周慶忠

ETAP軟件在余熱電站接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

Application of ETAP Software in the Design of Grounding Grid of Waste Heat Power Station

周慶忠

對(duì)余熱電站接地網(wǎng)的完善設(shè)計(jì)保證了余熱電站系統(tǒng)的可靠性和安全運(yùn)行，利用ETAP軟件可使余熱電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化和便捷，同時(shí)，ETAP軟件擴(kuò)大了不同類(lèi)型余熱電站接地網(wǎng)的接地參數(shù)的計(jì)算，并可對(duì)余熱電站接地網(wǎng)在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

余熱電站；接地網(wǎng)；ETAP；接地網(wǎng)參數(shù)計(jì)算

1 概述

隨著余熱電站技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，余熱電站在水泥、鋼鐵、玻璃等行業(yè)的配套建設(shè)越來(lái)越普遍，余熱電站的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)面臨不少現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。不少余熱電站項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)，水泥生產(chǎn)線、鋼鐵生產(chǎn)線等的工藝車(chē)間已經(jīng)建成并投入運(yùn)行，致使余熱電站系統(tǒng)的各個(gè)子車(chē)間只能布置在水泥、鋼鐵生產(chǎn)線的各個(gè)生產(chǎn)車(chē)間的空隙中。同樣，余熱電站系統(tǒng)的接地網(wǎng)布置受到水泥、鋼鐵等工藝車(chē)間布置的影響，接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)也受到較大的限制。如果余熱電站的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理，接地網(wǎng)的接地參數(shù)滿足不了規(guī)范中的安全性要求，不僅危害設(shè)備和人身安全，而且影響余熱電站的可靠安全運(yùn)行[1]。余熱電站接地網(wǎng)的布置結(jié)構(gòu)通常采用復(fù)合接地網(wǎng)形式[2]。采用復(fù)合接地網(wǎng)有利于降低接地網(wǎng)的接地電阻等參數(shù)。

為保證余熱電站接地網(wǎng)的接地電阻值、接觸電壓和跨步電壓等各設(shè)計(jì)值滿足規(guī)范要求，保證運(yùn)行人員的人身安全，確保余熱電站項(xiàng)目的安全運(yùn)行，需要對(duì)余熱電站接地網(wǎng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，對(duì)接地系統(tǒng)的各設(shè)計(jì)值進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

2 接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算

在GB 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中，提供了對(duì)接地網(wǎng)的接地電阻的計(jì)算公式[3]：

Rn——任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻，Ω

Re——等值（即等面積、等水平接地極總長(zhǎng)度）方形接地網(wǎng)的接地電阻，Ω

ρ——土壤電阻率，Ω·m

S——接地網(wǎng)的總面積，m2

d——水平接地極的直徑或等效直徑，m

h——水平接地極的埋沒(méi)深度，m

L0——水平接地網(wǎng)的外緣邊線總長(zhǎng)度，m

L——接地極的總長(zhǎng)度，m

上述公式是在以水平接地極為主的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案中使用。在這種接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案中，垂直接地極的占比很小。當(dāng)接地網(wǎng)中存在相當(dāng)數(shù)量的垂直接地極時(shí)，由于上述公式?jīng)]有計(jì)算垂直接地極對(duì)接地網(wǎng)的影響，此時(shí)使用上述公式，對(duì)接地網(wǎng)的參數(shù)計(jì)算存在誤差。

對(duì)增加垂直接地極的水平接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算，王洪澤提出如下公式[4]：

式中：

Rnc——任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻，Ω

Rec——等值（即等面積、等水平接地極長(zhǎng)度）方形接地網(wǎng)的接地電阻，Ω

ρ——土壤電阻率，Ω·m

S——水平接地網(wǎng)的總面積，m2

d——水平接地極的直徑或等效直徑，m

h——水平接地極的埋沒(méi)深度，m

L0——水平接地網(wǎng)的外緣邊線總長(zhǎng)度，m

L——接地極的總長(zhǎng)度（L=LS+LC），m

LS——水平接地極的總長(zhǎng)度，m

LC——垂直接地極的總長(zhǎng)度，m

k——LS對(duì)L的比值：k=LS/L

l——單根垂直接地極的平均長(zhǎng)度，m

當(dāng)l=0（LC=0）即水平接地網(wǎng)時(shí)，則有L=LS，k=1，式（7）化簡(jiǎn)即為式（3）。

從式（1）～式（8）中可分析得出如下結(jié)論：

（1）式（5）～式（8）的使用范圍更加廣泛，其考慮了垂直接地極對(duì)接地網(wǎng)的影響，故可以計(jì)算安裝垂直接地極的復(fù)合接地系統(tǒng)的接地電阻。

（2）式（1）～式（4）和式（5）～式（8）均適用于單土壤電阻率情況下的復(fù)合接地系統(tǒng)的接地電阻計(jì)算，但不適用于兩層及三層等多土壤電阻率的復(fù)合接地系統(tǒng)的接地電阻計(jì)算。

3 ETAP在接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

ETAP軟件是一款在國(guó)際上廣泛使用的電氣分析計(jì)算軟件。ETAP軟件可以對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流仿真計(jì)算、短路分析、諧波分析、繼電保護(hù)配合驗(yàn)算等各種電氣計(jì)算和仿真，功能全面，能為發(fā)電、輸配電和工業(yè)電力電氣系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、運(yùn)行、模擬提供較為全面的分析平臺(tái)和解決方案[5]。

接地網(wǎng)的仿真計(jì)算是ETAP軟件的功能之一。在ETAP的接地網(wǎng)計(jì)算功能中，提供了圖形化的設(shè)計(jì)環(huán)境、接地網(wǎng)參數(shù)的計(jì)算分析功能和接地網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化功能。在圖形化的設(shè)計(jì)環(huán)境下，可以直觀地顯示接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)布置，方便對(duì)設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)進(jìn)行觀察和調(diào)整。

針對(duì)接地網(wǎng)的參數(shù)計(jì)算，ETAP軟件提供了四種計(jì)算方法[6]：有限元法（FEM），IEEE80-1986，IEEE80-2000和IEEE665-1995。

在余熱電站項(xiàng)目的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)中，以較為常用的IEEE80-2000算法為例，使用EATP軟件對(duì)接地網(wǎng)的接地電阻值進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。驗(yàn)證計(jì)算按照如下步驟和設(shè)置進(jìn)行：

（1）通過(guò)余熱電站項(xiàng)目的總平面布置圖，確定余熱電站主車(chē)間和室外電氣設(shè)備的布置位置以及電氣室建筑面積等建設(shè)條件；收集余熱電站項(xiàng)目所在地的地層土壤分布情況和土壤電阻率數(shù)據(jù)，余熱電站電力系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下的短路電流等設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)，初步確定余熱電站接地網(wǎng)的位置和規(guī)模大小。

（2）在ETAP軟件接地計(jì)算程序中，計(jì)算方法選擇IEEE80-2000，設(shè)置余熱電站電力系統(tǒng)的短路電流大小和短路電流持續(xù)時(shí)間等短路參數(shù)。

（3）選擇余熱電站項(xiàng)目接地網(wǎng)系統(tǒng)中水平接地體和垂直接地體等接地材料的材質(zhì)及規(guī)格尺寸，ETAP軟件自行檢查接地體材料是否滿足系統(tǒng)的短路電流和短路時(shí)間的要求。如果接地材料的尺寸等不滿足系統(tǒng)短路電流的要求，ETAP軟件給出警告提示。

（4）初步進(jìn)行接地網(wǎng)設(shè)計(jì)，確定接地網(wǎng)的外形尺寸、水平接地體的配置數(shù)量和垂直接地體的配置數(shù)量。ETAP軟件根據(jù)設(shè)定的短路電流、短路電流持續(xù)時(shí)間、接地網(wǎng)的規(guī)模尺寸、水平接地極和垂直接地極的數(shù)量等參數(shù)自動(dòng)生成接地網(wǎng)的三維布置圖（見(jiàn)圖1）。在接地網(wǎng)三維布置圖窗口中，可以自由旋轉(zhuǎn)接地網(wǎng)三維視圖，方便對(duì)初步設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)進(jìn)行觀察。

圖1 接地網(wǎng)三維視圖示例

（5）設(shè)置接地網(wǎng)所處區(qū)域的土壤電阻率，根據(jù)項(xiàng)目土壤的不同情況，最多可以設(shè)置三層不同土壤電阻率的土壤環(huán)境，模擬接地網(wǎng)真實(shí)的土壤環(huán)境（見(jiàn)圖2）。

圖2 3層土壤電阻率模型示例

（6）利用ETAP計(jì)算接地網(wǎng)的接地電阻值大小，接地網(wǎng)的跨步電壓和接觸電壓，接地網(wǎng)的地面電位（見(jiàn)圖3）。計(jì)算系統(tǒng)的接地電阻，判斷初步設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)是否滿足規(guī)范要求；計(jì)算接地網(wǎng)的跨步電壓和接觸電壓，判斷初步設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)是否滿足安全性的要求。如果初步設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)的上述參數(shù)有任一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不滿足要求，ETAP軟件會(huì)給出警告信息。此時(shí)，可以根據(jù)此警告信息，針對(duì)未滿足要求的接地網(wǎng)參數(shù)，對(duì)初步設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)配置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，直到設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)的參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

（7）在余熱電站的接地網(wǎng)的接地電阻值、接觸電壓和跨步電壓等參數(shù)均滿足規(guī)范要求的前提下，ETAP還提供對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化的功能。ETAP軟件對(duì)接地網(wǎng)的水平接地體和垂直接地體重新進(jìn)行布置，經(jīng)過(guò)優(yōu)化布置的接地系統(tǒng)，可以降低接地網(wǎng)的材料成本，提高余熱電站項(xiàng)目接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

（8）最后，ETAP軟件針對(duì)滿足規(guī)范要求的接地網(wǎng)，輸出一份接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)報(bào)告。此報(bào)告完整地說(shuō)明了接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的前提條件，包括接地網(wǎng)的系統(tǒng)短路電流大小及系統(tǒng)短路電流持續(xù)時(shí)間，土壤電阻率等參數(shù)，接地網(wǎng)的配置形式（包括接地網(wǎng)的水平接地體和垂直接地體的材料規(guī)格和各類(lèi)接地材料用量），以及接地網(wǎng)的滿足規(guī)范安全性等要求的參數(shù)的計(jì)算（包括接地網(wǎng)的接地電阻值、跨步電壓和接觸電壓、接地網(wǎng)的地面電位等參數(shù)）。

圖3 接觸電壓、跨步電壓、接地電阻和地面電位計(jì)算結(jié)果示例

4 結(jié)語(yǔ)

利用ETAP軟件，可以對(duì)余熱電站項(xiàng)目接地網(wǎng)進(jìn)行快捷的設(shè)計(jì)和計(jì)算，同時(shí)對(duì)余熱發(fā)電項(xiàng)目的接地系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析，并在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，提高接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

[1]杜小軍.淺談變電站接地網(wǎng)的若干存在問(wèn)題及對(duì)策[J].甘肅電力技術(shù)，2011，（1）：24-27.

[2]楊勻陽(yáng)，張春暉，等.某110kV變電站接地網(wǎng)問(wèn)題分析與改造措施[J].供用電，2014，（11）：57-60.

[3]GB50065-2011，交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]王洪澤.任意形狀復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻的計(jì)算[J].廣西電力建設(shè)科技信息，1999，4（88）：1-4.

[5]馮煜，王雷，等.電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP的特性與功能簡(jiǎn)介[J].供用電，2005，22（5）：23-26.

[6]黃大為，張鵬宇，等.基于ETAP的復(fù)合接地網(wǎng)電阻分析[J].黑龍江科技信息，2016，（2）.■

天津水泥院有限公司簽約越南青山水泥廠EPC總承包項(xiàng)目

8月16日在越南青化省，天津水泥院有限公司與越南山河礦山開(kāi)采股份有限公司就越南青山水泥廠（THANH SON CEMENT PLANT）EPC總承包合同舉行了隆重的簽約儀式。天津水泥院有限公司董事長(zhǎng)何小龍與越南山河礦山公司董事長(zhǎng)陳庭青分別代表雙方在合同書(shū)上簽字。該項(xiàng)目合同范圍為從原料輸送到水泥包裝發(fā)運(yùn)的一條完整的3 000t/d熟料的水泥生產(chǎn)線，這是該公司第一條水泥生產(chǎn)線。

越南山河礦山公司長(zhǎng)期致力于越南礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)與利用，在越南礦業(yè)領(lǐng)域具有很大的影響力。當(dāng)?shù)卣畬?duì)該項(xiàng)目也非常重視，特別委派省委秘書(shū)長(zhǎng)梅文專(zhuān)出席了簽約儀式，并表示祝賀。

業(yè)主選擇天津院作為該項(xiàng)目的總承包方，充分說(shuō)明了天津院在越南市場(chǎng)的聲譽(yù)和影響力。該項(xiàng)目的簽訂，對(duì)于天津水泥院有限公司開(kāi)拓越南市場(chǎng)，擴(kuò)大在東南亞的影響力具有重要意義。

TQ172.622.22

A

1001-6171（2017）05-0096-04

2017-03-24； 編輯：趙 蓮