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摘要：本文简要对比了国内外接地设计规范的差异，并讨论了在用户站应用中的几个问题。同时以喀麦隆SANAGA引水项目中的90kV变电站设计为例，介绍了该项目的接地设计。
关键词：供水工程 接地设计 海外项目
工程概况
NKOMETOU 90kV变电站为喀麦隆雅温得SANAGA引水项目的配套供电工程之一，作为90kV终端变为NYOM泵站、NKOMETOU泵站、EMANA-BATCHENGA水厂、NACHTIGAL泵站提供电力电能。NKOMETOU 90kV变电站征地面积约1.95万m2，生产区约5000m2。变电站建设2台三相双绕组有载调压电力变压器。NKOMETOU变电站设90kV进线1回，引自雅温得市OYOMABANG 220kV变电站。30kV出线6回，2台站用变和一个备用间隔。
国内与海外工程常见接地网设计方法的差异
GB/T 50065《交流电气装置的接地设计规范》是国内变电站接地设计的主要依据，而在像本项目这样的海外工程中，普遍采用IEEE std 80《Guide for safety in AC substation grounding》。
设计理念
IEEE std 80提供的设计方法主要关心人身安全，以跨步电势与接触电势合格为主要设计准则。接地电阻只是用来计算地电位升高（GPR），GPR小于允许的跨步电势与接触电势时设计过程即终止，无需再进一步计算网孔电压和跨步电压。而GB/T 50065除对人身安全提出要求外，通过明确规定接地电阻限值来保障设备安全。对于本项目中的有效接地系统和低电阻接地系统要求如下：
RG≤2000/IG
其中分子2000即是允许的GPR值，该值的确定主要是基于以下两点考虑：
二次设备，如综合自动化设备，工频绝缘耐受电压为2kV/min。
站用变压器外壳连至站内地网，其0.4kV侧短时耐受电压仅为3kV，且该耐受电压应比GPR高出40%以防低压绕组反击。
同时GB/T 50065在条文说明中提到，若二次电缆屏蔽层双端接地，可以将地电位升高放宽到2kV/（40%） =5kV。
计算方法
国标与IEEE除表层衰减系数简易公式、均匀网孔和跨步电压计算公式等完全一致外，其余如接地电阻、分流系数、允许跨步电势与接触电势等的计算公式差异比较大。
GB/T 50065在A.0.3中提供的接地网计算公式不考虑垂直接地极，而IEEE std 80-201314.3中提供的公式需要分别计算水平接地体的接地、垂直接地体的接地以及两组接地体间的互阻。然后再算出总接地电阻。
分流系数也是影响接地网设计的重要因素，GB/T 50065在B.0.2中提供了非常详细的计算公式。但是由于线路及铁塔的相关阻抗获取困难，所以分流系数宜用专用计算分析程序获得。而IEEE2000在附录D提供了一系列的图表供查询，根据进线、馈线数量及接地电阻值可粗略地估算出分流系数。
允许跨步电势与接触电势的确定，GB/T 50065与IEEE std 80公式形式基本一致，但对人体电阻的取值不同，导致了差异。需要注意的是如果项目采用IEC或欧标，IEC 61936中规定的计算公式与前两者完全不同，可参考EN 50522中的附录A和附录B进行计算。
用户变电站接地网设计的注意点
接地电阻目标值的确定
接地电阻是国内接地系统验收的主要依据，一般变电站都要求做到1Ω以下。根据接地电阻的估算公式，土壤电阻率和地网占地面积是决定性因素。对于占地面积较大的系统变电站而言，做到1Ω以下问题不大。但是对于征地面积非常有限的用户站，仍将1Ω接地电阻作为接地系统合格与否的唯一标准未必妥当。
一方面，1Ω的接地电阻未必能保障变电站内的人员安全。在IEEE std 80-2013的第4章4.1节中明确指出了这种观点的错误之处，并阐述了其危害性。接地电阻与可能流过人体的触电电流之间没有直接的对应关系，而是与实际入地的短路电流和表层电阻率等同样有关。如果接地系统设计不合理（如网孔过大），只要短路电流够大，即便接地电阻小于1Ω，接触电势及跨步电压仍会危及人员安全。
另一方面，用户站处于电力系统末端，短路容量相对较小。如本项目30kV侧入地短路电流为1.72kA，考虑分流系数后约为1.03kA。根据GB/T 50065的要求，此时接地电阻小于1.9Ω即可，若考虑放宽到5kV的情况则为4.9Ω。实际上，IEEE std 80-2013中已取消了对具体接地电阻的要求。而IEEEstd142-2007在其4.1.3节中认为1～5Ω的电阻值对大部分的工业及民用建筑来说完全能满足要求，而小于1Ω的接地电阻对于小型工业变电站来说往往是过于严苛的。结合国内相关规范的要求，4Ω是一个较为合理的目标值。
计算分析工具的选用
海外项目对接地计算要求比较严格，同时外方监理或咨询工程师偏好设计软件输出的计算书。目前国内在此类项目中常用的接地计算及设计软件有CDEGS和ETAP。
CDEGS功能强大，建模自由度高，几乎可以模拟任何層数的土壤模型，地网任何位置短路下的电位和电流分布、计算任意形状和配置的地网接地电阻。但是CDEGS价格昂贵、建模复杂、周期较长。ETAP的接地计算虽是其软件包中的一个小型模块，但是可以出具符合IEEE80规范的接地计算报告。ETAP的接地模块能建立双层土壤模型，对于不规则地网也能提供简化版的有限元分析计算分析。就计算结果而言，根据IEEEstd80-2013中附录H中的若干表格，可知ETAP的计算结果稍稍偏大，但与CDEGS的计算结果差距小于10%。 所以对于变电系统占比重较大、接地网本身及其周围环境较为复杂的项目，如大型水电站，宜采用CDEGS对接地系统进行专题研究。而对于如本工程这样的用户站设计，使用ETAP接地模块可以大大缩短接地计算书的编制时间、节约人力及物力成本，且结论简洁、重点明确，足以满足业主工程师审查需求。
设计及计算
模型建立
在ETAP中建立供电系统图，计算NKOMETOU变电站90kV母线单相接地故障，故障电流1.72kA。设置NKOMETOU变电站，将单相接地故障电流值导入接地网分析案例编辑器，同时设置人重70kg、故障持续时间tf=1stc=ts=0.5s、分流系数Sf=60%等参数。
根据土壤电阻率测量，对不同层、不同深度的土壤电阻率进行平均值计算。按三层土壤考虑，0～1m土层，土壤电阻率为1325Ω·m;1～2m土层，土壤电阻率为1515Ω·m;2m及以下土层，土壤电阻率为980Ω·m。ETAP采用双层土壤模型土，并设有表层土壤电阻率。故考虑上层土壤为0.1～2m，土壤电阻率为1420Ω·m;下层土壤为2m及以下，土壤电阻率为980Ω·m，表层土壤电阻率取2500Ω·m，深度0.1m。
初步方案建立70m×70m接地网，形成10m×10m水平接地体网格，埋深0.8m，采用为Φ=12.5mm铜导体。垂直接地体采用Φ=15mm铜导体，长度为2.5m，按4个垂直接地体设计。
计算结果及分析
计算结果显示虽然跨步电势满足安全要求，但接触电势达1995.3V，大大超过允许值943V。且接地电阻10.5Ω，也有改进的必要。故对地网网孔大小进行调整并辅以增加垂直接地极的措施，计算结果汇总如下：
从上述结果分析，在现有条件下即使接地网再密、垂直接地极再多也很难满足要求，故需考虑其他措施。
接地网方案改进
如果保持土壤电阻率不变，增加垂直接地极深度至10m时，计算结果显示相对于原接地方案，接触电压、跨步电压、地电位升高以及接地电阻略有下降和改善，但和目标值相去甚远。由于进一步增加接地极深度及数量已不经济，故考虑通过采用降阻剂或换土的方式降低上层土壤电阻率。
根据计算结果，将上层土壤（0～2m）的土壤电阻率降至200Ω·m左右，可以满足接触电压及接地电阻的要求。接触电压已远低于允许值，不必过多地减小网孔尺寸。但是现有土壤电阻率较高，将土壤电阻率降得过低存在一定的难度，故还需要结合接地网扩建措施。
最终方案将NKOMETOU 90kV变电站接地网面积扩大到108m×72m，水平接地网格9m×9m，并打入32根2.5m垂直接地体。回填土时，需参入环保型AD系列長效物理降阻剂，将上层土壤（0～2m）的土壤电阻率降至230Ω·m左右。
结论
海外用户变电站的设计应优先考虑采用IEEE std 80一类的国外常用规范，借助软件等工具提高设计的准确性和效率。此外，应结合用户站占地面积小、短路容量不大等特点进行设计，避免生搬硬套1Ω接地电阻的经验值。应使用户站的接地工程在满足安全性的情况下，经济并且可实施。除接地电阻符合要求，在海外项目的接地网设计中还要特别注意保证地网的跨步电势、接触电势在设计及最终建成后不超过允许值。
参考文献
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， 2012.06
IEEEstd80TM-2013， IEEE Guide for Safety in AC SubstationGrounding[S]
关键词：供水工程 接地设计 海外项目
工程概况
NKOMETOU 90kV变电站为喀麦隆雅温得SANAGA引水项目的配套供电工程之一，作为90kV终端变为NYOM泵站、NKOMETOU泵站、EMANA-BATCHENGA水厂、NACHTIGAL泵站提供电力电能。NKOMETOU 90kV变电站征地面积约1.95万m2，生产区约5000m2。变电站建设2台三相双绕组有载调压电力变压器。NKOMETOU变电站设90kV进线1回，引自雅温得市OYOMABANG 220kV变电站。30kV出线6回，2台站用变和一个备用间隔。
国内与海外工程常见接地网设计方法的差异
GB/T 50065《交流电气装置的接地设计规范》是国内变电站接地设计的主要依据，而在像本项目这样的海外工程中，普遍采用IEEE std 80《Guide for safety in AC substation grounding》。
设计理念
IEEE std 80提供的设计方法主要关心人身安全，以跨步电势与接触电势合格为主要设计准则。接地电阻只是用来计算地电位升高（GPR），GPR小于允许的跨步电势与接触电势时设计过程即终止，无需再进一步计算网孔电压和跨步电压。而GB/T 50065除对人身安全提出要求外，通过明确规定接地电阻限值来保障设备安全。对于本项目中的有效接地系统和低电阻接地系统要求如下：
RG≤2000/IG
其中分子2000即是允许的GPR值，该值的确定主要是基于以下两点考虑：
二次设备，如综合自动化设备，工频绝缘耐受电压为2kV/min。
站用变压器外壳连至站内地网，其0.4kV侧短时耐受电压仅为3kV，且该耐受电压应比GPR高出40%以防低压绕组反击。
同时GB/T 50065在条文说明中提到，若二次电缆屏蔽层双端接地，可以将地电位升高放宽到2kV/（40%） =5kV。
计算方法
国标与IEEE除表层衰减系数简易公式、均匀网孔和跨步电压计算公式等完全一致外，其余如接地电阻、分流系数、允许跨步电势与接触电势等的计算公式差异比较大。
GB/T 50065在A.0.3中提供的接地网计算公式不考虑垂直接地极，而IEEE std 80-201314.3中提供的公式需要分别计算水平接地体的接地、垂直接地体的接地以及两组接地体间的互阻。然后再算出总接地电阻。
分流系数也是影响接地网设计的重要因素，GB/T 50065在B.0.2中提供了非常详细的计算公式。但是由于线路及铁塔的相关阻抗获取困难，所以分流系数宜用专用计算分析程序获得。而IEEE2000在附录D提供了一系列的图表供查询，根据进线、馈线数量及接地电阻值可粗略地估算出分流系数。
允许跨步电势与接触电势的确定，GB/T 50065与IEEE std 80公式形式基本一致，但对人体电阻的取值不同，导致了差异。需要注意的是如果项目采用IEC或欧标，IEC 61936中规定的计算公式与前两者完全不同，可参考EN 50522中的附录A和附录B进行计算。
用户变电站接地网设计的注意点
接地电阻目标值的确定
接地电阻是国内接地系统验收的主要依据，一般变电站都要求做到1Ω以下。根据接地电阻的估算公式，土壤电阻率和地网占地面积是决定性因素。对于占地面积较大的系统变电站而言，做到1Ω以下问题不大。但是对于征地面积非常有限的用户站，仍将1Ω接地电阻作为接地系统合格与否的唯一标准未必妥当。
一方面，1Ω的接地电阻未必能保障变电站内的人员安全。在IEEE std 80-2013的第4章4.1节中明确指出了这种观点的错误之处，并阐述了其危害性。接地电阻与可能流过人体的触电电流之间没有直接的对应关系，而是与实际入地的短路电流和表层电阻率等同样有关。如果接地系统设计不合理（如网孔过大），只要短路电流够大，即便接地电阻小于1Ω，接触电势及跨步电压仍会危及人员安全。
另一方面，用户站处于电力系统末端，短路容量相对较小。如本项目30kV侧入地短路电流为1.72kA，考虑分流系数后约为1.03kA。根据GB/T 50065的要求，此时接地电阻小于1.9Ω即可，若考虑放宽到5kV的情况则为4.9Ω。实际上，IEEE std 80-2013中已取消了对具体接地电阻的要求。而IEEEstd142-2007在其4.1.3节中认为1～5Ω的电阻值对大部分的工业及民用建筑来说完全能满足要求，而小于1Ω的接地电阻对于小型工业变电站来说往往是过于严苛的。结合国内相关规范的要求，4Ω是一个较为合理的目标值。
计算分析工具的选用
海外项目对接地计算要求比较严格，同时外方监理或咨询工程师偏好设计软件输出的计算书。目前国内在此类项目中常用的接地计算及设计软件有CDEGS和ETAP。
CDEGS功能强大，建模自由度高，几乎可以模拟任何層数的土壤模型，地网任何位置短路下的电位和电流分布、计算任意形状和配置的地网接地电阻。但是CDEGS价格昂贵、建模复杂、周期较长。ETAP的接地计算虽是其软件包中的一个小型模块，但是可以出具符合IEEE80规范的接地计算报告。ETAP的接地模块能建立双层土壤模型，对于不规则地网也能提供简化版的有限元分析计算分析。就计算结果而言，根据IEEEstd80-2013中附录H中的若干表格，可知ETAP的计算结果稍稍偏大，但与CDEGS的计算结果差距小于10%。 所以对于变电系统占比重较大、接地网本身及其周围环境较为复杂的项目，如大型水电站，宜采用CDEGS对接地系统进行专题研究。而对于如本工程这样的用户站设计，使用ETAP接地模块可以大大缩短接地计算书的编制时间、节约人力及物力成本，且结论简洁、重点明确，足以满足业主工程师审查需求。
设计及计算
模型建立
在ETAP中建立供电系统图，计算NKOMETOU变电站90kV母线单相接地故障，故障电流1.72kA。设置NKOMETOU变电站，将单相接地故障电流值导入接地网分析案例编辑器，同时设置人重70kg、故障持续时间tf=1stc=ts=0.5s、分流系数Sf=60%等参数。
根据土壤电阻率测量，对不同层、不同深度的土壤电阻率进行平均值计算。按三层土壤考虑，0～1m土层，土壤电阻率为1325Ω·m;1～2m土层，土壤电阻率为1515Ω·m;2m及以下土层，土壤电阻率为980Ω·m。ETAP采用双层土壤模型土，并设有表层土壤电阻率。故考虑上层土壤为0.1～2m，土壤电阻率为1420Ω·m;下层土壤为2m及以下，土壤电阻率为980Ω·m，表层土壤电阻率取2500Ω·m，深度0.1m。
初步方案建立70m×70m接地网，形成10m×10m水平接地体网格，埋深0.8m，采用为Φ=12.5mm铜导体。垂直接地体采用Φ=15mm铜导体，长度为2.5m，按4个垂直接地体设计。
计算结果及分析
计算结果显示虽然跨步电势满足安全要求，但接触电势达1995.3V，大大超过允许值943V。且接地电阻10.5Ω，也有改进的必要。故对地网网孔大小进行调整并辅以增加垂直接地极的措施，计算结果汇总如下：
从上述结果分析，在现有条件下即使接地网再密、垂直接地极再多也很难满足要求，故需考虑其他措施。
接地网方案改进
如果保持土壤电阻率不变，增加垂直接地极深度至10m时，计算结果显示相对于原接地方案，接触电压、跨步电压、地电位升高以及接地电阻略有下降和改善，但和目标值相去甚远。由于进一步增加接地极深度及数量已不经济，故考虑通过采用降阻剂或换土的方式降低上层土壤电阻率。
根据计算结果，将上层土壤（0～2m）的土壤电阻率降至200Ω·m左右，可以满足接触电压及接地电阻的要求。接触电压已远低于允许值，不必过多地减小网孔尺寸。但是现有土壤电阻率较高，将土壤电阻率降得过低存在一定的难度，故还需要结合接地网扩建措施。
最终方案将NKOMETOU 90kV变电站接地网面积扩大到108m×72m，水平接地网格9m×9m，并打入32根2.5m垂直接地体。回填土时，需参入环保型AD系列長效物理降阻剂，将上层土壤（0～2m）的土壤电阻率降至230Ω·m左右。
结论
海外用户变电站的设计应优先考虑采用IEEE std 80一类的国外常用规范，借助软件等工具提高设计的准确性和效率。此外，应结合用户站占地面积小、短路容量不大等特点进行设计，避免生搬硬套1Ω接地电阻的经验值。应使用户站的接地工程在满足安全性的情况下，经济并且可实施。除接地电阻符合要求，在海外项目的接地网设计中还要特别注意保证地网的跨步电势、接触电势在设计及最终建成后不超过允许值。
参考文献
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， 2012.06
IEEEstd80TM-2013， IEEE Guide for Safety in AC SubstationGrounding[S]