几种接地系统安全评估标准的分析

摘要：接地系统的安全评估是一个确定人体所承受的最大接触电势和跨步电势与给定的安全标准比较的测试。本文通过一个实际算例对几种接地系统的安全评估标准进行分析比较，以对实际接地系统的安全评估提供参考。

关键词：接地系统 安全评估标准

1 概述

接地网是变电站安全运行的重要保证。变电站接地网主要电气参数是接地电阻，接触电势和跨步电势。接地系统安全评估是一个确定人体所承受的最大接触电势和跨步电势与给定的安全标准比较的测试。目前国际应用较广泛的安全评估标准有IEEE-80-2000，IEC-471-1，EA-TS41

-24，BS7354等。本文通过一个实际算例对上述标准进行了分析比较，以对实际接地系统的安全评估提供参考。

2 电路模型

在讨论人体可承受的电压之前，应该简要说明一下人体可承受的电流。电流通过人体重要器官时的作用取决于电流作用的时间，强度及频率。电流通过人体时最大的危险是电流会引起心室的震颤和呼吸的停止。不引发心室震颤和呼吸停止的电流IB的大小，在0.03秒到3秒的时间范围内，取决于人体所吸收的能量，SB=IB2×ts（1）

这里，ts是电流通过的时间；人体的接触电压和跨步电压可用如下的等效电路表示，图中，Vth是未发生触电时H与F之间的电压；Zth是发生触电时电源的等效阻抗；RB是人体的电阻。

3 各标准中安全标准定义的比较

3.1 IEEE-80-2000标准 IEEE-80-2000标准中提出人体可以承受的电流IB，对于体重为70公斤的人，IB=■（2）

并给出了标准接触电压Et和实际接触电压Em的计算公式，Et=（1000+1.5Csρs）■ （3）

其中Cs是电阻率的减小系数，ρs是地表碎石层的电阻率。Em=■ （4）

其中km是接地网的几何因数，ki是对km的误差校正因数，Lm是埋设导体的有效长度，ρ是土壤的电阻率，IG是流入的故障电流。

该标准未考虑鞋的电阻，它通过比较实际接触电压是否小于标准接触电压来确定是否达到安全标准。

3.2 BS7354标准 BS7354标准给出的实际接触电压的计算公式：VT=■{ln（h/d）0.5+Cs}ki （5）

其中，Cs是电阻率的减小系数，R是网孔电阻，L是接地导体的总长度，h是接地网埋设深度，d是导体的直径，V是网孔的电位升，ki=（0.15n +0.7），n是平行导体的总数量。在这个标准中，VT定义为沿接地网对角线向外1m的电压与接地网到地表的电压之和。

在BS7354标准中没有给出标准接触电压的计算公式，而是给出了接触电压的等效电路，如图2所示。

通过公式，

VT=IT（RB+■） （6）

计算出通过人体的电流IT与IEC-471-1中给出的人体可承受的电流时间图进行比较。图中RLF，RRF分别是左右脚鞋的电阻，RC是接触电阻，RB是人体电阻。

3.3 EA-TS41-24标准 EA-TS41-24给出的实际接触电压的计算公式，Et（grid）=■（7）

类似于IEEE-80-2000中的公式，但其中的参数计算有所不同。其中Ke是考虑到网格上均匀分布电流作用的因数，Kd是Ke对于不均匀分布的电极电流的修正参数，L是所有导体的长度，包括垂直接地棒，Lp是接地网的周长。且EA-TS41-24要求接地网周围要设有围栏，距离为两米，围栏的接触电压公式为：Et（fence）=■（8）

其中Kf=0.26Ke。

EA-TS41-24也没有给出标准接触电压的公式，而是借助于IEC-471-1中给出的人体可承受的电流时间图来确定是否安全。

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图3 IEC电流通过人体影响曲线

图中，线a为触电者有感觉与反应的起始线0.5mA。在a线左方无感觉无反应，即“区域1”，为无反应区。从该线开始，右方为“区域2”为有感觉与反应区。线b称为安全曲线。线b到线c之间为“区域3”，为非致命的病理生理效应区，可能发生痉挛、呼吸困难、心脏机能紊乱。线c以右，即“区域4”，为可能致命的心室颤动严重烧伤危险区。IEC-471-1标准没有给出标准接触电压和实际接触电压的计算公式，只是给出了电流通过人体影响曲线，和人体电阻在不同情况下的曲线。

在各标准中通常认为跨步电压是小于接触电压的，一般认为接触电压符合安全值，则跨步电压也符合安全值。

4 算例分析

下面通过一个具体的实际工程算例来分析。某115kV变电站场地数据：变电站长度a=60m，宽度b=50m，接地网所占面积A=2867m2。铺设碎石层厚度hs=0.1m，电阻率ρs=5000Ω・m，场地土壤电阻率ρ=52.33Ω・m。

按照标书的初始设计：最大故障电流为10kA故障时间1s；接地网间距D=5m；接地导体条数nA=nB=12，总长度LC=1200m， 埋深h=0.8m，直径d=0.0125m，接地棒设于接地网边缘，总数n=34根，总长度Lr=81.6m，直径d2=0.02m，每根长L2=2.4m。

4.1 根据IEEE-80-2000标准 计算实际接触电压，Em=■。km是接地网的几何因数，值为0.6，ki是km的误差校正因数，值为2.72，LM为埋设导体的有效长度LM=LC+[1.55+1.22（■）]LR=1330m，可以得出

Em=■=642V，

Et=（1000+1.5Csρs）■=781V。

（Cs是电阻率的减小系数）

实际接触电压小于标准接触电压，所以认为是安全的。

4.2 根据BS7354标准 计算实际接触电压VT=■{ln（h/d）0.5+Cs}ki=848V。其中R是接地极电阻，据公式计算可得0.4784Ω；V是地电位升，值为4784V。

由VT=IT（RB+（■）），RB=1000，RF=4000，RC=15000，可得出IT=81mA。

对照IEC-471-1中给出的人体可承受的电流时间图发现不满足安全标准。

4.3 根据EA-TS41-24标准 围栏的接触电压：

Et（fence）=■=0.26・Et（grid）=215.6V

Et=IT（RB+Rf），得IT=43mA。与IEC-471-1中给出的人体可承受的电流时间图进行比较，满足安全标准。

5 结论

通过以上对同一实际工程算例的计算比较，发现BS7354标准比其它两个标准更加保守，在实际应用中，应根据当地的具体情况适当选择评估标准。另外IEEE-80-2000标准中提出人体可以承受的电流IB=■比国际电工委员会IEC-471-1标准中通过人体安全电流曲线所显示的值大。

参考文献：

[1]陈先禄，刘渝根，黄永.接地[M].重庆大学出版社，2002.

[2]陈家斌.接地技术与接地装置[M].中国电力出版社，2002.

[3]刘岩，丁代勇.两种接地系统安全评估标准的区别和联系的分析[J].电机工程技术，2007，36（1）：64-66.

[4]王鹤文.国外变电站工程中的接地网设计[J].有色金属设计， 1995（3）：42-49，21.

[5]ANSI/IEEE-80-2000，IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding[S].2000.