海外工程火力发电厂接地网设计

邓志刚

（浙江省电力建设有限公司，浙江 宁波 315012）

海外工程火力发电厂接地网设计

邓志刚

（浙江省电力建设有限公司，浙江 宁波 315012）

在海外工程接地设计中主要参考国际标准IEEE Standard 80-2013，通过介绍越南沿海发电厂接地材料的选择、接地故障接地网入地不对称电流的计算、接地材料截面大小的确定、接地电阻的计算以及接触电压跨步电压的计算和校验，体现了海外工程接地网设计的特点。论述了在海外工程中EPC合同的重要性，结合工程实践经验，总结接地网设计和设计图纸审批过程中遇到的困难和解决方案，为海外工程接地网设计提供借鉴，降低海外工程项目的技术风险。

接地材料；接地导体截面；接触电压；跨步电压；接地电阻；图纸审批

0 引言

随着国家“一带一路”重大战略的制定，以及国内火电年利用小时数下降、装机容量趋于饱和、新建火电项目审批困难，国内各大工程公司和设计院参与承包和设计的海外发电厂项目越来越多。然而，在海外工程中中国标准往往不被认可，EPC合同会明确要求使用欧美标准，接地网设计主要参考IEEE Std 80-2013《IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding》和 IEEE Std 665-1995《IEEE Standard for Generating Station Grounding》，IEEE Std 80-2013详细介绍了发电厂和变电站接地设计的原理和方法，IEEE Std 665-1995则专门补充说明发电厂接地设计的特点。

海外工程要求提交接地计算书，只有在接地计算书获得批准后，业主和监理工程师才会审查接地设计图纸，在项目实施过程中，接地计算书扮演着重要的角色，其既是接地材料选型、图纸设计和现场验收的依据，也决定着工程成本。

1 接地设计目的

接地系统设计主要有2个目的：一是为故障电流提供入地通道，确保设备安全和发电厂的连续运行；二是保证在接地装置附近的人员免受电击伤害[1]。第一条由接地导体短时热稳定保证，第二条则需要在发电厂范围内校验接触电势和跨步电势，确保其在允许的安全范围内。

与中国标准不同的是，IEEE标准对接地电阻的要求比较宽松，而且不作为设计考核的依据，唯一考核的判据是接触电势和跨步电势不超过人体允许的安全值[2]。

2 接地材料的选择

（1）金属性能。铜材与钢材相比具有更好的导电性和抗腐蚀性。

（2）连接方式。铜材之间的连接采用放热焊接，这种焊接方式利用活性较强的铝将氧化亚铜还原，释放出大量的热量熔化金属铜，使铜材之间真正达到分子结合；钢材之间的连接采用电弧焊接，高温电弧会破坏接地体接头部位的镀锌层，导致后期接头腐蚀加剧。

（3）接地材料选择。选择合适的接地材料能保证接地网在设计年限内的完整性，如果接地网在运行期间损坏，在已运行的发电厂重新开挖敷设接地网不仅操作困难也不经济[3]，铜接地网在投运后检验维护工作量小，是IEEE标准推荐的接地材料，铜是国际工程中接地材料的首选。但需要注意的是：铜材会对与之相连的地下金属构筑物产生电偶腐蚀[4]，在设计时应合理规划路径避免并行，并在铜材附近的金属管道上刷绝缘涂层；同时，铜材比钢材价格高很多，施工完成后应做好防盗措施，避免因此造成接地网的不完整。

3 接地故障接地网入地不对称电流

在设计接地网时，应计及故障电流直流分量的影响；同时，接地故障电流经过分流后，剩余部分经接地网流入地中，因此要考虑分流系数，并假设分流系数在整个故障过程中是不变的[5]。在设计接地网时应按照接地网入地的最大接地故障不对称电流有效值进行设计。

根据IEEE Std 80式84，可以计算出衰减系数Df：

式中：Ta为直流偏移分量的时间常数；tf为故障持续时间。

根据IEEE Std 80式69和式70可以计算出接地故障接地网入地不对称电流有效值IG：

式中：Sf为分流系数；If为接地故障对称电流有效值；Ig为接地故障接地网入地对称电流有效值。

4 接地导体截面

接地导体分为设备引下线和接地网，由于设备引下线要承受流入主接地网的所有故障电流，而故障电流流入地网后会发生分流，这样接地网导体只需要承受故障电流的一部分。所以，设备引下线截面应大于接地网导体的截面，或者从设备向接地网引出多条引下线。

在选择铜材作为接地材料后，根据IEEE Std 80中的表1可以得到铜的材料物理常数。

表1中的铜的最大允许温度来自ASTM标准，而IEEE Std 665结合火力发电厂实际情况，规定火力发电厂接地网铜的最高温度不能超过500℃，因此最大允许温度取值Tm=500℃[6]。

根据IEEE Std 80式45，可以计算出接地网导体的截面Amm2：

式中：Tm为导体最大允许温度；Ta为环境温度，取值40℃；Tr为材料物理常数的参考温度，取值20℃；tc为短路电流持续时间；αr为温度在参考温度Tr时的电阻率温度系数；α0为温度为0℃时的电阻率温度系数；ρr为温度在参考温度Tr时接地导体的电阻率；K0为或-Tr； TCAP 为材料单位体积热容常数。

特别需要注意的是，这里计算接地导体截面所用的电流没有考虑分流系数的接地故障不对称电流IF，这是IEEE标准中被广泛接受的经验做法，以此来考虑系统未来扩容所造成的接地故障电流增大。如果既考虑系统未来的扩容，又忽略分流系数就会造成过度设计。

在接地装置的设计寿命内，导体的强度应能经受住任何预期的机械作用或腐蚀引起的损伤[7]。越南沿海火力发电厂靠近海边，接地导体暴露在腐蚀性土壤环境中，即使合理的导体尺寸和正确的连接方法已经满足标准的要求，仍然需要选择更大的导体尺寸，以补偿土壤腐蚀环境中接地导体截面在接地装置设计寿命内的逐渐减少[8]。

表1 铜的材料物理常数

5 跨步电压和接触电压允许值

人体电阻为Rg=1 000Ω，结合亚洲人体重的实际情况，体重50 kg的人耐受电流考虑表层土壤衰减系数的情况下，人脚和土壤间的接触电阻Rf=3Csρs。当人在地面行走时，人的两只脚和土壤间的接触电阻以及人体电阻是串联的，因此根据IEEE Std 80式28和式29可以计算出跨步电压的允许值Estep50为：

当人站立于地面用手去接触接地的金属导体时，人的两只脚和土壤间的接触电阻是并联的，因此根据IEEE Std 80式31和式32可以计算出接触电压的允许值Etouch50为：

根据IEEE Std 80式27可以计算出表层衰减系数Cs为：

式中：hs为表层土壤厚度；ρ为土壤电阻率；ρs为表层土壤电阻率。

需要注意的是：电流流经人体的路径通常是从手到脚或从一只脚到另一只脚，当电流路径是从手到脚时，大部分电流会流经人体重要器官包括心脏，因而危险性更大。要在心脏区域产生同样影响，从一只脚流向另一只脚所需的电流是从手到脚的25倍。

6 接地电阻

接地网包含水平接地网和垂直接地极[10]，同时接地网的边缘是封闭的，根据IEEE Std 80式57即Sverak公式，综合考虑土壤电阻率、接地网面积、接地导体有效长度和埋设深度，可以计算出接地电阻值Rg为：

式中：LT为接地导体总长度，包括水平接地网和垂直接地极；A为接地网面积；h为接地网埋设深度。

7 接触电势和跨步电势校验

7.1 地电位升

地电位升GPR=IGRg，如果地电位升GPR小于接触电压允许值Etouch50，那么计算可以结束，无需进一步分析，否则需要进一步校验接触电势和跨步电势实际值。

7.2 网孔电压

网孔电压是电站内可能出现的最严重的接触电压[11]，根据IEEE Std 80式85可以计算出网孔电压Em为：

根据IEEE Std 80式86可以计算出网孔电压几何校正系数Km为：

根据IEEE Std 80式94可以计算出接地网不规则校正系数Ki为：

对于在边角有垂直接地极的接地网，或是沿着接地网四周和其内部布置垂直接地极时，根据IEEE Std 80式96可以计算出接地网有效埋设长度LM为：

式中：D为接地网平行导体间距；d为接地网导体直径；Kii为垂直接地极系数，对于使用垂直接地极较多的接地网取值1；LC为水平接地网导体的总长度；LR为所有垂直接地极的总长度；Lx为接地网x方向的最大长度；Ly为接地网y方向的最大长度；Lr为每个垂直接地极的长度。

根据IEEE Std 80式88可以计算出接地网埋深系数Kh为：

式中：h0接地网参考深度，取值1 m。

根据IEEE Std 80式89可以计算出矩形接地网一个方向的平行导体数n：

式中：对于矩形接地网nc=1，nd=1；LP为接地网的周长。

7.3 跨步电压

根据IEEE Std 80式97，98和99可以计算出跨步电压Es为：

式中：Ls为埋入地中的接地系统导体有效长度；Ks为几何校正系数。

如果计算出来的接地网网孔电压和跨步电压均小于允许值，设计仅需完善设备接地通道，接地设计即可完成。否则需要增大接地网面积，缩小接地导体间距，增加接地极来降低最大接触电位差和跨步电位差；或是在配电装置有人操作和走动的地方铺设碎石[12]，人为提高表层土壤电阻率，通过增大人脚和土壤间的接触电阻来增加跨步电压和接触电压允许值，从而保证人身安全[13]。

8 工程实践

海外工程设计图纸需要业主审批，在EPC合同中规定只有获得业主批准的图纸才能在施工中使用，如果擅自使用没有提交业主审查或者审查没有通过的图纸，由此造成的后果由总承包方承担，可能存在返工、延误工期的风险，造成重大经济损失；同时施工完成后业主将拒绝去现场验收，直接导致后续的施工无法开展[14]。

（1）海外工程中普遍使用铜作为接地材料，由于越南项目对接地计算书的审查极其严格，同时EPC合同中规定导体需留有至少10%的裕量，接地材料截面往往会大于预期，接地材料的选择和截面大小变化会带来一定的经济风险。

（2）海外工程图纸审批难度大，一般情况下图纸从初次提交到获得业主批准需要3～5个来回，越南沿海项目从初次提交接地图纸到图纸最终获批历时8个月，而接地施工又是电气专业最早开始的施工项目，图纸审批时间长会带来一定的工期风险。

（3）接地计算书中使用的每一个数据都必须要有充分的依据，计算跨步电压和接触电压允许值使用的表层土壤电阻率数据取自IEEE Std 80中的Table 7，分流系数取值来自IEEE Std 80中的Figure C.17。中方设计人员必须深入理解EPC合同和IEEE标准中的技术要求，争取每次与业主开会讨论都形成由各方签字确认的会议纪要，逐步减少双方的分歧。

（4）首次土壤电阻率测试结果包含在地勘报告中，由于软基处理前后土壤电阻率存在差异，计算书中使用的土壤电阻率数据来自软基处理之后，因而更加准确。

（5）最大接地故障电流取EPC合同规定值和设计方提交计算值中的较大者，取值50 kA，为EPC合同中规定值。

9 结语

随着国家“一带一路”重大战略的实施，越来越多的中国企业正在积极参与国际电站工程的建设，由于设计方法和理念存在差异，在工程实践中采用中国标准进行接地设计很难得到认可[15]，而IEEE Std 80作为国际上通用的接地设计规范，设计成果容易被国际同行理解和采纳。

在海外工程中EPC合同是极其重要的，它是业主工程师审图的主要依据，只有深入理解EPC合同，才能在与业主沟通时仔细解答业主的每一个困惑，通过充分的沟通建立起彼此之间的信任，顺利推动图纸审批进程。

[1]IEEE Std 80-2013 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding[S].USA∶IEEE，2015.

[2]周建，路平，王峰，等.采用IEEE标准设计发电厂升压站接地网的研究[J].华东电力，2010，38（8）∶1251-1254.

[3]王海鸥，林凌.变电站接地线在线监测系统的研究与开发[J].浙江电力，2015，34（6）∶24-27.

[4]DL/T 5394-2007电力工程地下金属构筑物防腐技术导则[S].北京：中国电力出版社，2007.

[5]刘纯，唐苇苇.基于IEEE Std.80-2000变电所接地网设计简析[J].水运工程，2013，（10）∶51-55.

[6]IEEE Std 665-1995 IEEE Standard for Generating Station Grounding[S].USA∶IEEE，1996.

[7]胡庆来，李汉峰.IEEE接地设计标准与我国接地设计标准的异同分析[J].电力建设，2013，34（2）∶100-104.

[8]GB/T 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.

[9]周正一.海外高土壤电阻率地区火电厂接地方案研究[J].华电技术，2014，36（8）∶17-18.

[10]曹俊平，刘浩军，董雪松，等.1 000 kV安吉变电站接地网接地特性参数的试验[J].浙江电力，2015，34（1）∶17-19.

[11]林幼晖.变电站接地系统的设计步骤[J].电力建设，2001，22（1）∶32-34.

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

[13]王海欧，白金泉，陈群锋，等.基于无线传输技术的接地导通测试仪的研究与设计[J].浙江电力，2017，36（5）∶5-7.

[14]邓志刚.越南电站EPC项目设计图样审批管理[J].项目管理技术，2016，14（6）∶114-117.

[15]董芳华.CDEGS软件在巴基斯坦某电站接地设计中的应用[J].人民长江，2012，43（24）∶78-82.

2017-08-07

邓志刚（1988），男，助理工程师，从事国际电站工程建设管理工作。

（本文编辑：徐 晗）

Design of Earth Mat in Overseas Thermal Power Plant Projects

DENGZhigang
（Zhejiang Electric Power Construction Company， Ningbo Zhejiang 315012， China）

IEEE Standard 80-2013 is largely referenced in earthing design in overseas projects.By introduction of earthing material selection，calculation of unsymmetrical current in the earthing mat with earthing fault， section determination of earthing material， grounding resistance calculation and the calculation and check of contract voltage and step voltage in Vietnam coastal power plants，design characteristics of earthing mat in overseas projects are reflected.The paper also expounds the importance of EPC contractor in overseas projects； besides， it summarizes difficulties and solutions during earthing mat design and drawing approval，providing reference for earthing mat design in overseas projects and reducing the technical risks.

earthing material； earthing conductor section； contact voltage； step voltage； grounding resistance；drawing approval

10.19585/j.zjdl.201710005

1007-1881（2017）10-0022-05

TM201.3

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