B类电气装置的接地装置及保护线设计优化

8.1　一般要求

8.1.1　接地装置的性能必须满足电气装置的安全和功能上的要求。

8.1.2　按照电气装置的要求，保护接地或功能接地的接地装置可以采用共用的或分开的接地装置。

8.2　对地连接

8.2.1　接地装置的选择和安装应符合下列要求：

a）接地电阻值符合电气装置保护上和功能上的要求，并要求长期有效；

b）能承受接地故障电流和对地泄漏电流，特别是能承受热、热的机械应力和电的机械应力而无危险；

c）足够坚固或有附加的机械保护；

d）必须采取保护措施防止由于电蚀作用而引起对其他金属部分的危害。

8.2.2　接地极可采用下列几种型式：

a）圆钢、角钢或钢管；

b）钢带；

c）板；

d）埋于基础内的接地极；

e）非钢筋混凝土中的钢筋；

f）征得供水部门同意的金属水管系统；

g）征得电缆部门同意的铅质包皮和其他金属外皮电缆；

h）其他合适的地下构筑物（另见8.2.3d）。

注：任何一种接地极的功效取决于当地的各种土壤条件，应选定适合于各种土壤条件的一种或几种接地极以及所要求的接地电阻值。

8.2.3　接地极的安装应符合下列要求：

a）接地极的型式及埋入深度必须使土壤的干燥及冻结程度不会过分增加接地极的接地电阻，以免超过所要求的接地电阻值；

b）接地极所采用的材质及结构必须经得住由于腐蚀而引起的机械损伤；

c）接地装置的设计必须考虑到由于腐蚀可能增加接地极的接地电阻值；

d）可燃液体或气体、供暖系统的金属管道严禁用作保护接地极。

8.2.4　接地线的最小截面应符合本标准8.3.1的规定，而埋入土壤内的接地线，其截面应符合表4的规定。接地线与接地极的连接应牢固，且导电良好。

表4　埋入土壤接地线的最小截面

8.2.5　电气装置应设置总接地端子或母线，并应与接地线、保护线、等电位联结干线和安全、功能共用接地装置的功能性接地线等相连接。

8.2.6　断开接地线的装置应便于安装和测量。

8.3　保护线

8.3.1　保护线的最小截面可按照式（15）计算或按照本标准8.3.1b）选择。这两种情况都必须考虑本标准8.3.2的要求。

a）最小截面可按下式计算（只适用于断开时间不超过5s），但应采用最接近的标准截面积

式中：Sp——截面积，mm2；

I——忽略保护电器阻抗的预期故障电流值（有效值），A；

t——保护电器的动作时间，s；

k——按保护线、绝缘和其他部分的材质以及最初和最终温度决定的计算系数（见附录E）。

注

1　应考虑回路阻抗的限流作用及保护装置的极限容量；

2　需使按此计算得出的截面与故障回路阻抗值相适应；

3　应计及连接点的最高允许温度。

b）保护线的最小截面应符合表5的规定。

表5　保护线的最小截面

注1　应用本表时，如果得出非标准尺寸，则采用最接近标准截面的导线；
2　表中的数值只在保护线的材质与相线相同时才有效。否则，保护线截面的确定要使其得出的电导与应用本表所得的结果相当。

8.3.2　在任何情况下，非供电电缆或电缆外护物组成部分的每根保护线，其截面不应小于下列数值：

有机械保护时，2.5mm2；

无机械保护时，4mm2。

8.3.3　保护线可由下列部分构成：

a）多芯电缆的芯线；

b）与带电导线一起在共用外护物内的绝缘线或裸导线；

c）固定的裸导线或绝缘线；

d）金属外皮，例如某些电缆的护套、屏蔽层及铠装；

e）导线的金属导管或其他金属外护物；

f）某些装置外导电部分。

8.3.4　符合下列要求的装置的金属外护物或框架可用作保护线：

a）金属外护物或框架的电气持续性不受机械、化学或电化学的损蚀；

b）导电性应符合本标准8.3.1的要求；

c）应在每个预定的分接点上与其他保护线连接。

8.3.5　布线的护套或金属外皮当符合本标准8.3.4中前两项要求时，均可用作相应回路的保护线。电气用的其他导管严禁用作保护线。

8.3.6　当装置外导电部分符合下列要求时，可用作保护线：

a）不受机械、化学或电化学的损蚀；

b）导电性应符合本标准8.3.1的要求；

c）有防止移动的装置或措施。

8.3.7　征得供排水部门同意的金属水管可作为保护线。煤气管道严禁用作保护线。

8.3.8　装置外导电部分严禁用作保护中性线。

8.3.9　保护线的设计和安装应符合下列要求：

a）保护线应采取保护措施，免受机械和化学的损蚀并耐受电动力；

b）保护线的接头应便于检查和测试；

c）开关电器严禁接入保护线；

d）监测对地导通的动作线圈严禁接入保护线。

8.4　接地装置

8.4.1　保护接地的接地装置的设计应符合本标准7.1的规定。当过电流保护装置用于电击保护时，应将保护线与带电导线紧密布置。

8.4.2　功能接地的接地装置的设置应保证设备的正确运行。其具体作法应符合该电气装置对功能接地的接地装置的要求。

8.4.3　保护接地和功能接地共用接地装置时，应满足保护接地的各项要求。保护中性线应符合下列要求：

a）TN系统中，固定装置中铜芯截面不小于10mm2的或铝芯截面不小于16mm2的电缆，当所供电的那部分装置不由残余电流动作器保护时，其中的单根芯线可兼作保护线和中性线。

b）保护中线性应采取防止杂散电流的绝缘措施。成套开关设备和控制设备内部的保护中性线无需绝缘。

c）当从装置的任何一点起，中性线及保护线由各自的导线提供时，从该点起不应将两导线连接。在分开点，应分别设置保护线及中性线用端子或母线。保护中性线应接至供保护线用的端子或母线。

8.5　等电位联结接线

8.5.1　等电位联结主母线的最小截面应不小于装置最大保护线截面的一半，并不应小于6mm2。当采用铜线时，其截面不宜大于25mm2。当采用其他金属时，则其截面应承载与之相当的载流量。

8.5.2　连接二个外露导电部分的辅助等电位联结线，其截面不应小于接至该二个外露导电部分的较小保护线的截面。连接外露导电部分与装置外导电部分的辅助等电位联结线，其截面不应小于相应保护线截面的一半。

8.5.3　当建筑物的水管被用作接地线或保护线时，水表必须跨接联结，其联结线的截面应根据其被用作保护线、等电位联结线或功能接地接地线的要求而采用适当的截面。

附录A

（标准的附录）

人工接地极工频接地电阻的计算

A1　垂直接地极的接地电阻可利用下式计算（图A1）

当l≫d时

式中：RV——垂直接地极的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——垂直接地极的长度，m；

d——接地极用圆钢时，圆钢的直径，m[当用其他型式钢材时，其等效直径应按下式计算（图A2）：钢管，d＝d1；扁钢，d＝；等边角钢，d＝0.84b；不等边角钢，d＝0.71

A2　不同形状水平接地极的接地电阻可利用下式计算

图A1　垂直接地极的示意图

图A2　几种型式钢材的计算用尺寸

式中：Rh——水平接地极的接地电阻，Ω；

L——水平接地极的总长度，m；

h——水平接地极的埋设深度，m；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

A——水平接地极的形状系数。

水平接地极的形状系数可采用表A1所列数值。

表A1　水平接地极的形状系数　A

A3　水平接地极为主边缘闭合的复合接地极（接地网）的接地电阻可利用下式计算

式中：Rn——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；

Re——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，Ω；

S——接地网的总面积，m2；

d——水平接地极的直径或等效直径，m；

h——水平接地极的埋设深度，m；

L0——接地网的外缘边线总长度，m；

L——水平接地极的总长度，m。

A4　人工接地极工频接地电阻的简易计算，可采用表A2所列公式。

表A2　人工接地极工频接地电阻（Ω）简易计算式

注　1　垂直式为长度3m左右的接地极；
2　单根水平式为长度60m左右的接地极；
3　复合式中，S为大于100m2的闭合接地网的面积；r为与接地网面积S等值的圆的半径，即等效半径，m。

附录B

（标准的附录）

发电厂、变电所经接地装置的入地短路电流及电位计算

B1　计算用入地短路电流的计算

厂或所内和厂或所外发生接地短路时，流经接地装置的电流可分别按下式计算

式中： I——入地短路电流，A；

Imax——接地短路时的最大接地短路电流，A；

In——发生最大接地短路电流时，流经发电厂、变电所接地中性点的最大接地短路电流，A；

Ke1、Ke2——厂或所内、厂或所外短路时，避雷线的工频分流系数。

计算用入地短路电流取两式中较大的I值。

B2　发生接地故障时，接地装置的电位、接触电位差和跨步电位差的计算。

a）接地装置的电位可按下式计算

式中：Ug——接地装置的电位，V；

I——计算用入地短路电流，A；

R——接地装置（包括人工接地网及与其连接的所有其他自然接地极）的接地电阻，Ω。

b）均压带等间距布置时接地网（见图B1）地表面的最大接触电位差、跨步电位差的计算。

图B1　接地网的形状(www.xing528.com)

1）接地网地表面的最大接触电位差，即网孔中心对接地网接地极的最大电位差，可按下式计算

式中：Utmax——最大接触电位差，V；

Ktmax——最大接触电位差系数。

当接地极的埋设深度h＝0.6～0.8m时，Ktmax可按下式计算

式中：Kd、KL、Kn和Ks——系数，对30×30m2≤S≤500×500m2的接地网，可按式（B6）计算。

式中： n——均压带计算根数；

d——均压带等效直径，m；

L1、L2——接地网的长度和宽度。

2）接地网外的地表面最大跨步电位差可按下式计算

式中：Usmax——最大跨步电位差，V；

Ksmax——最大跨步电位差系数。

正方形接地网的最大跨步电位差系数可按下式计算

β＝0.1

而T＝0.8m，即跨步距离。

对于矩形接地网，n值由下式计算

式中：L、L0——与式（A3）中意义同。

c）均压带非等间距布置时正方形或矩形接地网地表面的最大接触电位差和最大跨步电位差的计算。

1）接地网均压带可按表B1所示的不等间距方式布置。

表B1　接地网不等间距布置网孔边长为网边长百分数　%

注　由于布置对称，表中只列出一半数值。

2）接地网地表面最大接触电位差仍采用式（B4）计算，但Ktmax变为

式中各系数依次为对最大接触电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数影响系数，且

Ktd＝0.401＋0.522/

Kth＝0.257－0.095

KtL＝0.168－0.002（L2/L1） （L2≤L1）

K＇tmax＝2.837＋240.021/

Ktn＝0.021＋0.217－0.132（n2/n1）（n2≤n1）

Kts＝0.054＋0.410 8S

式中：n1——沿长方向布置的均压带根数；

n2——沿宽方向布置的均压带根数；

h——水平均压带的埋设深度；

L1、L2——接地网的长度和宽度。

3）接地网的最大跨步电位差仍采用式（B7）计算，但Ksmax变为

式中各系数依次为对最大跨步电位差的等效直径、埋深、形状、网孔数和根数的影响系数，且

Ksd＝0.574－0.64

Ksh＝383.864e－2.789

KsL＝0.741－0.011（L2/L1） （L2≤L1）

K＇smax＝0.056＋1.072/m

Ksn＝0.849＋0.234（n2≤n1）

Kss＝0.07＋1.08

式中参数意义同上。

附录C

（标准的附录）

接地装置的热稳定校验

C1　根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地线的最小截面应符合下式要求

式中：Sg——接地线的最小截面，mm2；

Ig——流过接地线的短路电流稳定值，A（根据系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定）；

te——短路的等效持续时间，s；

c——接地线材料的热稳定系数，根据材料的种类、性能及最高允许温度和短路前接地线的初始温度确定。

在校验接地线的热稳定时，Ig、te及c应采用表C1所列数值。接地线的初始温度一般取40℃。在爆炸危险场所，应按专用规定执行。

a）发电厂、变电所的继电保护装置配置有2套速动主保护、近接地后备保护、断路器失灵保护和自动重合闸时，te可按式（C2）取值

式中：tm——主保护动作时间，s；

tf——断路器失灵保护动作时间，s；

to——断路器开断时间，s。

表C1　校验接地线热稳定用的Ig、te和c值

b）配有1套速动主保护、近或远（或远近结合的）后备保护和自动重合闸，有或无断路器失灵保护时，te可按式（C3）取值

式中：tr——第一级后备保护的动作时间，s。

C2　根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地装置接地极的截面不宜小于连接至该接地装置的接地线截面的75%。

附录D

（标准的附录）

架空线路杆塔接地电阻的计算

D1　杆塔接地装置的工频接地电阻

杆塔水平接地装置的工频接地电阻可利用下式计算

式中的At和L按表D1取值。

表D1　式（D1）中的参数

D2　杆塔接地装置与单独接地极的冲击系数

杆塔接地装置接地电阻的冲击系数，可利用以下各式计算

铁塔接地装置

式中：Ii——流过杆塔接地装置或单独接地极的冲击电流，k A；

ρ——以Ω·m表示的土壤电阻率。

钢筋混凝土杆放射型接地装置

钢筋混凝土杆环型接地装置

单独接地极接地电阻的冲击系数，可利用以下各式计算：

垂直接地极

单端流入冲击电流的水平接地极

中部流入冲击电流的水平接地极

D3　杆塔自然接地极的冲击系数

杆塔自然接地极的效果仅在ρ≤300Ω·m才加以考虑，其冲击系数可利用下式计算

式中：ai——对钢筋混凝土杆、钢筋混凝土桩和铁塔的基础（一个塔脚）为0.053；对装配式钢筋混凝土基础（一个塔脚）和拉线盘（带拉线棒）为0.038。

D4　接地极的利用系数

各种型式接地极的冲击利用系数ηi可采用表D2所列数值。工频利用系数一般为η≈ηi/0.9≤1。但对自然接地极，η≈ηi/0.7。

D5　接地电阻的简易计算

表D2　接地极的冲击利用系数ηi

各种型式接地装置工频接地电阻的简易计算式列于表D3。

表D3　各种型式接地装置的工频接地电阻简易计算式　Ω

注　表中ρ为土壤电阻率，Ω·m。

附录E

（标准的附录）

8.3.1　a）中系数k的求取方法

E1　k值可由下式计算

式中：Qc——导线材料的体积热容量（表E1），J/（℃·mm3）；

B——导线在0℃时的电阻率温度系数的倒数（表E1），℃；

ρ20——导线材料在20℃时的电阻率（表E1），Ω·mm；

θi——导线的初始温度，℃；

θf——导线的最终温度，℃。

表E1　式（E1）中的参数

E2　用法不同或运行情况不同的保护线的各种k值可按表E2、E3和E4选取。

表E2　非电缆芯线的绝缘保护线或与电缆外皮接触的裸保护线的k值

注　导线的初始温度采用30℃。

表E3　多芯电缆中一根芯线用作保护线的k值

表E4　裸导线的k值，该裸导线在下列温度下不会有危及任何邻近材料的危险

注1　导线的初始温度采用30℃；
2　所指最高温度500℃和300℃只在它们不损害接头质量时才有效。

附录F

（提示的附录）

土壤和水的电阻率参考值

F1　表F1仅供缺少土壤电阻率数据时参考，一般应以实测值作为设计依据。

表F1　土壤和水的电阻率参考值

续表