基于IEEE Std 80與GB/T 50065的變電站接地差異分析

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

在國家“十三五”規劃轉變經濟發展模式的政策背景以及“一帶一路”的推動下,國內工程公司都在積極拓展國外市場。尤其是近年來國家電網公司構建全球能源互聯網已經從戰略構想階段進入落地實施階段，必將進一步擴大國內電力設計院海外電力設計市場。變電站接地網是保證變電站電氣設備安全可靠運行、工作人員人身安全的重要設施。然而國外接地網設計采用標準與國內標準存在差異，弄清楚國內外接地標準差異的內部原因將極大地提高設計院工作效率，拓寬工作思路，進而提高本行業在電力建設技術領域的國際競爭力。

文獻[1]在接地導體截面的選擇、接地電阻值計算、接觸電勢與跨步電壓計算等3個方面進行了差異比較，但沒有指明國內外標準在接地設計判據上的側重點，沒有從更深層次的原理上分析兩標準存在差異的原因。文獻[2]依據牽引變電站接地網設計，詳細分析了國內外接地標準在接地電阻值計算、接觸電勢跨步電壓限值兩方面的差異，但其忽略了接地導體在接地標準中的差異，顯然接地導體的選擇是接地網設計的基礎，該項選擇將影響變電站建設的工程量甚至后期變電站的安全可靠運行。

下面從接地導體截面的選擇、接地判據的側重點、電流分流系數等方面進行了深層次的分析，給出了IEEE Std 80[3]和GB/T 50065[4]兩標準存在的差異以及存在這些差異的內部原因，為設計工程師在比較國內外接地標準差異時提供了便利。

1 接地裝置導體的選擇方法比較

每一接地系統的元件，包括地網導體、連接、連接導線和所有的主電極，IEEE Std 80和GB/T 50065都規定了其設計應該符合裝置的預期壽命要求，即在選擇接地裝置導體的材質和截面時，應滿足熱穩定校驗要求，同時需考慮設計使用年限內土壤對其的腐蝕影響。

可以發現兩本規范在導體選擇的基本原則上是一致的，但是在熱穩定校驗的方式上存在差異。兩本規范的熱穩定校驗都是在式(1)上化簡而來的。

(1)

式中：Amm2為導體截面積；Tm為導體最大許可溫度；Tα為環境溫度；Tr為材料常數的參考溫度；αr為參考溫度Tr時電阻率的溫度系數；ρr為參考溫度Tr時接地導體的電阻率；Ko為1/αo或(1/αr)-Tr；tc為電流的持續時間；TCAP為每單位體積的熱容量。

1.1 IEEE Std 80 熱穩定校驗方法

IEEE Std 80中規定，接地導體(線)的最小截面可按式(2)的簡化公式計算：

(2)

根據式(1)、式(2)可知：

(3)

1.2 GB/T 50065 熱穩定校驗方法

GB/T 50065中規定，接地導體(線)的最小截面應符合式(4)的要求：

(4)

根據式(1)、式(4)可知：

(5)

1.3 兩種熱穩定校驗方法的異同

考慮到tc是短路電流的持續時間，其主要與電力系統的二次保護時間有關，不是接地規范考慮的重點，因此比較兩本規范的熱穩定校驗公式可以發現，其主要區別是短路入地電流Ig和接地材料的熱穩定系數Kf(1/C)，這里主要討論接地材料的熱穩定系數差異，短路入地電流Ig的計算差異將在第3節中討論。

通過1.1節和1.2節對接地材料熱穩定系數Kf(1/C)的比較，可以發現兩者在公式計算上并無差異，然而歸納總結兩本規范中已給出的相關接地材料熱穩定系數，如表1所示(為方便比較，表中已進行了單位換算，與標準中的系數不一致)，可以發現IEEE Std 80中的接地材料熱穩定系數比GB/T 50065中的要小，這是由于兩標準在最大許可溫度Tm上的選取有差異。

GB/T 50065中考慮了接地導體連接處放熱焊的最大允許溫度，例如銅和銅覆鋼可根據土壤腐蝕的程度分別取900 ℃、800 ℃和700 ℃；鋼和鋁材的最大允許溫度可分別取400 ℃和300 ℃。而在IEEE Std 80中Kf的計算值是按照材料本身所能允許的最大溫度來考慮的，因此計算所得的接地材料熱穩定系數IEEE Std 80的標準會比GB/T 50065的要小，自然計算所得的導體最小截面積IEEE Std 80的標準會比GB/T 50065的要小。但這并不意味著IEEE Std 80 標準不保守甚至不準確，需要注意的是，IEEE Std 80中還規定了在地網中，地上和地下的所有連接都應被評估，以便達到所用導體的全面要求，即電導率、耐腐蝕性、通流量和機械強度。這些連接點應足夠大以便保持其溫升低于導體的溫升，并能抵御熱效應的影響。顯然，IEEE Std 80是定性地說明了需要考慮接地材料連接點的電導率、耐腐蝕性、通流量和機械強度；而GB/T 50065 則是根據經驗公式定量地給出了接地材料連接點的電導率、耐腐蝕性、通流量和機械強度。

2 接地設計判據的側重點比較

2.1 國內外接地標準判據側重點

中國變電站的接地設計必須符合GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中有關接地的要求。其規定，接地電阻、接觸電位差和跨步電位差在四季中均應符合相關要求[4]。

而國外接地設計則多要求符合IEEE Std 80- 2013的規定。其規定側重點在于接觸電位差和跨步電位差在四季中均應符合相關要求。

中國對接地設計，要求通過計算獲得的接地電阻值和地電位升高要在給定的限值以內，要求的地電位升限值為2 kV或者5 kV，相應的接地網的接地電阻宜符合式(6)要求：

R≤2000/IG

(6)

由于中國電網的發展，系統短路容量迅速擴大，式(6)已很難滿足要求，在采取相關措施后，地電位升限值可提高為5 kV。

IEEE Std 80標準中雖然給出了接地電阻的計算方法，同時還規定了大型的系統變電站接地電阻可限制在1 Ω左右，但并沒有將接地電阻作為設計考核的依據，其考核判據是變電站所計算的最大接觸電勢和最大跨步電壓不超越其所規定的限值，該限值的計算是通過人體所能耐受的程度來計算的。

2.2 接地電阻的計算方法

GB/T 50065 中給出了均勻土壤中水平接地極為主邊緣閉合的復合接地網的接地電阻計算公式為

Rn=α1Re

(7)

式中：Rn為任意形狀邊緣閉合接地網的接地電阻；Re為等值(等面積、等水平接地極總長度)方形接地網電阻；α1為水平接地網的形狀系數(關于水平地網的面積S和接地網外緣邊線總長度L0的方程)。Re的計算原理是將接地網等效為一個圓盤接地極，進而計算圓盤的接地電阻，然后通過內插法將圓盤接地電阻值等效轉化為方形接地網的接地電阻。

IEEE Std 80 中是采用先獨立計算出水平接地網和垂直接地極的自電阻系數R1和R2，然后計算水平接地體和垂直接地體的互電阻系數R12，最后通過式(8)計算系統總電阻Rg。

(8)

仔細研究兩標準公式的計算原理，可以發現，GB/T 50065中計算方法的簡化原理有所不同，GB/T 50065認為發電站、變電站的占地面積一般都比較大，垂直接地體對降低接地電阻所起的作用很小(不過2%～8%)。這是因為變電站的水平接地體可以等效為一個直徑為b的圓盤，對于垂直接地體來說，即使密密麻麻地打了很多垂直接地體，也可以將其等效為一個厚度為a(垂直接地體長度)的圓盤，然而對于實際變電站來說，a<

因此GB/T 50065在計算復合地網的接地電阻時，忽略了垂直接地體對接地電阻的影響。顯然，IEEE Std 80中并沒有忽略垂直接地體的影響，其計算也更為復雜。

2.3 接觸電勢和跨步電壓的限值計算方法

IEEE Std 80將人體分為50 kg和70 kg兩種類型考慮，規定了跨步電壓和接觸電勢的最大限值。

對于50 kg的人：

(9)

(10)

對于70 kg的人：

(11)

(12)

式中：Estep為跨步電壓；Etouch為接觸電勢；Cs為表層衰減系數；ρs為地表層的電阻率。

GB/T 50065中規定110 kV以上有效接地系統的接觸電勢和跨步電壓不應超過式(13)、式(14)計算所得的數值：

(13)

(14)

針對式(9)至式(14)，繪制以ρs為自變量、跨步電壓和基礎電勢為因變量的數據圖，如圖 1至圖 4所示。

通過比較兩規范要求，可以發現，其在規定接地系統的接觸電勢和跨步電壓的原理上是保持一致的，都是從人體能夠耐受的電流出發，建立人體觸電電路模型，進而求解跨步電壓和接觸電勢限值。但是比較兩本規范最后所得的計算公式可知，區別主要體現在：

1)IEEE Std 80將人體耐受電流分為兩種類型分別求解，而GB/T 50065中將人體都按50 kg來考慮，這是因為50 kg人體更符合中國人的體型，而且其對應的接觸電勢和跨步電壓限值更小，能夠針對不同體重的人群，其計算結果更為嚴格。

圖1 IEEE Std 80(50 kg人體)與GB/T 50065跨步電壓比較

圖2 IEEE Std 80(50 kg人體)與GB/T 50065接觸電勢比較

圖3 IEEE Std 80(70 kg人體)與GB/T 50065跨步電壓比較

圖4 IEEE Std 80(70 kg人體)與GB/T 50065接觸電勢比較

2)IEEE Std 80將人體電阻按1000 Ω考慮，而GB/T 50065中將人體電阻按1500 Ω考慮，自然IEEE Std 80 在接觸電勢和跨步電壓的限值選擇上更為嚴格。

3)IEEE Std 80按人體50 kg耐受電流考慮時，其計算所得的跨步電壓限值和接觸電勢限值均比GB/T 50065規范的計算值要小，這是由于IEEE Std 80選取的人體電阻值更小。

4)IEEE Std 80按人體70 kg耐受電流考慮時，其計算所得的跨步電壓限值和接觸電勢限值與GB/T 50065的計算值大小和土壤電阻率有關。當土壤電阻率ρs≤69.1 Ω·m時，基于IEEE Std 80計算的跨步電壓限值更為保守；反之基于GB/T 50065計算的跨步電壓限值更為保守。當土壤電阻率ρs≤276.4 Ω·m時，基于IEEE Std 80計算的接觸電勢限值更為保守；反之基于GB/T 50065計算的接觸限值更為保守。

3 短路電流分流系數計算方法比較

如果輸電線路的架空地線或中性導線連接到變電站的接地體上，那么當系統發送故障時，一部分短路電流可以由與地網連接的架空地線構成回路流通，因此經地網入地的電流并不等于接地點的全部短路電流。

IEEE Std 80中并沒有明確規定短路電流分流系數的計算方法，其認為分流系數的影響主要來自于架空地線和中性導線以及直埋管道和電纜的影響。其簡要地介紹了多種對于防雷線、相導線等建模技術，并認為確定分流系數方法的選擇將取決于系統連接到變電站的復雜性以及理想的準確度，因此IEEE Std 80對于分流系數計算方法的選擇沒有準確規定，須由設計工程師根據實際工程需要，在眾多方法中選擇合適的計算方法。

GB/T 50065中給出了具體的計算公式，其將線路按架空線路接地的檔距分段，采用具有集中參數的π型電路，然后采用傳輸線理論，以各節點電壓為變量建立節點電壓方程求解。

4 算例分析

以某海外項目中設計的換流站為例，該換流站實測土壤電阻率為10.3 Ω·m，換流站表層不采取降阻措施。流經接地裝置的最大入地短路電流取63 kA，故障隔離時間取0.35 s。依據標準中的熱穩定校驗要求，計算換流站接地導體的最小截面。

按照GB/T 50065，未考慮腐蝕時，接地線的最小截面為

按照IEEE Std 80-2013中11.3.1.3節公式進行計算,接地線的最小截面為

=260.9 kcmil=153.03 mm2

地網面積為137 000 m2，埋設深度為0.8 m，水平接地體為150 mm2的銅絞線，垂直接地體為φ17.2 mm、長3 m的鍍銅鋼棒，經統計，接地導體的總長度為49.14 km，接地網外邊緣長度為2.52 km。按照GB/T 50065標準和IEEE Std 80標準分別計算該換流站的接地電阻、跨步電壓限值、接觸電勢限值等，計算結果如表 2。

表2 接地計算結果表

由表 2可見，采用兩種標準計算得出的接地電阻相差不大，這側面說明了垂直接地體對大型變電站接地電阻的影響不大。

采用CDEGS計算軟件算得該換流站接觸電勢和跨步電壓結果如圖 5、圖 6所示。

圖5 變電站接觸電勢分布

圖6 變電站跨步電壓分布

結果表明，全站跨步電壓最大值為96 V，接觸電勢最大值為228 V，顯然計算所得的跨步電壓均滿足IEEE Std 80和GB/T 50065的要求，然而接觸電勢僅滿足了GB/T 50065的要求，并未滿足IEEE Std 80的要求。由此可以看出：IEEE Std 80 比GB/T 50065在接地電阻上的要求要寬松；IEEE Std 80 比GB/T 50065在接觸電勢和跨步電壓的要求上要更嚴格。但是IEEE Std 80的判據側重點在接觸電勢和跨步電壓上，因此采用中國標準設計的接地網未必能夠滿足國際IEEE標準要求。

5 結 語

IEEE Std 80 和GB/T 50065在接地導體的選擇原理上是一致的，但是在計算導體截面積的方法上存在化簡原則的差異，其差異主要體現在導體最大允許溫升的選擇上。

IEEE Std 80 和GB/T 50065在接地判據的側重點上有所不同，IEEE Std 80的判據原則側重接觸電勢和跨步電壓不超過允許值，而GB/T 50065結合接地電阻、接觸電勢和跨步電壓來綜合判斷。

GB/T 50065在計算復合地網的接地電阻時，忽略了垂直接地體對接地電阻的影響，而IEEE Std 80中并沒有忽略垂直接地體的影響，其計算也更為復雜。

IEEE Std 80 在計算接觸電勢和跨步電壓限值時將人體分為兩種類型來考慮，同時在人體等效電阻的選擇上，IEEE Std 80比GB/T 50065更小。