和70kg，50kg比70kg的計算值低，因此，本項目按照50kg計算。公式如下：

式中：Estep50、Etouch50分別為50kg人體所能承受的最大跨步電勢和最大接觸電勢，V；ts為接地短路電流持續時間，取1s；Cs為表層衰減系數；ρs為表層物質電阻率，Ω·m。

本項目未設置保護性地表層，按照IEEE中規定，hs=0、ρs=ρ、Cs=1。可得：Estep50=1722V、Etouch50=6477V。

（5）地點位升高（GPR）計算。

式中：GPR為地電位升高，V；IG為入地的不對稱故障電流，A；Ig為入地對稱故障電流，A；Df為考慮故障電流直流分量的衰減系數；Sf為故障電流分流系數。

在本項目中，系統側提供的短路電流與光伏區提供的短路電流占比約為1:9，根據IEEE附錄C所提供的分流系數圖表，可將系統側提供的短路電流與光伏區提供的短路電流占比近似的認為只有系統側提供短路電流，則有圖標Sf=0.02，帶入以上公式可得，GPR=1754V

（6）接地網接觸電勢和跨步電勢實際值計算

式中：Em為接觸電勢，V；ρ位土壤電阻率（Ω·m），Km為網孔電壓幾何校正系數；Ki為接地網不規則修正系數；LM為所有直埋接地體的總長度，m；D為水平接地體平均間距，m；Es為跨步電勢，V；Ls為埋入地中的接地系統導體有效長度，m；Ks為幾何校正系數。本項目中LM=8270m，D=8m，ρ=7000（Ω·m），IG=12.53A,Ki=1，Km,81，Ls=6280將計算出來的數值與接觸電勢和跨步電勢的限值進行比較，若Em=860

4 結語

本文通過IEEE提供相關計算方法可知，該60MW項目的接地導體選型滿足IEEE規范的要求。同時，可知IEEE標準與GB標準在進行接地設計時，基本原則保持一致，只是在導體截面選型設計上，雖然彼此的計算有差異，但是對于導體截面選擇時，IEEE標準和GB標準所選截面會因為材料的不同而略顯不同。在計算跨步電勢及接觸電勢時，IEEE標準考慮了人的體重，分為70kg和50kg，而GB沒有對此進行嚴格的要求。