楊懷棟

(廣州供電局有限公司系統(tǒng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510610)

1 接地系統(tǒng)設計目的

目前，國內發(fā)電廠和變電站接地系統(tǒng)采用《GB 50065－2011：交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》(以下簡稱“國內標準”)作為設計標準；國外變電站接地系統(tǒng)則采用《IEEE Std 80－2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》(以下簡稱“國際標準”)作為設計標準。

根據國內標準，發(fā)電廠和變電站接地系統(tǒng)設計的基本目的：①正常的工作接地；②保護設備免受絕緣損壞；③保護人身安全。

根據國際標準，變電站接地系統(tǒng)設計的基本目的：①在正常和故障兩種工況下，在不超過任何操作限值和設備限值，同時不對變電站的運行產生有害影響的前提下，為電流提供入地通道；②在各種工況下，保護位于接地裝置附近的人免受電擊危險。國際標準對于變電站接地系統(tǒng)設計目的的描述同樣也適用于發(fā)電廠的接地系統(tǒng)設計。

由此可知，雖然以上兩個設計標準對于接地系統(tǒng)設計目的的描述有所不同，但是其本質并沒有什么差別?？蓺w納為如下兩點：①功能性接地，即在正常情況下為電力系統(tǒng)的正常運行電流提供入地通道；②安全性接地，即在故障情況下為電力系統(tǒng)的故障電流提供入地通道，限制地電位升、接觸電位差和跨步電位差的升高，以保證人身和設備的安全。

2 現有設計標準分析

2.1 現有設計標準的安全判據

現有的國內標準和國際標準均制訂了接地系統(tǒng)設計的安全判據：

(1)國內標準首先是側重接地電阻?！坝行Ы拥叵到y(tǒng)和低電阻接地系統(tǒng)，應符合下列要求：接地網的接地電阻宜符合下式的要求，且保護接地接至變電站接地網的站用變壓器的低壓應采用TN系統(tǒng)，低壓電氣裝置應采用(含建筑物鋼筋的)保護總等電位聯(lián)結系統(tǒng)R≤2000/IG，式中R為考慮季節(jié)變化的最大接地電阻(Ω)；IG為計算用經接地網入地的最大接地故障不對稱電流有效值(A)；”同時規(guī)定，當接地網的接地電阻不符合本式要求時，“可通過技術經濟比較適當增大接地電阻?！鼻以诓扇「綦x措施、校核低壓避雷器吸收能量的安全性等條件下，“接地網地電位升高可提高至5kV。必要時，經專門計算，且采取的措施可確保人身和設備安全可靠時，接地網地電位升還可以進一步提高?！背酥?，國內標準還以專門的章節(jié)要求接地系統(tǒng)需要滿足接觸電位差和跨步電位差的要求。

(2)國際標準對于接地系統(tǒng)的安全判據有兩條：一是，在變電站范圍內校驗接觸電位差和跨步電位差在安全的范圍內，本條同樣適用于發(fā)電廠的接地系統(tǒng)設計；二是，為了降低地電位升，接地系統(tǒng)對遠端大地應保持較低的接地電阻，對于多數變電站或占地面積較大的變電站來說，接地電阻可限制在1Ω左右，而對小型的配電變電站站可以接受1Ω～5Ω。

2.2 差異

國內標準是從接地電阻和地電位升兩個方面規(guī)定了接地網的安全判據，而國際標準則是從接地電阻、接觸電位差和跨步電位差三個方面規(guī)定了接地網的安全判據，兩者之間卻存在很大的差異：

(1)接地電阻和地電位升

國內標準對于接地電阻的規(guī)定較為嚴格，即R≤2000/IG。當不滿足上述要求時，可增大接地電阻。國際標準對于接地電阻的規(guī)定相對寬松，而且接地電阻只是建議性的給出了阻值范圍，并不作為設計考核的標淮。

國內標準將地電位升作為接地電阻的輔助考核標準，即接地電阻不滿足R≤2000/IG時，若增大接地電阻，則在采取確保人身和設備安全措施后，地電位升可進一步提高。而國際標準并未對地電位升的大小作具體數值規(guī)定。

(2)接觸電位差和跨步電位差

國內標準和國際標準對于接觸電位差和跨步電位差都有嚴格的規(guī)定，即在任何情況下，接地系統(tǒng)的設計均需要校驗接觸電位差和跨步電位差在安全的范圍內。但是，國內標準和國際標準中，人體允許的安全接觸電位差和跨步電位差的計算公式有所不同，此部分內容將在后續(xù)內容中詳細介紹。

2.3 差異的分析比較

設備的安全指標是地電位升，而人身的安全指標是接觸電位差和跨步電位差。對于國內標準和國際標準來說，原來的設計方法均是基于均勻土壤和簡單公式，因此接地電阻和地電位升之間存在簡單的對應關系。所以，對于接地電阻的限制就直接體現了對地電位升的控制。因此，上述兩個標準的安全判據是通過對接地電阻的控制來體現設備的安全指標，通過對接觸電位差和跨步電位差的控制來體現人身的安全指標。

由于保護設備和人身安全是接地系統(tǒng)設計的基本目的，因此國內標準和國外標準對于接地設計安全判據的制訂均存在一定缺陷，具體內容如下：

(1)國內標準安全判據的缺陷

國內標準規(guī)定接地電阻需要滿足R≤2000/IG的要求，同時規(guī)定當接地電阻不滿足上述要求時，且采取確保人身和設備安全措施后，地電位升可進一步提高。并校核接觸電位差和跨步電位差以保證人身安全，而對于是否可以保護設備安全則通過對地電位升大小的限制進行考核，并沒有給出保護設備安全的實質內容。這樣的接地設計是不完善的，理由如下：

對于設備保護：制訂接地電阻滿足R≤2000/IG要求的依據就是低壓設備的絕緣水平為2000V。低壓設備主要包括電氣二次專業(yè)的保護及測量裝置、通信專業(yè)裝置等。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，發(fā)電廠和變電站的入地電流不斷增大，因此接地電阻滿足R≤2000/IG的要求是很難實現的。此種情況下，國內標準規(guī)定地電位升最大為5kV，其立論依據是廠內或站內電氣二次設備承受的電位差不大于地電位升的40%，此系數有待進一步考證。同時，國內標準還規(guī)定，特殊情況下，地電位升還可進一步提高，此條規(guī)定僅為定性描述，可實施性較差。因此，上述判據對于廠內或站內低壓設備特別是電氣二次專業(yè)和通信專業(yè)的低壓設備保護的內容，需要進一步討論和明確。

(2)國際標準安全判據的缺陷

國際標準對于接地系統(tǒng)設計唯一考核的判據就是最大接觸電位差和跨步電位差不超過人體允許耐受的范圍，這充分保證了人身的安全要求，但并未規(guī)定保護設備安全的要求，這對于站內設備特別是電氣二次專業(yè)和通信專業(yè)的低壓設備不利，也需要進一步討論和明確。

2.4 結論

根據以上分析比較，對于接地系統(tǒng)設計的基本目的及其安全判據：

(1)接地系統(tǒng)的設計在任何情況下均應通過計算來驗證最大接觸電位差和跨步電位差不超過人體允許耐受的范圍，以保證人身安全。

(2)接地系統(tǒng)的設計在任何情況下均應保證廠內或站內低壓設備特別是電氣二次專業(yè)和通信專業(yè)等低壓設備的安全。

3 接觸電位差和跨步電位差允許值

國內標準提出，人體允許的接觸電位差：

跨步電位差：

式中：Cs為表層衰減系數，ρs為地表層的土壤電阻率，hs為表層土壤厚度，ρ為下層土壤電阻率，ts為接地故障電流持續(xù)時間。

國際標準從99.5%人群耐受的電功率SB=IB2×ts出發(fā)，以體重50kg的人耐受電流SB=0.116/和體重70kg的人耐電流IB=0.157/作為判據。推導出人體允許的接觸電位差和跨步電位差：

(1)50kg人體：

(2)70kg人體：

式中：Cs、ρs、hs、ρ與前述定義相同。

由上式可以看出，體重50kg的人體允許接觸電位差和跨步電位差要明顯小于體重70kg的人體耐受值。在具體應用中，應根據發(fā)電廠和變電站運行人員的具體情況進行判斷和選擇。對于國內發(fā)電廠和變電站，大部分運行人員體重并未達到70kg，故應以50kg為體重選擇標準來計算人體允許的接觸電位差和跨步電位差。

國內標準和國際標準關于接觸電位差和跨步電位差的計算公式中，最新國內標準引入的Cs系數與國際標準相同。兩者的差異為，國內標準中人體電阻取值為1500Ω，而國際標準中人體電阻取值為1000Ω。

對于人體重量，國內標準中人體重量取值為50kg，而國際標準中人體重量分為50kg和70kg兩種，適用于國內發(fā)電廠和變電站的人體重量應選擇為50kg。兩者相同。

根據上述比較，國際標準對接觸電位差和跨步電位差的要求更為科學和嚴格。但根據國內發(fā)電廠和變電站設計多年的驗證，國內標準和國際標準對于接觸電位差和跨步電位差的計算公式均可作為國內發(fā)電廠和變電站接地系統(tǒng)設計的人身安全判據。

4 低壓設備允許的地電位升

發(fā)電廠和變電站低壓設備的安全性直接與地電位升相關。目前，國內標準對于接地電阻規(guī)定的R≤2000/IG的要求，其由來是：由于低壓設備的絕緣耐壓低，特別是原來的金屬導線的電話線的絕緣耐壓一般都只有2000V。同時假設短路故障時，低壓電纜芯線上沒有感應電位，這樣作用在低壓電纜屏蔽層及低壓設備上的電壓就是地電位升。因此，從確保低壓設備的安全性出發(fā)，要求地電位升不大于2000V，即要求接地電阻R≤2000/IG。

但是，在進行發(fā)電廠和變電站設計時，如果接地系統(tǒng)的接地電阻不滿足R≤2000/IG的要求，則電氣二次以及通信等專業(yè)所有引至站外的電纜，以及電氣一次專業(yè)的低壓電纜均要求采取加裝隔離變壓器或其它隔離措施，防止地電位引向廠外或站外，實現了廠內或站內低壓電纜和設備與廠外或站外電纜和設備的電氣隔離。這種情況下，發(fā)電廠或變電站內所有低壓設備和電纜工作電壓的參考零電位都是廠內或站內接地系統(tǒng)的地電位。當故障情況下接地系統(tǒng)的電位升高時，低壓電纜和設備的工作電壓的參考零電位會隨之升高。因此，施加于廠內或站內低壓電纜和設備的接地部分與工作部分的電位不會是接地系統(tǒng)的相對絕對零電位的地電位升，其電位最多為電流注入點的電位與發(fā)電廠或變電站內最小電位升的差，即發(fā)電廠或變電站內任意兩點之間的最大電位差(以下稱“最大相對地電位差”)。

根據以上分析，為了實現保護廠內或站內設備的安全，只要將發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)的最大相對地電位差限制在2000V以內即可。

而在2011年發(fā)布并于2012年起實施的最新接地設計規(guī)范《GB 50065－2011：交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》中，第4.2.1第2)條規(guī)定，在采取隔離措施、校核低壓避雷器吸收能量的安全性等條件下，“接地網地電位升高可提高至5kV。”其立論的基礎在于，常規(guī)發(fā)電廠和變電站的接地系統(tǒng)，其網內最大地電位差一般不超過地電位升的40%，這種情況下，地電位升提高至5kV則可以滿足最大地電位差不大于2000V的要求。本條同時指出，“必要時，經專門計算，且采取的措施可確保人身和設備安全可靠時，接地網地電位升高還可進一步提高?！比松戆踩笣M足接觸電位差和跨步電位差的要求，而設備安全則是指滿足最大地電位差不大于2000V的要求。

因此，在實際的工程設計中，在發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)不滿足R≤2000/IG要求或者即使可以滿足但經濟性較差的情況下，建議通過判斷發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)的最大相對地電位差是否不大于2000V作為國內發(fā)電廠或變電站設計的低壓設備安全判據。

5 接地系統(tǒng)安全指標的關系

在國內標準中，接地系統(tǒng)的安全指標包括了接地電阻、接觸電位差和跨步電位差；而在國際標準中，接地系統(tǒng)的安全指標僅包括接觸電位差和跨步電位差。對于這些參數之間的相互關系分析如下：

5.1 地電位升、最大相對地電位差與接地電阻的關系

傳統(tǒng)的接地系統(tǒng)設計方法中，整個接地網被看作是等電位的。同時，地電位升的計算是基于均勻土壤和簡單公式，因此接地電阻和地電位升之間存在簡單的對應關系。所以，對于地電位升的控制就直接體現在對接地電阻的限制上。

地電位升不但與接地電阻有關，還與發(fā)電廠和變電站內土壤的電阻率變化以及土壤電阻率的大小分布等有關。若仍采用等電位接地網的概念，并視土壤為均勻的，計算采用簡單公式則會造成較大的計算誤差。近年來，隨著計算機技術的進步，采用數值分析的方法進行接地網參數計算已得到成功應用。這就為解決不等電位問題，計算接地網內各點的電位升和發(fā)電廠和變電站內接地區(qū)域的最大相對地電位差提供了可能?；谝陨蟽牲c，對于地電位升的控制，特別是本文中提到的對于最大相對地電位差的控制，已不能沿用原來的接地電阻的簡單判斷上，而需要通過先進的計算方法轉變?yōu)閷Φ仉娢簧妥畲笙鄬Φ仉娢徊畹闹苯优袛嗌蟻怼?/p>

5.2 接觸電位差、跨步電位差與地電位升的關系分析

根據實際的物理定義可知，人體可能承受的接觸電位差和跨步電位差主要是由發(fā)電廠或變電站接地區(qū)域內的各點之間存在電位差所導致的。因此，它和許多因素有關，如流經接地體的電流、接地網結構尺寸、土壤電阻率等。根據設計經驗，人體承受的接觸電位差和跨步電位差與地電位升之間有如下關系：①當水平接地網結構尺寸和土壤電阻率不變時，降低接地系統(tǒng)的地電位升可以降低人體承受的接觸電位差和跨步電位差；②當降低地電位升的措施代價較大時，可以通過改善水平接地網的布置來改善網內的電位分布的均勻性可以改善人體承受的接觸電位差和跨步電位差。

6 結論

(1)發(fā)電廠和變電站接地系統(tǒng)設計的安全判據應同時考慮人身安全和設備安全兩個方面的內容。

(2)最大接觸電位差和最大跨步電位差是保證人身安全的唯一判據。國內標準和國際標準對于最大接觸電位差和最大跨步電位差的計算公式均可作為國內發(fā)電廠和變電站設計的人身安全判據。國際標準相應的計算公式更偏保守。通過降低地電位升和改善水平接地網的布置可以降低人體承受的接觸電位差和跨步電位差。

(3)最大相對地電位差是保證設備安全的唯一判據。在發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)不滿足R≤2000/IG的要求時，建議通過判斷發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)的最大相對地電位差是否不大于2000V作為國內發(fā)電廠和變電站設計的低壓設備安全判據。降低地電位升和改善水平接地網的布置可以降低接地系統(tǒng)的最大相對地電位差。

(4)發(fā)電廠或變電站接地系統(tǒng)不滿足人身安全或設備安全的設計要求時，均可以通過降低接地電阻來降低地電位升改進設計。但是發(fā)電廠和變電站的接地設計不可盲目地降低接地電阻，以造成較大的人力和物力的浪費。當接地系統(tǒng)不滿足設計要求，且降低接地電阻代價較大時，可以通過改善水平接地網的布置使接地系統(tǒng)滿足設計要求。對于接觸電位差和跨步電位差來說，還可以通過敷設高阻層來使其滿足人身安全的要求。

[1]GB 50065－2011，交流電氣裝置的接地設計規(guī)范[S]．

[2]水利電力西北設計院．電力工程電氣設計手冊：電氣次部分[K]．北京：中國電力出版社，1989．

[3]IEEE Std 80－2000 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding[S]．

[4]DL／T621－1997，交流電氣裝置的接地[S]．