ieee-std-80-2000交流变电站接地安全指南.docx

IEEE交流变电站接地安全导则1. 概述1.1 范围本导则主要涉及室外交流变电站，包括传统交流变电站、气体绝缘变电站。也包括配电变电站、输电变电站和电厂变电站。在适当情况下，该导则中介绍的方法也可用于设计室内变电站或变电站的室内部分很显然，变电站场区内存在的相同的接地梯度问题不会出现在建筑物内。如果地板表面可以保证与地面电位的有效绝缘，或者有效等同于通常具有变电站接地电位（包括建筑物结构和装置）的一个导电板或者密孔网。因此，即使是在完全的室内变电站，比较关键的做法是考虑周边梯度（建筑物入口处）和传递电位（第8条中有说明）可能会产生的危害。此外，对于玻璃绝缘的室内设施，需要关注外壳上循环的电流，第10条中进行了探讨。该导则不涉及直流变电站接地问题。也不涉及雷电冲击效应的定量分析。1.2 目的该导则旨在为交流变电站接地的安全实施提供指导和相关信息。该导则的具体目的包括a) 确定变电站故障时人体和接触点之间的电位差安全限值，并将其作为设计依据。b) 回顾变电站接地安全做法，并制定变电站安全设计标准。c) 依据这些标准提供实用接地系统设计规程。d) 确定分析方法，帮助理解和解决典型梯度问题。版权 2000 IEEE. 版权所有7IEEE Std 80-2000交流变电站接地第1条至第8条介绍了安全标准的概念和使用，第9条至第13条介绍了实际设计接地系统时的考虑要素，第14条至第20条介绍了接地系统评估程序及方法（依据安全标准）。其他辅助资料参见附录A至附录G。该导则主要涉及50-60 Hz电源的安全接地操作。不涉及直流变电站及雷电冲击效应相关问题。按照该导则设计的接地系统可提供一定程度的保护，防止陡波阵面冲击进入变电站并通过接地电极传到大地。 激增电涌所得到的更大阻抗可以在某种程度上增加接地引线对于接地网系统的电压降，并降低接地网更远部分的有效性。在很大程度上抵消这种情况的原因是人体在雷击电涌情况下显然能仍受的电流强度远大于50Hz或者60Hz电流的情况。更多关于这些问题的信息，可查阅其他参考资料。1.3 其他相关标准下列标准中包含了更多关于接地的详细信息： IEEE Std 81-1983 第2条中含有有关参考文件的信息和 IEEE Std 81.2-1991提供了大地电阻率、连接的接地系统阻抗和地表电位以及电网导体连续性测量规程。 IEEE Std 142-1991 （也称IEEE绿皮书）介绍了一些实际接地问题，包括设备接地、可避免地面感应电流的电缆布线、电缆护套接地、静电和雷电保护、室内装置等。 IEEE Std 367-1996详细介绍了不对称电流现象以及故障分流，很大程度上与本导则中相当。同时，读者还可以了解到，相比本导则中使用的地电位升值，通信保护和继电保护应用中使用的则是根据不同的最大电网电流假设集得出的。 IEEE Std 665-1995 详细介绍了发电厂接地操作。 IEEE Std 837-1989为接地系统连接的测试和标准规范，可满足第11条要求。2. 参考文献该导则应与下列其他导则结合使用。一旦下列标准被批准版本所取代，批准的版本将适用：可信任标准委员会C2-1997，全国用电安全规程 (NESC)。 电气与电子工程师协会可以提供NESC。地址为美国新泽西州08855-1331皮斯卡塔韦Hoes巷445号，邮箱1331（/）IEEE Std 81-1983，IEEE大地电阻率、接地阻抗和地表电位测量导则（第1部分）。 电气与电子工程师协会可以提供IEEE的出版物；地址为美国新泽西州08855-1331皮斯卡塔韦Hoes巷445号，邮箱1331（/）IEEE Std 81.2-1992，IEEE大型接接地网、扩展接地网或互连接地网接地阻抗与安全性测量导则（第2部分）。IEEE Std 142-1991，IEEE 工业和商业电力系统接地的推荐规程（IEEE绿皮书）。IEEE Std 367-1996，IEEE短路电流所引起的变电站地电位升和感应电压确定的推荐规程。IEEE Std 487-1992，IEEE服务于变电站的通信线和设施保护的推荐规程。IEEE Std 525-1992 (Reaff 1999)，IEEE变电站内电缆系统设计与施工导则。IEEE Std 665-1995，IEEE发电厂接地导则。IEEE Std 837-1989 (Reaff 1996)，IEEE用于变电站内的永久性连接标准。IEEE Std 1100-1999，IEEE电子设备供电与接地推荐规程（IEEE绿宝石书）。IEEE Std C37. 122-1993，IEEE GIS变电站标准。 IEEE Std C37. 122.1-1993，IEEE GIS变电站导则。3. 定义下列大多数定义仅适用于本导则。除非有明确说明，否则下列定义不适用于其他用途。所有定义均须在一定的条款背景下释读。更多定义请参见“IEEE电气和电子术语标准词典”B86。 括号中的数字与附录A中的参考文献相匹配。3.1 辅助接地地极有某种设计或操作限制的接地电极。其主要作用不是可以不是将故障电流引导入地。3.2 连续式外壳：沿着同相导体的外壳连续部分连接在一起为整个封闭长度上提供连续流路径的母线外壳。与其他相位外壳交叉互连只能在安装端部和几个选定的中间点处。3.3 直流偏差：电力系统瞬变工况下对称电流波与有效电流波之间的偏差。准确来说，有效故障电流可分为两部分：一个是对称交流分量，一个是单向直流分量。单向分量可以是极性，但不会改变极性，而且会以一定的预定比值下降。3.4 衰减系数：在安全导向接地计算中结合对称接地故障电流参数使用的调整系数。该系数确定了规定的故障持续时间内（tf）非对称电流波的均方根值，解释了初始直流偏差的影响以及故障时的衰减。3.5 有效非对称故障电流：故障持续时间间隔内非对称电流波均方根值（见图1）。IF = Df If （1）其中，IF为有效非对称故障电流，单位A If为对称故障电流均方根值，单位A Df为衰减系数图1-故障持续时间内实际故障电流值与IF、If和Df之间的关系3.6 外壳电流：金属外壳中由流经封闭式导体的电流引起的电压所产生的电流。3.7 故障电流分流系数：该系数表示对称故障电流与流经接地网和周围大地之间的电流成反比。 (2)其中，Sf为故障电流分流系数Ig为对称栅极电流均方根值，单位AIo为零序故障电流，单位A注：实际上，电流分流系数在故障持续时间内会随着故障贡献衰减率的变化和中断装置的操作顺序而变化。但为了根据对称栅极电流和最大栅极电流定义计算设计值，假设整个故障持续时间内该比值保持不变。3.8 气体绝缘变电站：一种封闭在接地金属外壳中的紧凑型多部件装置，其主要绝缘介质为气体，通常由母线、开关设备和辅助设备（组件）组成。3.9 接地：一种导电连接方式，可以是有意的也可以是非故意的。采用该连接方式可将电路或设备与大地或相对较大程度上取代大地的导电体相连。3.10 可接地：一种带有接地端的系统、电路或装置，用于建立接地回路并保持其电位在地电位。3.11 地电流：流入或流出大地或等效地面的电流。3.12 接地电极：埋入地下用以收集地电流或把地电流消散 入地的导体。3.13 接地垫 ：一块实心的金属板或一个密集的裸导体系统，它们与接地网相连并放置在接地网上、地面下不深之处或放在地面上的其他地方，目的是获得额外的保护措施，以便在危险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降至最小。接地垫 的常见形式包括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方的线网。3.14 地电位升（GPR）：假定在远地电位时变电站接地网相对于远接地点可能达到的最大电位值。该电压值GPR等于最大栅极电流与栅极电阻的乘积。注：正常情况下，接地的电气设备可在地电位接近零时运转。也就是说，接地中性导体的电压几乎与远地电压相等。出现接地故障时，通过变电站接地网将故障电流部分导入大地会引起远地栅极电压上升。3.15 接地回路：利用大地或等效导电体形成回路并实现与电源环流的回路。3.16 接地网：通常在一个指定的地点，由多个埋在地下互连裸导体组成的一个水平地极系统，可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接地网，在控制地表电位梯度方面也是有效的。一个典型的接地网通常还包括多个地棒，并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。3.17 接地系统：在一个指定的区域内由互连的所有接地装置组成的系统。3.18 主接地线：用于将气体绝缘变电站（GIS）的所有指定金属元件连接到变电站接地系统的导体或导体系统。3.19 最大栅极电流：最大栅极电流设计值定义如下：IG= Df Ig(3)其中，IG为最大栅极电流，单位ADf为整个故障持续时间tf内的衰减系数，单位sIg为对称栅极电流均方根值，单位A3.20 网电压：接接地网中一个网孔的最大接触电压。3.21 金属间接触电压：变电站内可通过直接的手手接触或手脚接触连接的金属体或金属结构之间的电位差。注：传统变电站中，与接地网相连的金属体或金属结构之间的接触电压可忽略不计。但与接地网相连的金属体或金属结构之间的接触电压以及与变电站相连但与接地网不相连的金属体内部的接触电压可能会很大。如果是气体绝缘变电站（GIS），由于外壳内存在内部故障或感应电流，与接地网相连的金属体或金属结构之间的接触电压可能会很大。传统变电站中，最差的接触电压通常是最大可达距离处手脚之间的电位差。但如果是通过手手接触或手脚接触的电压，需要调查可能的最差接触情况。图12和图13为空气绝缘变电站的集中接触情况，图14为GIS中的接触情况。3.22 不连续外壳：带有同相导体电气隔离（或互相隔离）连续外壳部分的母线外壳，这样电流不会流出外壳部分。3.23 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调整的地极。3.24 跨步电压：人体用脚连接1m距离且不接触接地物体时受到的表面电位差。3.25 起始瞬态电抗：故障发生时发电机的电抗。该电抗值用于计算初始对称故障电流。电流连续减小，但首先第一步假设电流稳定保持在该值，故障后持续0.05s。3.26 表层材料：土壤表面的材料，包括但不限于岩石或碎石、沥青、或人造材料。根据材料阻性的不同，表层材料可能会显著影响接触电压和跨步电压时的人体电流。3.27 对称的栅极电流：流经接地网和周围大地之间的对称故障电流部分。可用公式表示为Ig = S f I f (4)其中，Ig为对称栅极电流均方根值，单位AIf为对称故障电流均方根值，单位ASf为故障电流分流系数3.28 对称接地故障电流：接地故障出现后对称故障电流的最大均方根值。同样地，它也可表示故障出现后在零点时间处前半个电流波中形成的对称分量均方根值。在相对地故障中，I f (0+) = 3I0 (5)其中，If (0+)为对称接地故障电流初始均方根值I0为故障出现之后立刻形成的零序对称电流均方根值，反映了引发故障的旋转电机次瞬态阻抗该对称故障电流均方根值可用符号If或3I0表示。采用后一种表示方法是因为在整个故障持续时间内，假设初始对称故障电流保持不变。3.29 接触电压：一个人站立时用一只手接触接地结构引起的地电位升（GPR）与表面电位之间的电位差。3.30 转移电压：接触电压的一种特殊情况，即从远地外部转移到变电站或从变电站转移到远地的电压。3.31 瞬态外壳电压（TEV）：特快速瞬态现象，常见于GIS系统的接地外壳上。一般来说，如果接地引线太长（感应），则不能有效防止TEV的出现。这种现象也称为瞬态电位升高（TGR）或瞬态地电位升高（TGPR）。3.32 快速瞬态（VFT）：气体绝缘变电站（GIS）内部产生的一种瞬态，其特征是持续时间短、频率极高。快速瞬态是由绝缘气体故障中开关设备触点上或线对地电压快速下降所产生的。这些瞬态升高时间大约毫微秒，频率可达到100 MHz。相对于实际长度的GIS总线，主导震荡频率通常在20-40 MHz范围内。3.33 快速瞬态过电压（VFTO）：生成快速瞬态所引起的系统过电压当快速瞬态属于快速瞬态过电压的主分量之一时，由于集中电容（电压互感器）放电，可能会存在一些低频（1 MHz）分量。一般来说，即便特殊情况下会出现更高强度的快速瞬态过电压，每单位数值也不会超过2.0。3.34 X/R比：系统电抗与电阻的比值。用直流偏差衰减率表示。X/R比值大，对应的时间常量就大，而衰减率就小。4. 接地安全4.1 基本问题一般而言，接地安全设计有两个用途：- 提供适当的方法将正常和故障时的电流引入地，既不会超过操作极限和设备限值，也不会影响用电的连续性。- 确保接地设施附近的人群无电击危险。因此，一个实用的安全接地方法是努力控制下列两种接地系统的相互作用：- 有意的接地，由埋在地下某个深处的接地电极组成。- 意外的接地，临时由接地设施附近暴露于电位梯度的人员确定。人们往往认为接地的物体都可以安全触摸。较低的变电站接地电阻本身就是一种安全保障。整个接地系统电阻与最大触电电流（人体可能暴露于此电流中）之间的关系并不简单。因此，接地电阻相对较低的变电站可能会很危险，而接地电阻很高的变电站则可能会安全，或者经过谨慎设计会变得很安全。举例来说，如果一座变电站通过无屏蔽线或中性线的架空线路供电，较低的栅极电阻是很有必要的。全部或大部分接地故障电流进入大地，通常会引起局部接地电压陡升【见图2(a)】。如果使用屏蔽线、中性线、气体绝缘总线或地下线缆馈线等，一部分故障电流会通过金属路径直接返回到电源。虽然这种金属连接能为回路提供低阻抗平行路径，但最终局部地电位升高的幅度会降低【见图2(b)】。无论哪种情况，都需要对变电站范围内进入大地的故障电流部分的影响进行进一步分析。如果几何结构、接地电极的位置、本地土壤特征以及其他因素会对地表产生过多的电位梯度，即便能够承载一定量和一定时间内的故障电流，也说明接地系统不适当。第5条至第8条详述了评估所有保护人类生活的必要因素以及最珍贵的意外电路元件所使用的主要假设和标准。4.2 危险状况典型的接地故障情况下，电流流入大地会在变电站内及其周边环境内产生电位梯度。图3为匀质土壤中采用简单矩形接地网的对变电站产生的影响。图2-有/无接地棒的典型接接地网等电位图IEEE Std 80-2000交流变电站接地图3-有/无接地棒的典型接接地网等电位图除非在设计时特别注意，接地故障时地表上会产生足够大的电位梯度，危及该区域内的人员安全。此外，接地结构或设备框架与附近大地之间可能会产生危险电压。下列情况下可能会产生触电事故：a) 接地系统区域内对地故障电流以及对远地阻抗相对较高。b) 土壤电阻率和接地电流的分布使得地表上某些点出现高电位梯度。c) 有人在某点、某个时间和某个位置用身体连接两个高电位差点。d) 缺乏足够的接触电阻或其他串联电阻，能在a)至c)中的情况下将通过人体的电流限制在一定的安全值。e) 接地故障持续时间内，人体接触时，一定的电流轻度通过人体持续时间足以对人体产生伤害。79版权 2000 IEEE. 版权所有事故相对较少主要是因为以上所列不利条件同时发生的可能性较低。5. 可承受的电流范围人体要害部位通过电流的影响取决于电流的持续时间、强度和频率。最危险的后果是被称为“心室颤动”，这种心脏问题会立刻阻止血液循环。5.1 频率影响人类很容易受到频率为50 Hz或60 Hz的电流的影响。0.1A的电流可致命。研究表明，人体能承受略高的25 Hz电流，大约是直流的五倍高。频率为300010 000 Hz时，能承受更高强度的电流（Dalziel及Mansfield B33; Dalziel, Ogden及Abbott B36）。有些情况下，人体能承受极高的雷电冲击电流。国际电工委员会提供了人体可承受电流与频率和电容性放电电流之间的关系曲线图 IEC 60479-2 (1987-03) B83)。其他关于直流和震荡脉冲电流影响的研究见Dalziel报告B25B27。关于特殊直流接地问题的相关信息请参见1957年AIEE变电站委员会报告B21。架空输电线静电效应所产生的触电危险参见1972年一般系统下属委员会报告第1部分B88。更多关于架空输电线静电效应的信息请参见345kV及以上EPRI输电线参考书第8章节B57。5.2 强度与持续时间影响按电流强度增加顺序，电流对人体最常见的生理影响分别为阈值感知、肌肉收缩、无意识、心室颤动、呼吸神经堵塞和燃烧(Geddes及Baker B74; IEC 60479-1 (1994-09) B82)。1 mA的电流通常被认为是感知阈值。也就是说，这种电流强度下人手或指尖只能感到电流带来的轻微刺痛感(Dalziel B27)。16 mA的电流属于摆脱电流，虽然难以忍受，但通常情况下不会让握有带电物体的人体难以控制肌肉并释放。Dalziel的经典实验包括28名女性和134名男性，实验数据表明女性的平均摆脱电流为10.5 mA，而男性的平均摆脱电流为16 mA；男女的阈值电流分别为6 mA和 9 mA（Dalziel及Massogilia B34）。电流在925 mA范围内，人体会感到很痛，而且很难或无法松开手握的带电物体。更高电流时，会出现肌肉收缩并导致呼吸困难。这些影响都是临时的，在电流断开时会消失，除非肌肉收缩非常严重且呼吸停止数分钟。即便出现这种情况通常也可复生（Dalziel B29）。电流强度到达60100 mA范围时，人体会出现心室颤动、心脏停止或呼吸抑制，并且可能会致死。接受过心肺复苏术（CPR）训练的人员在受害者可用医疗设施治疗之前必须为其进行心肺复苏 （Dalziel B30; Dalziel及Lee B31）。因此，该导则中强调了致颤电流的重要性。如果可通过合理的接地系统设计保持触电电流低于该阈值，则可避免出现受伤或死亡。正如Dalziel等人 （Dalziel, Lagen及Thurston B35; Dalziel及Massogilia B34）所述，持续时间在0.033.0 s之间的非致颤电流强度IB与人体所吸收的能量有关，可用下列方程表示： SB= (IB)2 ts (6)其中，IB为通过人体的电流强度均方根值，单位Ats为承载电流的持续时间，单位sSB为与一定比例人群所能承受的电击能量相关的经验常数关于方程（6）的详细讨论见第6条。 5.3 快速排除故障的重要性考虑到故障持续时间在方程（6）中和事故风险因数方面的影响，快速排除故障是非常有利的，原因有两方面：a) 相比于故障电流持续数分钟或数小时的情况，快速清除故障可大大降低触电危险概率。b) 试验和经验表明，如果流经人体的电流持续时间很短，严重受伤或致死的可能性就会大大降低。因此，允许的电流值则取决于主要保护装置或后备保护装置的故障清除时间。使用主要保护装置的故障清除时间的一个很好的案例是，由于组合概率较低，继电器故障与事故的其他不利因素将吻合，详见第4条所述。因而方程（6）中选择使用了相对保守的后备保护故障清除时间，这样能确保更大的安全性。使用开关时间小于0.5 s的另一个动机源于Biegelmeier 及 Lee 开展的研究B9。他们的研究证实，当人体接触电流的时间接近心跳时间时，人体出现心室颤动的可能性就增加，但如果接触电流的时间在0.060.3 s，这种危险则小得多。实际上，故障引起高接地梯度的可能性通常很少，而高接地梯度引发冲击的情况则更少。进一步来说，即使这两种情况发生，但持续时间总是很短。因此，针对有疼痛感且不会引起严重受伤电流的设计并不实际，也就是说电流大小低于心室颤动阈值。6. 人体可承受的电流限值人体内通过50 Hz 或 60 Hz电流强度和持续时间应小于能引起心室颤动的值。6.1 持续时间公式根据方程（6），大多数人能承受50 Hz 或 60 Hz电流的持续时间与电流强度有关。根据Dalziel的研究结果（Dalziel B26; Dalziel及Lee B32），假设99.5%的人能够安全承受且不会出现心室颤动，该电流强度和持续时间根据以下公式确定：(7)其中，以下术语在前文方程（6）中已有所定义Dalziel发现，99.5%的体重接近50 kg (110 lb)的人类能承受的冲击能为SB = 0.0135。因此，k50 = 0.116，人体可承受电流的计算公式则变为：适用于50 kg的体重(8)ts = 1 s时，根据方程（8）得出结果116 mA；ts = 0.1 s时，得出结果367 mA。由于方程（7）是基于 0.03 -3.0 s的试验时间，很明显不适用于极短或极长的持续时间。多年以来，其他研究者也推荐了其他IB值。1936年，Ferris等人 B66 推荐100 mA作为心室颤动阈值。100 mA的数值是根据在哥伦比亚大学开展的大量实验得出的。实验中，将体重和心脏重量与人类相当的动物接触最大电流3s。最近的一些实验则推荐了两个不同的阈值：一个适用于电击时间短于心跳时间，另一个适用于电流时间长于心跳时间。对于一个 50 kg （110 lb）的成年人，Biegelmeier B7B8建议的阈值分别为500 mA和 50 mA。关于该问题，Lee及Kouwenhoven B31B95B99也进行了相关研究。由Dalziel所确定的人体可承受电流方程是本导则中推导可承受电压的依据。6.2 其他假设假设致颤电流与人体体重存在一定的函数关系，如图4所示。图中显示了几个动物样本（小牛、狗、羊和猪）体重与临界电流的关系以及哺乳动物0.5%的常见阈值范围。在1961年版的导则中，方程（6）和方程（7）中的常量SB和k分别为0.0272和0.165，并且假定适用于99.5%的体重接近70 kg (155 lb)的人群。Dalziel B28B32依据方程（7）进行了进一步研究，得出了另一个值k = 0.157 和SB = 0.0246，适用于体重70 kg (155 lb)的人群。因此，图4-各种动物通电三秒后体重与致颤电流的关系图适用于70 kg的体重 (9)假设人的平均体重最小为70 kg，根据该导则选择k = 0.157。 在通常情况下，普通大众可以进入的地方（诸如围栏或者墙体保护的开关站等）都会遇到这些情况。根据具体的环境情况，如果围栏外的区域应使用一个50kg的标准方程（8），则应进行评估。方程（7）表明，当使用快速操作保护装置限制故障持续时间时，人体能承受的电流要高得多。关于使用主要高速继电器的故障清除时间还是使用后备保护的故障清除时间，需要作出判断。6.3 Dalziel方程与Biegelmeier曲线的对比图5为方程（8）、方程（9）以及Biegelmeier 确定的人体电流与时间Z形图（由Biegelmeier 及 Lee B9公布）的对比情况。Z曲线图显示时间持续0.2 s时限值为500 mA，随后在2.0 s限值下降至50 mA。图5-人体电流与时间在0.06 s到0.7s之间，方程（8）得出的人体可承受电流小于Biegelmeier的Z曲线图上的值。6.4 注意重合闸在现代操作实践中，接地故障之后出现重合闸是非常常见的。这种情况下，人体可能会受到第一次电击，但不会造成永久性伤害。然后，单瞬时自动重合闸会产生第二次电击，距离第一次电击间隔小于0.33 s。第二次电击距离上一次间隔相对较短，人体尚未恢复，因此可能会引发严重事故。手动重合闸时，由于重合闸时间间隔较大，因此人体遭受二次电击的可能性降低。目前未详细评估两次或多次短间隔电击的累积影响，但使用单次电击持续时间总和作为单次危险时间。7. 意外接地电路7.1 人体电阻对于直流电以及50 Hz或60 Hz的交流电，人体可用电阻来近似。一般情况下，电流通路是从一只手到两只脚，或者从一只脚到另一只脚。正如Daziel B26、 Geddes及Baker B74、 Gieiges B75、 Kiselev B94、以及Osypka B118所指，人体的内阻接近300，其中人体电阻值（含皮肤）范围在500-3000之间。随着接触点皮肤的损坏或戳破，人体电阻会下降。正如5.2中所述，Dalziel B34用盐水弄湿手脚进行实验，确定安全的摆脱电流值。针对男性使用60 Hz电流得出的数值如下：电流为9.0 mA；相应的手手接触时的电压为21.0V，手脚接触时的电压为10.2V。实验表明，手手接触时的交流电阻等于21.0/0.009 或 2330，而手脚接触时的交流电阻为10.2/0.009 或 1130。因此，在本导则中，与人体电阻串联的电阻假设值如下：a) 手脚接触电阻为零。b) 手套和鞋电阻等于零。方程（10）中1000表示人体从手到脚以及从手到手的电阻或者从一只脚到另一只脚的电阻。该数值用于整个导则。RB = 1000 W(10)7.2 人体内的电流路径大家应该记得，1000阻值的选择与电流路径（比如手脚间或者两只脚间）相关，大部分电流流经人体内的主要器官，包括心脏。人们普遍认为，电流从一只脚流到另一只脚的危险性要低得多。根据在德国进行的实验，Loucks B100得出，如果要在心脏区域产生相等的电流，脚到脚电流要比手到脚的电流高得多。他认为比值高达25:1。基于这些结论得出，当电流路径从一只脚到另一只脚时，允许电阻值高于1000，但同时还需考虑以下因素：a) 两脚之间电压，有疼痛感但不致命，可能会下降，导致更大的电流流过胸部。其危害程度取决于故障持续时间以及发生连续电击的可能性。b) 故障发生时，人体可能处于工作状态或卧姿休息状态。很明显，脚到脚接触的危害远远低于其他接触方式。但由于a）情况下发生过死亡，因此不能忽视该危险 （Bodier B14; Langer B96）。7.3 意外等效电路使用方程（8）或方程（9）确定的人体可承受电流值以及相应的电路常数，可确定两个接触点之间的可承受电压。下列符号用于意外等效电路，如图6所示：Ib为人体电流（人体是意外电路的一部分），单位ARA为意外电路总有效电阻，单位WVA为意外电路总有效电压（接触电压或跨步电压），单位V图6-接触电压危险使用方程（8）或方程（9）确定的人体可承受电流来确定可承受的意外电路总有效电压（接触电压或跨步电压）：意外电路的可承受有效电压能够产生人体电流Ib，其值等于人体可承受电流IB。图6显示了通过变电站接地系统排放到地的故障电流If和一个人在H处接触接地金属结构。电路中的各种阻抗见图7。终端H是系统中的一个点，其电位与故障电流流入的电网电位相等。终端F是地表上接触人两只脚的区域。电流Ib经过人体从H点流到地面F点。戴维南定理允许我们用图8的电路表示图7中两个终端（H、F）网络（Dawalibi, Southey及Baishiki B49; Dawalibi, Xiong 及Ma B50）。戴维南电压VTh为没有人时终端H和F之间的电压。戴维南阻抗ZTh为H和F点处系统电压短路时的系统阻抗。接触到H和F点的人体内流动的电流Ib表示为：图7-接触电压电路阻抗图8-接触电压电路其中，RB为人体电阻，单位W图9显示了通过变电站接地系统排放到地的故障电流If。电流Ib经过人体从一只脚F1流到另一只脚F2。终端F1和F2分别为地表上接触人两只脚的区域。戴维南定理允许我们用图10表示两端点（F1、F2）网络。戴维南电压VTh为没有人时终端F1和F2之间的电压。戴维南阻抗ZTh为终端F1和F2处系统电压短路时的系统阻抗。人体内流动的电流Ib用方程（11）表示。戴维南等效阻抗ZTh可用多种方法计算（Dawalibi, Southey及Baishiki B49; Dawalibi, Xiong及Ma B50; ERPI EL-2699 B60; Thapar, Gerez及Kejriwal B143;Laurent B97）。图9-跨步电压危险图10-跨步电压电路本导则使用下列公式计算戴维南等效阻抗。对于接触电压意外电路 (12)对于跨步电压意外电路ZTh = 2Rf (13)其中，Rf是一只脚的接地电阻（存在变电站接地系统），单位W进行电路分析时，通常将人脚作为导电金属盘，鞋袜等的接触电阻忽略。Laurent B97给出了接地电阻与金属盘半径b（m）以及匀质土壤电阻率(m)之间的关系。 (14)传统情况中，金属盘（脚）采用半径0.08m的圆板。通过略微的近似法，得出了不同情况下ZTh与的关系式如下。对于接触电压意外电路ZTh = 1.5 (15)对于跨步电压意外电路：ZTh = 6.0r (16)根据Dawalibi, Xiong, 和 Ma B50; Meliopoulos, Xia, Joy和 Cokkonides B107; 以及 Thapar, Gerez和Kejriwal B143的调查报告，方程（15）和方程（16）某种程度上对戴维南等效阻抗值评估较为保守，因而会产生较高的人体电流。根据方程（15）和方程（16），得出允许的总等效电压（即人体可承受的接触电压和跨步电压）为：Etouch =IB (RB + 1.5) ) (17)和Estep = IB (RB + 6.0) ) (18)7.4 薄表面材料层的影响方程（14）是基于匀质土壤电阻率的假设值。通常在接地网上方的土地表层上撒上一层0.080.15 m (36 in)的高阻材料来增加变电站土壤与人脚之间的接触阻力。在计算脚的接地阻抗时，由于相对于脚的等效半径表层材料的深度较浅，因此无需对垂直方向上均匀电阻率进行假设。但对于变电站内的人来说，横向上的表层材料没有限制。如果地下土的电阻率小于表层材料的，只有一些栅极电流会向上进入薄表面材料层，而且表面电压几乎与没有表层材料的相同。添加表层材料后，由于大地与脚之间的接触电阻变大，人体内的电流会大大地降低。该阻值远远小于表层材料阻值（表层材料的厚度足以让人认为所有方向上的电阻率相同）。减小幅度取决于土壤与表层材料电阻率的相对值以及表层材料的厚度。同样，逆向降额远离也正确。如果地下土的电阻率小于表层材料的，大量栅极电流会向上进入表面材料薄层。但与前一段不同的是，由于表面附近电流集中，地表电位会有很大变化。因此，在不考虑地表电位的变化时，不提升表层材料的有效电阻率。该问题可通过多层土壤分析有效解决（见第13条）。采用图像法可得到表层材料薄层上脚的接地电阻的解析表达式（Sunde B130; Thapar, Gerez及Emmanuel B142; Thapar, Gerez及Kejriwal B143）。 本指南1986年版本中方程（16）-方程（19）中给定的基脚接地电阻表达式是基于使用半球形电极的简易流程。这种简化会使基脚接地电阻产生更低的值。对于表面层深度的较低值，错误是极大的。本标准中给定的基脚接地电阻最新修订表达式是基于基脚的圆形板表示。方程（19）至方程（21）表示的是表层材料薄层上脚的接地电阻 （Thapar, Gerez及Kejriwal B143）。 (19)(20)(21)其中，Cs为表层降额因数。K为不同材料电阻率之间的反射因数。s为表层材料电阻率，单位 m为表层材料下方土壤的电阻率，单位 mhs为表层材料厚度，单位mb为圆形金属盘（脚）的半径，单位mRm(2nhs)为无限介质电阻率s 相隔距离(2nhs)的两个相似平行轴向板之间的相互接地电阻，单位 m测定Rm(2nhs)时，在x-y平面上使用一块薄圆板D1，z轴穿过其中心。板半径为b，以无限均匀介质电阻率s释放电流I。使用圆柱坐标系，任一点(r,z)的电位可用下列方程表示(Jackson B89)：将另一块类似板D2与圆形板D1平行轴向放置，间隔距离(2nh)。通过评估板表面的平均电位，确定D2上产生的电位值。用方程表示为：两块板之间的互相接地电阻Rm(2nhs)表示为：对比方程（14）和方程（19），Cs可看作是修正因数，可用于计算表层材料厚度有限时的有效脚电阻。由于在不使用电脑时数量Cs很难评估，因此预先计算了b = 0.08时的数值，图形表示见图11。图11- Cs与 hsCs值的确定也可使用电脑模型（Dawalibi, Xiong及Ma B50; Meliopoulos, Xia, Joy及Cokkonides B107）。根据图11中的数值，使用计算机模型得出的数值非常接近。以下经验公式表示Cs值。使用方程（27）得出的Cs值在使用分析方法所得值的5%范围内（Thapar, Gerez及Kejriwal B143）。8. 可承受电压标准8.1 定义注：下列定义已在条款3中列出过，但为了读者方便这里重复列出。8.1.1 地电位升（GPR）：假定在远地电位时变电站接地网相对于远接地点可能达到的最大电位值。该电压值GPR等于最大栅极电流与栅既电阻的乘积。注：正常情况下，接地的电气设备可在地电位接近零时运转。也就是说，接地中性导体的电压几乎与远地电压相等。出现接地故障时，通过变电站接地网将故障电流部分导入大地会引起远地栅极电压上升。8.1.2 网电压：接接地网中一个网孔的最大接触电压。8.1.3 金属间接触电压：变电站内可通过直接的手手接触或手脚接触连接的金属体或金属结构之间的电位差。注：传统变电站中，与接地网相连的金属体或金属结构之间的接触电压可忽略不计。但与接地网相连的金属体或金属结构之间的接触电压以及与变电站相连但与接地网不相连的金属体内部的接触电压可能会很大。如果是气体绝缘变电站（GIS），由于外壳内存在内部故障或感应电流，与接地网相连的金属体或金属结构之间的接触电压可能会很大。传统变电站中，最差的接触电压通常是最大可达距离处手脚之间的电位差。但如果是通过手手接触或手脚接触的电压，需要调查可能的最差接触情况。图12和图13为空气绝缘变电站的集中接触情况，图14为GIS中的接触情况。8.1.4 跨步电压：人体用脚连接1m距离且不接触其他接地物体时受到的表面电位差。8.1.5 接触电压：一个人站立时用一只手接触接地结构引起的地电位升（GPR）与表面电位之间的电位差。8.1.6 转移电压：接触电压的一种特殊情况，即从远地外部转移到变电站或从变电站转移到远地的电压。图12-基本的触电情况图13-扩展传递电位的典型情况图14- GIS中典型金属间接触状况8.2 典型触电情况图12和图13显示了发生故障时人与接地设施之间的五种基本情况。脚对脚接触时，意外等效电路见图9，驱动电压U等于Es（跨步电压）。图12中为三种手到脚接触示例，U分别等于Et（接触电压）、Em（网孔电压）或Etrrd（转移电压）。图14为金属到金属接触的意外电路图（手到手或者手到脚），其中U等于金属到金属的接触电压Emm。出现故障时，大地会对来自埋在地下的电网或其他永久接地电极的电流导电。产生的电位梯度会对U值产生主要影响。传统变电站中，当变电站内金属物体或金属结构未连接到接地网时，一般会出现金属间接触电压。变电站接地网范围内或附近未接地管道、导轨、栅栏等物体通常会出现接触电压。站在或接触接地物体或结构的一个人在接触变电站内未接地的另一金属物体或结构时，会产生大量的金属间接触电压。计算实际产生的金属间接触电压是很复杂的。在实际操作中，可将电位危险点与变电站电网相连，避免金属间接触产生的危险。站在变电站内的人接触远地接地导体时或者站在远地的人接触连接到变电站接地网的导体时，一般会产生转移电压。故障发生时，产生的对地电位可能会等于或大于接地网释放故障电流的GPR，而不是普通接触情况中遇到的部分电压（见图13）。事实上，正如条款17中所探讨的，由于通信电路、静电或中性线、管道上有感应电压，转移电压可能大于两个变电站的GPR之和。依据外部转移电压产生的接触电压设计接地网是不切实际的。通过使用隔离或中性设备并明确标记电路、管道，可避免外部转移电压引起的危害。8.3 跨步电压和接触电压标准故障清除和系统断电之前，人的安全取决于对所吸收电能的防护。意外电路的最大驱动电压不超过以下规定限值。跨步电压限值为：适用于50 kg的体重 适用于70 kg的体重 同样，接触电压限值为： 适用于50 kg的体重适用于70 kg的体重其中，Estep为跨步电压，单位VEtouch为接触电压，单位VCs 根据图11或方程（27）确定rs为表层材料的电阻率，单位m ts为冲击电流持续时间，单位秒如果没有保护层，那么Cs =1， s =。金属间接触电压限值是根据接触电压方程、方程（32）和方程（33）得出的。金属间接触（包括手到手和手到脚）会使s = 0。因此，意外电路的总电阻等于人体电阻RB。在方程（32）和方程（33）中将脚电阻替换为s = 0，得出金属间接触电压限值为：适用于50 kg的体重 适用于70 kg的体重其中，Emm为金属间接触电压，单位V实际的跨步电压、接触电压或金属间接触电压应当小于各自的最大允许电压限值，这样才能确保安全。通过使用隔离或中性设备并明确标记带电危险点，可避免外部转移电压引起的危害。8.4 气体绝缘变电站内的典型触电情况在对GIS的接地分析中，接触电压考虑因素中存在几个问题。与传统设施不同的是，GIS设备带有金属护套外壳，将气体绝缘开关设备和内部高压母线封闭在内。每条母线都包含在在外壳中，外壳接地。当电流通过同轴母线时，由于外护套中产生了电压，部分外壳可能会出现不同的对地电位。在评估故障时母线外壳上产生的最大电压时，需要测定外护套的对地感应系数、内导体的感应系数和相互之间的感应系数，这样才能明确不同母线的相位配置。接触GIS外护套的人可能会受到两种基本故障时的电压。a) 气体绝缘总线系统的内部故障，包括母线导体与外壳内壁之间的闪络。b) GIS外部的故障，故障电流流过GIS总线并在外壳中产生电流。由于人可能会站在接地金属栅板上并且意外电路中可能包括手到手和手到脚电流，因此GIS接地分析中需要注意金属间接触电压（见图14）。如果发生故障时不同外壳间以及外壳与其他接地结构之前的电位差不超过65130 V，大多数GIS制造商会考虑外壳设计和接地的正确性。通过金属间接触电压方程、方程（34）和方程（35）可以得出，该电压范围对应于故障时间范围0.8 s- 3.2 s（人体体重50 kg时）或1.46s-5.8s（人体体重70kg时）。其关系图见图15，有助于了解安全相关问题。确定或验证GIS接地系统的主要安全参数的故障状况和相应的等效电路详见条款10。图15-金属间接触电压限值和典型的外壳对地电压范围8.5 持续接地电流影响在确定了安全的跨步电压限值和接触电压限值之后，可根据可用的故障电流和总体故障清除时间来设计接地系统。设计师还应当考虑到持续的低故障（低于保护继电器设定值）（可能高于摆脱电流阈值）。一些高于摆脱电流但低于致颤电流阈值的持续性故障可能会使胸部肌肉长时间收缩，从而引起窒息。但是又很难设计出既能出现疼痛感而又不产生永久伤害性电流的防止小型触点的系统。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，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接地故障电流引导入大地。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 接地垫：一块实心的金属板或一个密集的裸导体系统，它们与接地网相连，并常常埋深浅，位于接地网上方、或者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格栅，或直接放置地面材料下面的铁丝网是接地垫的常见形式。9.1.4接地网: 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接地。注：水平埋设在地面附近的接地网，在控制地表电位梯度方面也是有效的。一个典型的接地网通常补充了许多接地棒且可能与辅助电极进一步联接，以便降低它相对于远方大地的电阻。9.1.5 接地系统: 在一个指定的区域，由互相连接的所有接地装置组成的系统。9.1.6 主接地极: 按接地系统的明确设计要求（或隐含要求），经过专门设计或改造，用于释放（通常以一定的