-
IEEEStd 80-2000
（电气和电子工程师协会）
交流变电站接地安全指南
（摘录）
（
IEEE Std
80-2000
Guide for Safety in
AC Substation Grounding
）
9
设计的主要考虑
9.1
定义
注：下面的定义已在条款
3
列出过，但是为了读者方便这里重复列出。
9.1.1
辅助接地电极
:
有某种设计或操作限制的接地电极。
它的主要作
用可以不是把故障电
流引导入地。
9.1.2
接地电极
:
埋入地中用以收集地电流或把地电流驱散入地的导体。
9.1.3
地垫
:
一块
实心的金属板或一个密集的裸导体系统，它们与地网相连并放置在地网
上、
地面下不深处或放在地面上的其它地方，
为的是获得额外的保护措施，
以便在危险的操
作区域或人们频繁出现的地方，
使暴露于高跨步电压或接触电压的危险减到最小。
放置在地
表
或地表上方的接地金属栅栏，或直接放置地面材料下面的线网是地垫的常见形式。
9.1.4
地网
:
通常在一个指定的地点，由许多埋在地下互连裸导体组
成的一个水平地极系
统，为电气设备或金属装置提供共用地。
注：
水平埋在地面附近的地网，
在控制
地表电位梯度方面也是有效的。
一个典型的地网
通常补充了许多
地棒且可能与辅助电极进一步联接，以便降低它相对于远地的电阻。
9.1.5
接地系统
:
在一个指定的区域，
；由互联的所有接地装置组成的系统。
9.1.6
主接地极
:
按接地系统的设计要求（或不明确要求）
，专门为泄放（通常以一定的放
电模式）故障电流入地而设计或改装的地极。
9.2
概述
一个接地系统应该以这样的一种方式安装：
它将限制地电位梯度的影响，
使得其电压和
电流的水平在正常和故障情况下不危及人或设备的安全。该系统也
应保证服务的连贯性。
在以下的讨论中，
假定接地系统的形式是一个地网，
由水平埋地的导体组成，
并补充了
许多与地网相连的直立地棒。
基于两次调查：
首次报告发表在
1954
年
AIEE
应用指南中
[B3]
，<
/p>
第二次报告发表于
1980(Dawalibi
< br>，
Bauchard
，
and
Mukhedkar[B45]
)
，本概述代表了美国和
其它一些国家大多数公用事业的主要经验。
使用竖直地棒和水平的导体构成联合接地系统的一些原因如下
:
a)
在变电站中，对于提供一个安全接地系统来说，单一电极
本身是不适宜的。而当若
干个电极（例如地棒）互连并且连到所有的设备中性线，
框架和那些需要接地的装置上，其
结果基本上就是地网的布局，
不管其原始的目的是什么。
如果固定接线碰巧埋在导电率好的
土壤中，
这个网络单独就可以是一个良好的接地系统。
< br>部分是由于这个原因，
一些公用事业
相信单独使用的地网
。然而，地棒有一特特殊的用途，见条款
b
的解释
)
。
b)
如果驱散入地的电流很大，安装一个电阻如此低的地网又能保证地面电位升所产生
地表梯度对接触的人不造成危险是不太可能的。
那么，
危险
的排除只有通过控制整个区域的
局部电位。一个把水平地网和许多埋在深土壤中的竖棒组
合起来的系统有下列优点
:
1)
尽
管水平
(
地网
)
导体在减少地面上的高跨步电压和接触电压的危险非常有效，但是
如果地网埋在地下较
浅处
[
通常在平整的地下
0.3
—
0.5m(12in)
]
< br>，
足够长的地棒会稳定此一组
合系统的性能。
因为结冰、
上层土壤干燥会按季节改变土壤电阻率，
而较低土层的电阻率仍
然保持几乎不变，这对许多装置是重要的。
2)
只要遇到双层或多层的土壤而上层土壤的电阻率比
下层土壤高，则穿过较低电阻率
土壤的地棒在消散故障电流方面远为有效。对于许多
GIS
和空间
-
有
限的其它装置，出现这
种情况实际上是最理想的，
或通过适当的
设计手段
(
如特长地棒，
接地竖井等<
/p>
)
实现这种情况。
3)
（电阻率）由高到低或均匀的土壤条件下，
如果地棒主
要是沿着地网周边安装，
则这
些地棒将相当明显地减缓外围网眼
地表面梯度的急剧增加。这种安装的细节见条款
16
。这
些细节与决定地表电压梯度简化方法的使用有关。
9.3
主地极和辅地极
总的来说，
大多数接地系统利用两组地极。
主地极是为接地目的而特别设计的。
辅地极
是由各种各样地下金属装置组成的地极，
其安装目的不是为了接地。
典型的主地极包括地网、
平衡网
络、
接地棒和接地竖井等。
典型的辅地极包括与地网相连的地下
金属装置和混凝土内
的钢筋等。辅地极可以具有携带有限电流的能力。
< br>
9.4
地网设计的基本要点
变电站地网系统
的初步设计分析通常从检查展示所有主要设备和建筑物的布局规划开
始。为了建立基本的
概念，下列几点可以作为一个典型地网设计开始的指南
:
a)
应有一个连续的导体环绕周界，
以便尽实际可能围住更大的面积。这个措施帮助避
免电流的高度集中，并且从而避免在地
网中和在伸出的电缆线两端附近出现高的电位梯度。
围住更大的面积也减少地网的电阻。
b)
在环内，导体一般是平行放置
，而且只要实际可能，沿着建筑物平行放置，或沿着
设备一排排平行放置使接地线最短。
c)
变电站的典型地网系统可以包括
在平整的地面埋深
0.3
—
0.5m(
12in)
、
隔开
3
< br>—
7m(10
—
20ft)
网状的
4/0
裸铜导体。在交叉处导体应安
全地绑扎在一起。接地棒可以安在地网的
角落和沿着周界的交叉汇合点。
接地棒也可以安装在主要设备处，
特别是在浪涌避雷器附近。
< br>在多层或高电阻率的土壤中，使用更长的地棒或在补加的交叉汇合点安装地棒可能是有用
< br>的。
d)
地网系统应扩充至
整个变电站调度场，且经常超出篱笆之外。在可能发生电流高度
集中的地方，
例如在发电机的中性线到地的连接处、
电容器库或变压器应使用加倍的接地
线
或更粗大的导体。
e)
除非精确的分析
(
电脑辅助
)
给出最终的值，地网网孔的边比通常取
1:1
到
1:3
。频
繁的交叉连接对降低地网的电阻作用很小。
他们的主要作用是保证地面电位的适当控制。
交
叉连接使故障电流有多条稳定可靠的入地路径、
减小地网本身电位降和当某一导体失效的情
况下提供一种冗余措施也是有用的
。
9.5
困难条件下的设计
在土壤电阻率相当高的地区或变电站空间非常珍贵的情况下，
也许不可能像
处于更良好
条件下所采取的，
在一个大区域上扩展地网电极以便
使得接地系统低阻抗。
许多
GIS
站和
工
业变电站通常处于这种情况，
它们只占用正常情况下常规设备
用地的一部分。
这常使地面电
位梯度的控制困难。解决的办法有
：
a) a)
把远处的<
/p>
（多个）
地网与临近的接地设备、
利用多
座大楼中分开安装的组合系统和地
下室等连接在一起。
使用大量
远地极要求仔细考虑转移电位、
浪涌避雷器的位置和其它的危
险
点。浪涌，特别是高频浪涌
(
闪电
)<
/p>
可能在本地和远处接地装置之间产生值得注意的电压。
b)
使用深埋地棒和钻（接）地井。
c)
与地棒和互连导体有关的各种各样添加剂和土壤处理在条
款
14.5
有更完整的描述。
d)
使用金属线垫。把地面材料和金属网制成的编织垫组合一起
，用来均衡地面附近的
2
< br>电位梯度场是可行的。典型的金属编织垫由铜包
NO.6AWG
< br>（译注
:
美国线规
6
号
,16mm
）
钢丝构成
，制成
0.6m
×
0.6m(24in
×
24in)
网状，安装在土壤上，地
表材料下，并与主
地网多处相连。
e)
只要可行，
有控制地使用其它可得到的降低接地系统总电阻
的方法，
如把固定导线和
中性线接地（见条款
< br>15.3
）
。典型的做法是利用站内适合作为辅助地极或
作为其它系统的接
地带的金属物体。当然，这种应用的后果，必须仔细估计。
f)
只要实际允许，可利用附近有足够体积的
低电阻率材料沉积物安装一额外
(
卫星式
)
地网。这种“卫星式”地网，当与主地网完全连接，将降低总电阻，从而降低地网的
地电位
提升。
附近的低电阻率材料可能是泥土沉积物或可能是一
些大建筑物的一部分，
例如一个水
电堤坝的混凝土团块
(Verma
，
Merand
< br>，
and
Barbeau[B148])
。
9.6
连接到地网
应该用有足够载流量和机械强度的导体
(
见条款
11)
连接在下列物体之间：
a)
所有接地电极，例如地网、地棒
(
衬
)
、接地井以及一些可连接的地方、金属、水或气
管道、水井盖罩等。
b)
所有地面上方可能偶尔带电的导电金属部件，
例如金属装置、
机械框架、
常规或气体
-
绝
缘的金属开关装置的护盖、变压器、水箱、防护装置等。那些相对于其它已经带电
的金属
部件有不同电位的导电金属部件应该连接在一起，通常是通过地网。
c)
所有的故障电流源，例如浪涌避雷器、电容器组或耦合电
容器、变压器和其它合适
的地方，如机器的中性线、照明和电力电路。
< br>
通常用铜电缆线或铜带作为这些接地导体。
但是，
变压器外壳有时也用作浪涌避雷器接
地通路的部件。
同样，如果能确认其电导，包括任何连接处的电导，与那些通常安装的导体
电导
等效并维持等效，
则大多数钢或铝构件可以用作接地路径。
这么
做的地方，
应该把任何
可能引进高阻连接的油漆涂层移去，同时
使用合适的接头化合物，或采取其它有效的手段，
例如用跳线跨接，
以免过后连接变坏。
在
GIS
装置
的情况下，
应额外注意有害的感应电流流
通的可能性。条款
10
更详细地讨论这个题目。
不应在交叉连接点或类似的连接点处采用多条接地线来分流。
所有的可接近的接地导线应定期检查。
铝热焊、
铜焊，
或压力型连接器可用于地下的连
接
(
见条款
11.4)
。应该
避免锡焊，因为在高故障电流下连接可能失效。
户外电路，<
/p>
即使在显露的地点，
也可能逃过检查，
而
且一旦接地网络安装之后要检测其
埋地部分显然是不实际的。
确
定埋地的接地系统连续性测试方法的更详细讨论见条款
19.4
。
可能提供或携带大电流的那些装置，
例如变压器和断路器组、
开关架和避雷器座应该用多条
9
导线与
地网连接。
导线最好反向布线以便排除共模故障
。
11
导体和连接的选择
在评估用哪种导体
材料，
多大的导体尺寸或允许的最大限制温度适合时，
最终的选
择总
应体现出条款
11.1-11.4
所概括出的事项。
11.1
基本要求
< br>每一接地系统的元件，包括地网导体、连接、
连接导线和所有的主电极，其设计都
应该
符合装置的预期寿命要求，这些元件应具备如下特点：
<
/p>
a
）具备足够的电导率，这样就不会形成明显的局部电位差。
b
）在最不利的故障大小和持续时间的共
同作用下，元件能避免熔化和机械损伤。
c
< br>）元件应具备机械稳定性和高度的坚固性。
d
）即使暴露在腐蚀环境中或使用不当，元件也能保持它们的功能。
11.2
导体材料的选择和相关的腐
蚀问题
11.2.1
铜
铜是常用的接地材料。
铜导体除了具备高的导电性能外，
在
防止地下大多数的腐蚀问题
也有其优越性，因为相对于可能埋在附近的大部分其它金属而
言，铜是阴极。
11.2.2
镀铜钢材
镀铜钢材通常用作接地棒，
偶尔也制成地网，
特别是
在有偷窃情况发生的地区。
只要导
体具有适当的尺寸和不受损害
，
且土壤情况对所用的材料没有腐蚀，
铜或少量镀铜钢材的使<
/p>
用就能多年确保地网的完整性。
11.2.3
铝
铝很少用于地网。
对利用铝或铝合金制外壳的
GIS
装置而言，
虽然初看起来会认为铝应
是很自然
的选择，但应考虑以下的缺点：
a
）
铝本身在某些土壤中是会被腐蚀的。对所有接地的实际效果而言，被腐蚀的铝材料
层是不
导电的。
b
）在某些条件下，交流电
导致的逐步腐蚀仍然是一个问题。
尽管存在这样一个事实，<
/p>
像钢材一样，
铝能减缓别的埋地物体的腐蚀，
但也只有在对全
部环境作出了全面调查的情况下才能使用铝材。
然而，
对包括钢材在内的许多金属而言，
铝
是正极，
在有电解质存在时，
如果将铝与这些金属之一
互连，
铝将牺牲自身去保护别的金属。
如果要使用铝材，那么高
纯度等级的导体比大多数合金更合适。
11.2.4
钢材
< br>钢可以用作地网导体和接地棒。
当然，这种设计应注意钢材的腐蚀。配合阴极保护
，在
钢接地系统中，通常用镀锌或抗腐蚀的钢材。
11.2.5
其它需要考虑的事项
<
/p>
铜质或镀铜钢质地网会跟埋地的钢结构、
管道以及任何电缆护套中
的铅基合金形成原电
池。这种原电池会加速后者的腐蚀。一些公用事业（公司）已尝试给
铜镀锡。这会降低钢和
锌之间的电池电压约
50%
，并且能实际上消除与铅之间的电压（锡比铅消耗稍多）
。使用镀
锡铜材导体的缺点是它会加速和集中在铜材任何小面积裸露处
（因土壤化学
物质导致）
的自
然腐蚀。其它常用方法有：
a
）用塑料带或沥青混合物（或两种方法同时使用）包裹
隔离阴极保护金属的表面。
b
）选择
埋地金属元件的路线，让铜基导体尽可能近地以直角跨过水管或由别的无覆盖
物的裸露金
属制成的同类物体，
并为相互接近的金属之一提供隔离外套。
通
常是在水管上加
隔离外套。
c
）使用牺牲阳极或从外加电流系统的阴极保护；
d
）使用非金属管道和导管。
在
GIS
中，
也可能
由于别的原因而要求使用阴极保护。
阴极保护通常用于保护
GI
S
的外
部装置，例如充气加压管状电缆，铅铠装电缆等。因
GIS
装置复杂，在接地系统设计前，必
须
全面考虑所有的腐蚀防护情况。
由于电力系统的不同位置和不同应用，
< br>变电站的情况可能
不尽相同，所以具体指南很难制订。
地中腐蚀和阴极防护的课题很复杂。
关于这个课题已进行了许多
研究，
且有许多研究结
果已发表。这些现象的详细讨论超出了本
指南的范围。
11.3
导体的尺寸因素
11.3.1
对称电流
从
Sverak[B133]
推导的公式（
37
）到（
42
）可以
得到接地导体的短时温升或作为电流函
数所要求的导体尺寸。在
IEEE
标准
837-1989
的附录
B
中也有这些公式。在材料常数已知
或
可算出时，这些公式可以计算确定导体的载流量。常用接地材料的材料常数见表
1
。对于
对称电流（无直流偏置）可推算出公式（
37
）—（
42
）
< br>。
I
?
A
mm
2
?
TCAP
?
10
?
4
?
?
K
0
?
T
m
?
?
?
< br>ln
?
?
（
37
）
<
/p>
t
?
?
K
?
T
?
c
r
r
?
?
0
a
?
式中
< br>:
I
是电流有效值，单位
:<
/p>
kA
Amm
2
是导体截面积，单位
:
mm
2
T
m
是最大许可温度，单位
:
℃
T
α
是环境温度，单位
:
℃
T
r
是材料常数的参考温度，单位
:
℃
α
o
是<
/p>
0
℃时电阻率的温度系数，单位
:
1/
℃
α
r
是参考温度
T
r
时电阻率的温度系数，单位
1/
℃
ρ
r
是参考温度为<
/p>
T
r
时接地导体的电阻率，单位
:
μ
Ω
-c
m
K
o
是
1/
α
o
< br>或
(1/
α
r
< br>)
-T
r
，单位
:
℃
t
c
是电流的持续时间，单位
:
s
TCAP
：每单位体积的热容量（表
1
）
，单位
:
J
/
（
cm
3
·
℃）
(
详细定义见条款
11.3.1.
1)
应注意在同一参考温度
T
r
下，
能同时找到
α
r
和
ρ
r
。<
/p>
表
1
提供了
20
℃时
α
r
和<
/p>
ρ
r
的数据。
如果导体尺寸单位用
Kcmils
（<
/p>
mm
2
×
1.9
73=Kcmils
）
，公式（
37<
/p>
）变为
I
?
5.07
?
10
A
kcmil
?
3
?
TCAP
?<
/p>
10
?
4
?
?
K
0
?
T
m
?
?
?
ln
?
?
（
38
）
<
/p>
?
t
c
?
r
?
r
?
?
K
0
?
T
a
?
表
1
材料常数
材料
种类
材料电
导率
（
%
）
退火铜，
（软扎）
商用铜，
（硬扎）
铜包钢线
铜包钢线
铜包钢棒
铝，
EC
级
铝，
5005
合金
铝，
6201
合金
铝包钢线
钢
,1020
不锈包
钢棒
镀锌钢棒
不锈钢
,304
a
< br>b
20
℃系数
0
℃时
熔化温度
a
20
℃时
ρ
r
（
μ
Ω
cm<
/p>
）
TCAP
热容量
[J/(cm
3
·℃
)]
3.42
3.42
3.85
3.85
3.85
2.56
2.60
2.60
3.58
3.28
4.44
3.93
4.03
α
r
（
1/
℃）
K
o
（
0
℃
）
T
m
（℃）
0.00393
0.00381
0.00378
0.00378
0.00378
0.00403
0.00353
0.00347
0
．
00360
0.00160
0.00160
0.00320
0.00130
234
242
245
245
245
228
263
268
258
605
605
293
749
1083
1084
1084
1084
1084
657
652
654
657
1510
1400
419
1400
100.0
97.0
40.0
30.0
b
1.72
1.78
4.40
5.86
8.62
2.86
3.22
3.28
8.48
15.90
17.50
20.10
72.00
20.0
61.0
53.5
52.5
20.3
10.8
9.8
8.6
2.4
c
< br>摘自
ASTM
标准。
铜包钢棒，铜层厚度
0.254mm(0.010in)
。
不锈钢包钢棒用厚度
0.
508mm(0.020in)NO.304
不锈钢包裹
NO.
1020
钢芯。
c
结合公式
(39)
（用来确定
TCAP
）
，公式（
37
）
、
（
38
）表达了两个基本假设：
a
）所有热量都留在导体中（绝热过程）
。
b
）比热（
SH
）和比重（
SW
）的乘积，
TCAP
近似为常数，因为
SH
的升高和
S
W
的下降
速率几乎相同。
对于大多数金
属，
只要故障持续时间在几钞钟之内，
这些假定在相当宽的温<
/p>
度范围内都是适用的。
11.3.1.1
替代公式
由比热和比重，可计算出表
1
未列出材料的
TACP
。比热
SH
[
单位
cal/
（
gram
×℃）
]
和比重
SW
[
单位
gr
am/cm
3
]
与单位体积的热容量<
/p>
[
单位
J/cm
3
]
的关系如下：
< br>4.187J
（焦耳）
=1calorie
（卡路里）
因此，
TCA
P
定义为：
TCAP
[cal/
（
cm
3
×℃）
=SH
[cal/
（
gram
×℃）
]
×
SW
[gram/cm
3<
/p>
]
或
TCAP
[J/
（
< br>cm
3
×℃）
]=4.184(
J/cal)
×
SH
[cal/
（
gram
×℃）
]
×
SW
[gram/cm
3
]
(39)
一旦
TCAP
确定，式（
37
）
、
（
38
）就可用来确定导体的载流量。
式（
37
）和式（
38
）整理
后可用来确定作为电流函数的导体尺寸。
A
mm
2
?<
/p>
I
1
?
TCAP
?
10
?
?<
/p>
K
0
?
T
m
?
?
?
ln
?
?
t
?
?
c
r
< br>r
?
?
?
K
0
?
T
a
?
197.4
?
TCAP
?
10
?
< br>?
K
0
?
T
m
?
?
?
ln
?
?
t<
/p>
?
?
K
?
T
c
r
r
?
?
?
0
a
?
?
4
?
4
(40)
A
kcmil<
/p>
?
I
(41)
例：用式（
41
）和表
1
可以进行计算，得到
< br>30%
和
40%
镀铜钢材及
100%
或
97%
铜材导体
的数据
,
制成表格。例如，计
算电流持续
1
秒
30%
镀铜钢材导体的尺寸，得到，
t
c
=1.0,
α
20
=0.00378,
ρ
20
=5.86,
TACP
=3.85,
T
m
=1084,
T
α
=40,
K
0
=245
因此
,
当
I=1kA
时
,
利用式
(41),
A
kcmil
?
1
97.4
?
12.06
kcmil
或
12.06kcmil/kA
267.61
11.3.1.2
公式的简化
用英制单位，公式可简化如下：
A<
/p>
kcmil
?
I
?
K
f
t
c<
/p>
(42)
式中：
A
kcmil
是导体的截面积
,
单位
:
kcmil
I
是故障电流有效值
,
单位
:<
/p>
kA
t
c
是电
流持续时间
,
单位
:
< br>s
K
f
是表
< br>2
中材料在不同
T
m
（熔化温度或根据条款
11.3.3
的导体限制温
度）值和环境温度
（
T
α
）为
40
℃时的常数。<
/p>
表
2
材料常数
材料
退火铜（软扎）
电导率（％）
Ｔ
m
a
(
℃
)
100.0
1083
1084
250
1084
1084
1084
657
652
654
657
1510
K
f
7.00
7.06
11.78
10.45
12.06
14.64
12.12
12.41
12.47
17.20
15.95
商用铜，
（硬扎）
97.0
商用铜，
（硬扎）
97.0
铜包钢线
铜包钢线
铜包钢棒
铝，
EC
级
铝，
5005
合金
铝，
6201
合金
铝包钢线
钢
1020
40.0
30.0
20.0
61.0
53.5
52.5
20.3
10.8
不锈钢包钢棒
镀锌钢棒
不锈钢
304
a
9.8
8.6
2.4
1400
419
1400
14.72
28.96
30.05
见条款
11.3.3
有关材料选择的注释。
例：在
20kA
和
3
秒故障持续
时间下，用公式（
42
）
a)
对软扎制铜材
< br>A
kcmil
?
20
?
7.00
3
?
242.5
kcmil
取
250kcmil
t
c
?
3.0
s
;
I
?
211.6/(7.00
3.0)
?
17.5
kA
b
）对
40%
电导率的镀铜钢材导体，
A
kcmil
?
20<
/p>
?
10.45
3
?
362.0
kcmil
取
19/#7
导体。
c
）钢导体
A
kcmil
?
20
?
15.95
3
?
552.5
kcmil
取直径
7/8
英寸的导体。
还可以比较不同持续时间下某规定尺寸
导体的熔化电流，以
4/0AWG
（
2
11.6kcmil
）软
扎铜材为例
如果
t
c<
/p>
?
0.5
s
;<
/p>
I
?
211.6/(7.00
0.5)
?
42.7
kA
如果
t
c<
/p>
?
1.0
s
;<
/p>
I
?
211.6/(7.00
1.0)
?
30.2
kA
如果
t
c<
/p>
?
3.0
s
;<
/p>
I
?
211.6/(7.00
3.0)
?
17.5
kA
因为如下因素的影响，实际选择的导体尺寸往往大于根据熔化
条件求得的尺寸，如：
a
）在接地装
置的设计寿命期内，导体的强度应能经受得住任何预期的机械作用或腐蚀
引起的机械损伤
。
b
）在接地装置的使用寿命期内，
导体应有足够高的电导，以防止故障期间产生任何可
能的危险电压降。
< br>
c
）限制导体温度的需要（见条款
11.3.3
）
。
d
）和对待其它的电子部件一样，对接地系统也应有安全系数。
11.3.2
不对称电流
11.3.2.1
使用衰减因子
在希望说明故障电流中可能有直流偏置成分的情况下，应用公式
(3
7)
到公式
(42)
之前
,
利用条款
15.10
中公
式
(79)
的衰减因子
D
F
,
可确定对称电流等效值
I
F
（它表示非对称电流在
整个故障持
续时间
t
c
上积分的有效值）是
X/R
的函数。
I
F
=
I
f
×
D
f
（
43
）
<
/p>
得到的
I
F
值通
常大于
I
f
，
因为衰减因子是基于一个很保守的假设，
即交流成分不随时间
而
衰减，而是保持起始暂态值不变。
1
1.3.2.2
非对称电流表格的使用
在相同的故障条件
（故障电流持续时间和大小）
下，
因为故障电流中的直流偏置会而导
致导体达到
更高的温度，式（
43
）求出了在直流偏置存在时对称电流的等
效值。此外，如果
存在直流偏置，
它会使机械力和吸收的能量几
乎达到等效对称电流情况下的
4
倍。
然
而，
如
果电流持续时间大于等于
1
秒，
或故障处的
X/R
比值小于
5
时，
直流偏置的影响可
以忽略不
计。
在表
< br>3
到表
6
中列出了各种直流偏置
下不同尺寸铜质导体的熔化特性。
这些熔化特性是
理论上推导出
的，不过后来为大量的实践所证明。
表
3
各接地铜缆的最大通流量；电
流是频率
60Hz
，
X/R=40
时的有效值；
电流单位为
kA
电缆尺寸
标称截面
6
个周期
AWG
#2
#1
1/0
2/0
3/0
4/0
250kcmil
积
mm
2
33.63
42.41
53.48
67.42
85.03
107.20
126.65
22
28
36
45
57
72
85
119
15
个周期
16
21
26
33
42
53
62
87
30
个周期
12
16
20
25
32
40
47
67
45
个周期
10
13
17
21
27
34
40
56
60
个周期
180
个周期
（
3s
）
5
7
8
11
14
17
21
29
9
11
14
18
23
30
35
49
（
100ms
< br>）
（
250ms
）
（
500ms
）
（
750ms
）
（
1s
）
350 kcmil
177.36
表
4
各接地铜缆的最大通流量；电
流是频率
60Hz
，
X/R=20
时的有效值；
电流单位为
kA
电缆尺寸
标称截面
6
个周期
AWG
#2
#1
1/0
2/0
3/0
4/0
250kcmil
积
mm
2
33.63
42.41
53.48
67.42
85.03
107.20
126.65
25
32
40
51
64
81
95
134
15
个周期
18
22
28
36
45
57
67
94
30
个周期
13
16
21
26
33
42
50
70
45
个周期
11
13
17
22
27
35
41
58
60
个周期
180
个周期
（
3s
）
5
7
9
11
14
18
21
29
9
12
15
19
24
30
36
50
（
100ms
< br>）
（
250ms
）
（
500ms
）
（
750ms
）
（
1s
）
350 kcmil
177.36
表
5
各接地铜缆的最大通流量；电
流是频率
60Hz
，
X/R=10
时的有效值；
电流单位为
kA
电缆尺寸
标称截面
6
个周期
AWG
#2
#1
1/0
2/0
3/0
4/0
积
mm
2
33.63
42.41
53.48
67.42
85.03
107.20
27
35
44
56
70
89
15
个周期
19
23
30
38
48
60
30
个周期
13
17
21
27
34
43
45
个周期
11
14
17
22
28
36
60
个周期
180
个周期
（
3s
）
5
7
9
11
14
18
9
12
15
19
24
31
< br>（
100ms
）
（
250ms
）
（
500ms
）
（
750ms
）
（
1s
）
250kcmil
126.65
105
147
71
99
51
72
42
59
36
51
21
30
350 kcmil
177.36
表
6
各
接地铜缆的最大通流量；电流是频率
60Hz
，
X/R=0
时的有效值；
电流单位为
kA
电缆尺寸
标称截面
6
个周期
AWG
#2
#1
1/0
2/0
3/0
4/0
250kcmil
积
mm
2
33.63
42.41
53.48
67.42
85.03
107.20
126.65
31
39
49
62
79
99
117
165
15
个周期
19
24
31
39
50
63
74
104
30
个周期
14
17
22
28
35
44
52
73
45
个周期
11
14
18
22
28
36
43
60
60
个周期
180
个周期
（
3s
）
5
7
9
11
14
18
21
30
9
12
15
19
25
31
37
52
（
100ms
< br>）
（
250ms
）
（
500ms
）
（
750ms
）
（
1s
）
350 kcmil
177.36
注：
1
—表
3
到表
6
的电
流值是用计算程序
RTGC
计算出来的
(Reichman
，
Vainberg
，
and
Kuffel[B122])
。已知
X/R
值和故障情除时间，这个计算程序可以直接用
来计算接地电缆所需
的尺寸。
2
—电流值是在直流偏置最大时计算的结果（见条款
15.10
）
。
3
—导体初始温度
=40
℃，最终温度
=1083
℃。
4
—公制数值是用软件换算的。软件换算是据
AWG
尺寸直接计算出公制的面积。
11.3.3
确定导体尺寸大小的附加因素
< br>设计者应该注意确保接地装置中的导体和连接点的温度不会对变电所的安全运行造成
危险。例如：
a
）一般，易燃材料
附近的导体和连接点应有更严格的温度限制。
b
）如果对硬轧铜材强度提出要求是由于机械原因，那么就应该小心不让温度超过
250
℃，以免导体退火。
应仔细
检查暴露在腐蚀环境中的可能性。
即使正确的导体尺寸和所采用的连接方法完全
满足
IEEE
标准
83
7-1989
试验要求，
也应注意在装置设计寿命期间，
选择更大尺寸的导体以
抵补导体截面的逐渐减小，因为土壤环境会加快
腐蚀。
从设备到地网的引下导线，
可
能要承受流入地网的全部故障电流，
而地网把这个电流分
流，<
/p>
使地网中的每段导体只承受全部故障电流的一小部分。
因此，
引下导线就应该比地网导
体更粗大或从设备到地网连接多条引下导线
，使之有足够的通流量来承受全部故障电流。
传导雷电流的接
地导体无需作更多的考虑。
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。
实践中，
机械可靠性的要求将规定导体的最小尺寸。
对设计
者而言，
虽然根据局部情况
确定导体的最小尺寸看来可能是合适
的，但保守的要求是值得考虑的。几个特殊原因如下：
a
）继电器的故障会导致故障持续时间超过原清障时间。后备清障时间适用于确定导体
的尺寸。对小型变电站而言，这个后备清障时间可能达到
3
秒或更长。
然而，大型变电站通
常会有复杂的保护设
计，故障通常能在
1
秒或更少的时间内清除。
< br>
b
）用于确定导体尺寸的最大电流值，应把将来的发展
考虑进去。在设计初期就设定导
体尺寸适当的富余量比以后补充许多接地导线成本低。<
/p>
11.4
连接的选择
在地网中，
地上和地下的所有连接都应被评估，
以便达
到所用导体的全面要求：
即电导
率、耐腐蚀性、通流量和机械强
度。这些连接点应足够大以便保持其温升低于导体的温升，
并能抵御热效应的影响。连接
点还应该足够坚固，以经受最大预期故障电流的电磁机械力，
并使装置能在其预期寿命内
耐
(
得住
)
腐
蚀。
变电站接地中的耐久连接的应用和测试，
IEEE837-1989
提供了详细信息。用于特殊导
体尺寸系列和导体材料的接地连接如果通过了
IEEE837-1989
要求，应能满足有相同尺寸和
材料导体的所有标准—电导率、耐腐蚀性能、通
流量和机械强度。
13.
土壤结构和土壤模型的选择
13.1
土壤结构的调查
很有必要对变电站所在地土壤电阻率进行调查，以便确定土壤的大体成分和均匀程度。
岩心取样试验和其它的地质调查常能提供有关各种土层的存在和土壤材料类型的有用信息，
至少能得到有关该站址电阻率范围的一些概念。
表
7
典型地表材料电阻率
序
地面材料的种类
号
（
U.S
.
找到该材料的州）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
破碎花岗岩成细粒
(N.C.)
破碎花岗岩成
1.5in
(0.04m)
细粒
(Ga.)
0.75
—
1in(0.02
—
0.025m)
花岗岩细粒
(Galif.)
#4(
1
—
2in)(0.025
—
0.05m)
1.5
×
10
6
—
4.5
×
10
6
5000
（雨水，
100
Ω
m
）
洗过的花岗岩
(Ga.)
#3(2<
/p>
—
4in)(0.05
—
0.1m)
洗过的花岗岩
(Ga.)
大小未知
洗过的石灰石
(Mich.)
洗过的花岗岩，类似于
0.75in(0.02m)
的砂砾
洗过的花岗岩，类似于
豌豆大小的砂砾
#57
（
0.75in
）
(0.0
2m)
洗过的花岗岩
(N.C.)
10
沥青
11
混凝土
a
样品的电阻率
Ω
m
干
140
×
10
6
4000
-
湿
1300 (
地下水
,45
Ω
m)
1200
（雨水，
100
Ω
m
）
65
13
（
45
Ω
m
水排出
10
分钟后）
2.6
×
10
6
—
3
×
< br>10
6
7
×
10
6
2
×
10
6
40
×
10
6
190
×
1
0
6
2.6
×
10
6
—
3
×
10
6
<
/p>
1
×
10
6
—
1
×
10
9 a
10000
（雨水，
100
Ω
m
< br>）
2000
—
3000(
地下水
,45
Ω<
/p>
m)
10000
5000
8000(
地下水
,45
Ω
m)
10000
—
6
×
10
6
21
—
100
烤箱烘干的混凝土
(
Hammond
and Robson[B78])
。
自然干燥的的混凝土因含
水分其电阻率可
能低得多。
13.2
土壤的分类和电阻率的范围
文献中许多表格展示了各种土壤和岩石的电阻率范围。
Rude
nberg[B125]
的表格具有非
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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