IEEE標準接地網設計及計算示例

郭繼堯

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

國外大部分項目技術合同對接地設計均要求滿足IEEE標準。IEEE的接地標準與國內項目采用的GB標準差異較大，本著為業主單位服務、提高電氣接地設計水平并滿足國際設計要求，本文先對IEEE標準的接地網設計做個概述，然后通過印尼某燃煤電站主接地網的設計對IEEE接地網設計思路進行分析。

1 IEEE接地標準概述

IEEE Std 665-1995(R2001)：IEEE Guide for Generating Station Grounding《IEEE發電站接地準則》[1]用于設計發電站接地系統，以及戶內外的建構筑物和設備的接地，還包括發電站和變電站接地系統間的相互連接。

IEEE Std 80-2013：IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding《IEEE交流變電站接地安全準則》[2]主要涉及室外交流變電站,包括傳統交流變電站、氣體絕緣變電站，也包括配電變電站、輸電變電站和電廠變電站等。

發電站設置接地用來保護人身安全，免受接觸電壓和跨步電壓的危害，同時保護財產不受損失。必須能確保人身安全以及短路故障時迅速自動隔離電源或者將形成的接觸電勢和跨步電勢限制到允許范圍內。

1.1 接地網設計

1.1.1 可用接地故障電流IG

系統故障時，故障電流可利用大地作為回流路徑而到達系統中性點。故障時入地電流導致接地電位升(grounding potential rise，GPR)。

式中等號右側各參數符號定義如下：

1)零序故障電流有效值If

接地網設計中使用很普遍的為最大單相接地電流，兩相接地故障電流也用得較多。產生最大接地網對地電流的故障電流的最大值將作為設計值If。

2)確定分流系數Sf

故障電流并非都使用大地作為回流路徑，為此引入了分流系數。

3)確定遞減系數Df

為了說明故障剛開始一段時間里直流電流補償后的非對稱故障電流波形，引入了遞減系數Df：

式中：tf為故障持續時間，s；Ta為等效系統次暫態的時間常數，s。Ta=X''/ωR''，頻率為60 Hz時，Ta=X''/120πR''。X''/R''為故障點處系統的X/R。

4)確定擴建修正系數Cp

擴建修正系數Cp是考慮到未來故障電流增加，初始設計時Cp建議取值1.25。

1.1.2 接地導體截面選擇

包括導體材料的選擇和截面的選擇，其中截面選擇有三項要求：根據接地故障電流選擇、根據接地故障保護選擇以及根據機械可靠性選擇。為保證接地網設計的合理和可靠，這三項要求都要考慮，具體設計中一般只對有代表性和特殊的情況來分析，并考慮材料腐蝕情況的影響。

1)根據接地故障電流選擇截面

任何接地故障電流都會對接地導體產生熱應力。這種應力與電流大小和故障持續時間有關。由于故障持續時間很短，導體來不及散熱，可承受電流還沒達到穩態。其限制因素為導體最大可承受溫度。

可根據IEEE Std 80—2013[2]中給出的推薦方法來計算。對于快速的近似計算(由此選擇的導體面積比要求值大)以及對于鋼結構，可以使用下式：

式中：A(kcmil)為接地導體截面積，kcmil；If為故障電流(假定為金屬故障)，kA；tc為故障電流持續時間，包括繼電保護動作時間和分閘時間，s；Kf為可查詢的常數(IEEE Std 80—2013[2]準則第47頁)。

2)根據接地故障保護選擇截面

只有當探測到一定大小的電流時，接地故障電流保護才動作。發生于保護安裝回路任何地方的接地故障，只有當回路阻抗足夠小時，電流才能達到動作值。本計算要求接地導體通過中性點接地，需要滿足以下條件：

式中：E為相對地電壓，V；Ip為使保護動作的電流值，A；Zs為故障回路阻抗和電源阻抗，Ω。

3)根據機械可靠性選擇截面

所有接地導體都要滿足一定的機械應力，特別是在交通區或人員易靠近區。這些區域中接地導體易被損壞，故應設置合理的機械保護。

1.1.3 最大允許接觸電勢和跨步電勢

為了安全設計，需要滿足最大允許接觸電勢和跨步電勢的要求。如果接地網設計的接觸電勢和跨步電勢低于最大允許值，則設計認為合適。最大允許接觸電勢和跨步電勢越小，設計出合理的接地網就越難。大多數情況下，允許接觸電勢將是限制因素。

最大允許接觸電勢和跨步電勢的式如下：

式中：1 000為人體電阻，Ω；1.5兩只腳平行時的電阻，Ω；6為兩只腳行走時的電阻，Ω；Cs(hs,K)為換算系數,具體取值按照下面條件確定；ρs為表層巖石的濕電阻率 ；ts為接地故障電流持續時間，s；0.116為人體重50 kg時的一個常數，人體重為70 kg時該常數為0.157。

1) 確定接地故障電流持續時間

電廠接地故障電流持續時間典型值范圍為0.15～0.5 s。大多數情況下，如果使用高速(2～3周期)斷路器，主切除時間將少于0.15 s。

2) 確定換算系數Cs

反射系數K首先由下式計算確定：

Cs值可通過IEEE Std 665—1995 5.2.7.2 圖3中K值近似曲線和地表巖石層或其它材料層的厚度的交叉點對應的y軸讀出。如果不使用地表材料層，則Cs取1.0。

1.2 接地網初期設計

由于設計準則給出了發電站主廠房外區域跨步電勢和接觸電勢的設計要求，本條文是關于該區域的接地網設計，而不是發電站本身地下的接地網?；趯ν獠繀^域和設備使用的評估，所選區域的接地網應符合跨步電勢和接觸電勢的要求。

1.2.1 選定區域的故障電流

為反應接地故障電流中通過相關區域接地網的電流大小，需對計算出的Ig值進行調整。

既然整個發電站接地網的GPR處處相等，故可利用相同GPR的原理來計算流入子接地網的有效故障電流。首先得計算整個電站接地網的GPR。

式中：Ig為最大入地電流，kA；Zgt為接地網對遠方大地的電阻，Ω。

為了確定故障電流遞減的比率，可以假定Zgt對遠方的大地僅是由接地網電阻組成的，而不是接地網電阻和其他輸電線路沿線接地通道的接地電阻的并聯值。

對遠方大地的接地網電阻可以按照下式計算：

式中：A為接地網面積，m2；L為埋地水平導體總長度，m；h為接地網深度，m；ρ為土壤電阻率，Ω·m。

隨著GPR值由整個發電站接地網決定，子接地網電阻也得到計算。根據子網的GPR等于整個電站的GPR，從而確定子網相當的電流。

1.2.2 接地網布置

為了使用簡化設計公式，接地網中的每個網孔都應該相同，使其中每處的跨步電勢和接觸電勢都有效。所以接地網應該由相同的方形或者矩形網孔組成。

完成相關外部區域初期設計的步驟如下：

1)對于所選設計區域，在邊界內確定最大矩形，該區域要求設置四根外部接地極。

2)放置接地極以構成方形網孔。因公式的限制，在特定方向上接地極的數目不宜超過25根。對于方形區域，每個方向上接地極的數目要相等。對于矩形區域，設置方形網孔使每個方向上接地極數目不同。

3)選擇接地網深度。初期設計標準值是0.5 m。

4)在接地網邊界上放置接地棒。一般在邊界每隔一個連接點設置一個接地棒。故障時由于接地棒能大量泄流，故有效控制了接地極中大電流密度(與相關的大跨步電勢和接觸電勢)。接地棒埋到土壤較深層，電阻率受季節影響變化不大，接地網電阻從而較穩定。

1.2.3 網孔電勢和跨步電勢的計算

網孔電勢說明了接地網網孔中可能的最大接觸電勢。初期設計的網孔電勢和跨步電勢：

式中：ρ為土壤電阻率，Ω·m；Km為網孔電勢幾何修正系數；Ks為跨步電勢幾何修正系數；Ki為考慮接地網極端情況下電流增加的修正系數；IG為接地區域段的最大入地電流，A；Lc為接地極的總長度，m；Lr為接地棒總長度，m；L為Lc+Lr，適用于少量或者無接地棒的接地網，也適用于接地棒布置在邊界的接地網。

1.2.4 系數Km、Ks和Ki的計算Km和Ki用于計算接觸電勢，Ks和Ki用于計算跨步電勢：

上述式對于深度在0.25～2.50 m的接地網有效。

式中：D為平行接地體的間距，m；d為接地體的直徑，m；h為接地網深度，m；n為平行接地極在一方向上的有效數量，計算網孔電勢的Km、Ki時，計算跨步電勢的Ks、Ki時，n取n1和n2的較大者；Kii為調整內部導體對角落網孔影響的修正系數，其計算方法見IEEE 80—2013[2]第94頁；Kh為接地網深度影響的修正系數，其計算方法見IEEE 80—2013[2]第94頁。

1.2.5 計算值和最大允許值的比較

如果接觸電勢和跨步電勢的計算值小于考察區域中網孔電勢和跨步電勢的最大允許值，則初期設計可接受，若開展施工設計，否則需要修正。

1.2.6 設計修正

如果接地網網孔電勢和跨步電勢計算值比最大接觸電勢和跨步電勢大，則初期設計需要修正。為了減小網孔電勢和跨步電勢，可嘗試以下修正措施：

1)在有問題的區域，通過在每個方向上增加平行接地極的數目來減小網孔大小。

2)增加地表材料層的厚度。對于碎石一般不超過15 cm。

2 IEEE接地標準計算示例

以下以印尼某海邊2×300 MW燃煤電站工程全廠主接地網的相關計算。計算依據是IEEE Std 80—2013《IEEE交流變電站安全接地準則》[2]。

假定條件：

1) 短路電流計算中未考慮接地電阻，結果要比考慮接地電阻后的更保守。

2) 計算中未考慮地下管道和電纜的影響，結果要比考慮其影響后的更保守。

2.1 原始數據

主要電氣設備的部分參數如下:

＃1和＃2 發電機(1G和2G)：300 MW ,Xd''=15.58%，X2=17.18%，P.F=0.85；

＃1和＃2 主變壓器 (1GT和2GT)：370 MVA，Ud=14%；

起動/備用變(1ST)：40/25-25 MVA，U'd1-2=16.5%；

系統(1S)：100 MVA ，X''=1.58%。

短路電流計算接線圖如圖1所示。

圖1 短路電流計算接線圖

2.2 接地故障電流的計算

根據上面原始數據，我們可通過相關計算得到如下零序電抗圖表(計算中未考慮起動/備用變1ST的零序勵磁電抗，結果要比考慮該因素后的更保守見表1所列。

表1 零序電抗值(Sj=100 MVA，Uj=Ucp)

式中：Ig流經變壓器中性點短路電流的有名值 ；If為故障電流分流系數。

2.3 接地導體的選擇

根據IEEE Std 80—2013[2]中的公式(47)：

式中：A(kcmil)為接地導體截面積，kcmil，1 000 kcmil=507 mm2；tc為故障電流持續時間，s；Kf為可查詢的常數 (見IEEE Std 80—2013[2]第47頁表2)，對于Tm可變值和Ta為40℃的材料，Kf=7.0 。所以：

考慮到腐蝕的存在，30 a后接地導體的厚度損失為：30×2×0.025=1.5 mm，式中腐蝕速率為 0.025 mm/a。

根據上述計算及合同要求，全廠主接地網的接地導體應選用截面積240 mm2的軟銅鉸線，其有效直徑為17.5 mm。30 a后有效直徑則變為17.5-1.5=16 mm＞13.45 mm(截面積141.96 mm2的軟銅鉸線的有效直徑 )。

2.4 全廠接地電阻的確定

根據IEEE Std 80-2013[2]公式(57)：

式中：Rg為全廠接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m，ρ=222 Ω·m；A 為接地網面積，m2，A= 169 000 m2；LT為全廠接地極的總長度，m，LT=13 600 m；h為接地網深度 m，h=1.0 m。

2.5 接地網最大入地電流IG和接地電位升GPR

接地網最大入地電流IG由 IEEE Std 80—2013[2]公式(69)確定：

式中：Df為整個故障持續時間的遞減系數，Df=1。根據準則中說明：“若故障持續時間為30個周期或更長時間，遞減系數可取值為1.0”(見IEEE Std 80-2013準則第86頁)

IG=DfIg=1×23.06=23.06kA

VGPR=IGRg=23.06×0.257=5.926 kV

(注：本示例電站不考慮遠期擴建，故擴建修正系數Cp取1。)

2.6 接地網最大跨步電勢和網孔電勢的計算2.6.1 計算條件

根據合同，Et≤240 V，Es≤390 V(如有合同要求，按合同；如合同中沒有該項，按IEEE Std 80—2013計算)

2.6.2 主廠房A列外和150 kV升壓站的接地網的最大跨步電勢和網孔電勢

根據該工程圖紙“全廠主接地網布置圖”，本區域接地網可近似為一含有80根垂直接地極主要分布于區域邊界上的L形網。

埋于地下接地導體的總長度為：LT=LC+LR=3 260+80×3=3 500 m，

區域面積為：A=15 160 m2，使用IEEE Std 80—2013[2]，可計算出n，Km和Ki。

n=nanbncnd=11.64×1.07×1.11×1=13.8，其中na=2LC/LP=11.64，nd=1 (接地網為L形)；

現在Km可以通過使用IEEE Std 80—2013[2]式(88)和式(86)來計算：

式中：D為接地網中水平接地極的間距；d為接地網中接地導體的直徑；h為接地網中接地極埋地的深度。

利用IEEE Std 80—2013[2]公式(94)：

式中：R'g為主廠房A列外和150 kV升壓站子接地網的接地電阻 。

考慮到大接地網中電流分流系數的影響

IG' =VGPR/Rg' =5 926/0.855 6=6 926 A

式中：IG' 為主廠房A列外和150 kV升壓站子接地網的最大入地電流；

主廠房A列外和150 kV升壓站區域為全廠接地網中的一個子網，參考IEEE Std665[1]準則附錄C“整個接地網中接地電位升(GPR)相等，為一常數”，所以IG'*Rg'=IG*Rg=GPR，IG'=IG*Rg/Rg'=GPR/Rg'，其中Rg/Rg'為內部子網的電流分流系數。最后，由IEEE Std 80—2013[2]公式(85)及公式(96)：

所以最大接觸電勢滿足合同的要求?？衫肐EEE Std 80—2013[2]公式(97)(98)(99)來分別計算Es，Ls，Ks。

這說明最大跨步電勢也滿足合同要求。

本例中的最大接觸電勢和最大跨步電勢均能滿足合同要求，但是有些工程中這未必都能滿足合同值，可以采取相應的修正措施來增大最大允許接觸電勢和最大允許跨步電勢。例如，可以增加水平接地極數量，減小網孔大小來降低接觸電勢和跨步電勢；還可在不滿足要求的區域中鋪設礫石或者瀝青的地面，用以提高地面電阻率，以降低人身承受的電壓，此時地面上的電位梯度并不改變。

3 結語

IEEE的設計方式與國內標準的不同之處在于：采用IEEE是先假設出接地網格間距進行計算，將計算結果與允許值進行比較，如果不滿足要求，則修改設計方案，直到滿足要求值為止。IEEE的計算標準更多的考慮了數學模型，因而計算過程較為復雜，考慮因素較多，而國內標準的計算方式則更多的使用了經驗數據，因此計算較為簡捷。