IEEE接地设计标准与我国接地设计标准的异同分析

胡庆来，李汉峰

(中南电力设计院，武汉市430071)

0 引言

目前，随着中国国际贸易往来的增多，国内各大工业集团与设计院参与承包和设计的涉外工程也与日俱增，而许多国外工程在标书或合同中都要求接地设计采用国际标准，其中要求最多的就是采用美国的IEEE标准。

国内设计院在电厂和变电站接地设计中长期习惯使用DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》标准(下称我国标准)，它与美国的IEEE接地设计标准在内容及算法上都存在差异，而且IEEE标准为全英文版，给国内设计人员在处理涉外工程的接地网设计上带来了不少困难。

因此，就电力系统接地设计中通常采用的电力行业标准DL/T621—1997与IEEE标准中最常用的、涉外工程业主最关注的几个方面进行论述和对比，希望能给火电厂、变电所工程的接地设计，尤其是涉外工程的接地设计提供参考和借鉴。

1 接地装置导体截面的选择方法比较

1.1 IEEE标准中接地装置导体截面选择和计算方法

IEEE Std 80—2000［1］(下称 IEEE 标准)中规定，接地系统的每一个元件，其设计选择都应满足装置的预期设计寿命，在最不利的故障和持续时间的共同作用下，应能避免熔化和机械损伤［2］。

IEEE标准中规定，按满足避免熔化条件选择的接地装置导体最小截面为

式中:I为流过接地装置导体的入地短路电流有效值，kA，应根据系统最大运行方式确定;Tm为最高允许温度;Ta为接地材料参考常态温度;TCAP，αr、K0、ρr为各种温度不同材质下的系数;tc为短路电流持续时间，s;当配有2套速动主保护时，取主保护动作时间、断路器失灵保护动作时间、断路器开断时间三者之和;配有1套速动主保护时，tc取断路器开断时间与第1级后备保护的动作时间之和，s。应注意，如涉外合同另有规定时，应遵守合同要求。

采用式(1)计算的基本假设条件是，发生短路过程中所有的热量都留在导体中，即为绝热过程。对于大多数金属，只要故障时间在几s内，在相当宽的温度范围，这些假设都是适用的［3］。

IEEE标准中采用表格的形式给出了一些接地材料特性参数(主要以Tr=20℃为基准进行计算，见表1)。

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应注意，当故障电流为非对称电流即短路电流中存在直流分量(非周期分量)情况下，需将非对称电流If折算成等效对称电流IF(IF=If×Df)，Df为衰减系数;然后再代入前面IEEE标准的公式进行计算。在考虑直流分量(非周期分量)情况下，选择的导体将会更大一些。

将各种接地材料的固有属性、材料常数代入IEEE标准的导体截面选择公式中，可以得到如下简化形式:

式中Kf是材料在不同Tm值(指熔化温度或根据条款IEEE 11.3.3的导体限制温度)下的常数。

1.2 我国标准中接地装置导体截面选择设计和计算方法

按照我国现行电力行业标准DL/T 621—1997［4］中附录C中的定义，根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地装置导体的最小截面应符合下式要求:

式中C为接地线材料的热稳定系数。

根据我国标准的规定，按热稳定条件，接地装置接地极(指接地网内的导体)的截面选择上不宜小于连接至该接地装置的接地线(也就是接地引下线)截面的75%。这是因为从设备到地网的引下导体要承受流入地网的全部故障电流，而地网通过分流使地网中的每段导体只承受部分故障电流。引下导体就应该比地网导体尺寸更大或从设备到地网连接采用多条引下导体，使之有足够的通流量来承受全部故障电流。对于传导雷电流的接地装置导体无须做更多的考虑，根据故障电流要求而选定的导体尺寸，通常也足以通过雷电引起的短时浪涌。

1.3 IEEE标准与我国标准中接地装置导体截面选择方法的异同

将IEEE标准中的接地装置导体最小截面计算公式进行简单变形即为

各接地材料的我国标准中热稳定系数C和IEEE标准等效热稳定系数CIEEE比较见表2。

在同样的短路电流和短路持续时间下，其选择的接地装置导体截面应与热稳定系数成反比，据此，IEEE标准与我国标准选定导体截面之比见表3。

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从表3可以看出，按IEEE计算，当考虑熔化温度时，退火铜材、铝材和普通钢材截面小于按我国标准(热稳定系数)选取的截面，即我国标准设计更保守一些。当计算温度采用硬扎铜材(退火温度为250℃)时，按IEEE标准选取的截面比我国标准选取的约大25%;采用镀锌钢棒时，比我国标准选取的大3%。即对于镀锌钢棒和硬扎铜材(采用退火温度为250℃)设计时，IEEE标准的裕度更大一些。

在接地装置的设计寿命内，导体的强度应能经受得住任何预期的机械作用或腐蚀引起的损伤。对于那些可能暴露在腐蚀环境中的接地装置导体，即使采用了上述正确的导体尺寸选择计算方法，也应有远见地选择更大尺寸的接地装置导体，以抵补在接地装置设计寿命周期内接地装置导体截面逐渐减小的情况［6］。

2 接地电阻值的计算方法比较

2.1 IEEE标准中复合接地网接地电阻值的计算方法

复合接地网简化计算法:

式中A为接地网的总面积，m2。

式(5)是将接地网按照等效圆盘计算［7］，考虑到地网与圆盘的误差，与接地网的长度有关，增加一个附加的修正部分，就得到如下简化公式:

式中LT为接地装置导体的总长度。

复合接地网的等值计算法:

接地电阻值为

式中:LC为接地网所有接地水平导体的总长度，m;a'为接地水平导体的计算埋深，m;LR为所有垂直接地极总长，m;Lr为每根垂直接地极的长度，m;b为垂直接地极的半径，m;nR为接地网面积区域A内的接地极数量;k1和k2是关联系数。

2.2 我国标准中复合接地网接地电阻值的计算方法

我国标准中也介绍了复合接地网接地电阻值的简化计算法和标准计算法。

(1)复合接地网简化计算法。

式中:S为接地网系统的总面积;L为水平接地体的总长。

(2)复合接地网等值计算法。

2.3 IEEE标准与我国标准中接地电阻计算方法的异同

(1)对于简化的复合接地网电阻计算法比较。比较IEEE标准中公式与我国标准中第1种简化公式:

从上述情况可以看出，两者型式上是基本一致的，但IEEE标准计算结果比我国标准偏小12%。

引入圆盘修正系数后，第2种简化公式:

对于第2种简化公式而言，两者在形式是一致的，但，IEEE标准定义的LT包含所有接地装置导体的总长度(包括水平和垂直接地体)，即使这样相加也只是保守近似的，因为在同等长度上垂直接地极将更为有效［8］;而在我国标准中定义的 L仅为水平接地装置导体的总长度。很显然，在此情况下IEEE标准计算接地电阻将比我国标准小，我国标准的简化计算更偏保守。

(2)对于复合接地网电阻的等值计算法比较。

IEEE标准中是采用先独立计算出水平接地网和垂直接地极的等效电阻R1和R2，然后计算出水平地网与垂直接地极之间的相互电阻Rm，最后代入计算公式求出接地网最终的接地电阻等效值Rg。

而我国标准中的计算方法原理有所不同，是先计算出转化为等值(即等面积、等水平接地极总长度)方形接地网的接地电阻Re，然后根据实际接地网外缘边线的总长度算出相对于方形接地网的变化系数α1;最终算出任意形状边缘闭合接地网的接地电阻等效值Rn。

3 变电站有效接地系统中接触电位差和跨步电位差要求值(限值)的计算方法比较

3.1 IEEE标准中有效接地系统接触电位差和跨步电位差限值的计算方法

考虑人体电阻为RB=1 000 Ω。

(1)对于50 kg的人，人体可承受的接触电位差及跨步电位差限值分别为

式中:Cs为在土壤的表层，为提高接触和跨步电位差的阀值而敷设了高阻材料，考虑其影响效果的衰减折扣系数［9］。但如果没有表面防护层，则 Cs=1，ρs=ρ。

(2)对于70 kg的人，人体可承受的接触电位差及跨步电位差限值分别为

3.2 我国标准中有效接地系统接触电位差和跨步电位差限值的计算方法

在我国标准中不区分人体体重，人体可承受的接触电位差及跨步电位差限值的公式统一如下。

接触电位差:

跨步电位差:

3.3 IEEE标准与我国标准中接触电位差和跨步电位差值计算方法的异同

IEEE标准中，跨步电位差与接触电位差公式分为体重50 kg和70 kg 2种情况考虑。从条件的苛刻性来说，如果体重取50 kg，要求值将会降低，从而条件更苛刻，这也更加符合亚洲人实际身体情况，建议设计时取人体体重为50 kg较为合适。

对于人体电阻参数而言，在IEEE标准中，选用RB=1 000 Ω，而我国标准中实际采用人体电阻为1 500 Ω。并考虑当未铺设表面绝缘层，即无表面层土壤时 Cs=1，ρ= ρs。

对于上述情况，将人体电阻1 500 Ω、Cs=1，ρ=ρs代入IEEE标准中的50 kg人体的接触电位差和跨步电位差公式，可以得出:

(1)接触电位差。

(2)跨步电位差。

所以，我国标准中的公式是一种结合我国国情，在特定情况下IEEE标准公式的特例，即按人均体重50 kg，人体电阻为1 500 Ω，且土壤上未铺设表面保护材料层情况下的计算值。

如果考虑土壤表面材料的衰减系数、人体电阻为1 500 Ω，IEEE标准中对于50 kg体重的计算公式即变为

该公式也是目前国标GB 50065—2001中的推荐公式［10］。

4 结语

通过本文的具体分析和逐一对比，可以看出2个标准在应用中主要异同点。

(1)在IEEE标准与我国标准中的接地体截面选择设计计算方面，IEEE标准更加准确和精细，它考虑了不同的使用环境、温度系数及其他固有属性的影响，对于同种材料不同材质也做了进一步的细分，即采用不同材质系数。而我国标准相对简单，没有区分各种具体材质及型号以及环境因素，只是通过规程直接查取相应的经验系数值，准确率相对低很多，但在计算上却较为方便。

(2)在IEEE标准与我国标准中的接地电阻计算方面，对于复合地网的计算方法在原理上两者有所不同;而在简化公式的计算方法上则是一致的;只是IEEE标准相对更多地考虑了如垂直接地极和接地网深度等一些必要因素。

(3)通过本文分析和公式推导，可以看出我国标准中的跨步电位差与接触电位差(限值)计算公式，实际上是在IEEE标准的跨步电位差与接触电位差(限值)公式基础上，结合我国人均身体条件，并在特定情况下的一种公式形式的衍变。

［1］IEEE Std 80—2000 IEEE guide for safety in AC substation grounding［S］.

［2］Natarajan R，Popoff J.Analysis of grounding systems for electric traction［J］.IEEE Traction on Power Delivery，2001，16(3).

［3］Practical Applications of ANSI/IEEE Standard 80，IEEE Guide for safety［M］.IEEE Tutorial Course，1986.

［4］DL/T 621—1997交流电气装置的接地［S］.北京:中国电力出版社，1998.

［5］姜俊峰.发电厂、变电所接地设计研究［D］.郑州:郑州大学，2004.

［6］International Electrotechnical Commission.Effects of current passing through the human body［M］.IEC，1984.

［7］Schwarz S J.Analytical expression for resistance of grounding systems［J］.IEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1954，173(13):1011-1016.

［8］Joseph P，Kosiarski.The use of electrically conductive organic surface coatings shielding and grounding of plastic enclosures［J］.Polymer-Plastics Technology and Engineering，1979，33(2):183-195.

［9］王洪泽.对电力标准《接地》中接地网最大接触电位差公式的分析与拓展［J］.广西电力工程，2000(4):23-26.

［10］GB 50065—2011交流电气装置的接地设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2012.