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)更加簡化和便捷，同時，ETAP軟件擴(kuò)大了不同類型余熱電站接地網(wǎng)的接地參數(shù)的計(jì)算，并可對余熱電站接地網(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)問題。不少余熱電站項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時，水泥生產(chǎn)線、鋼鐵生產(chǎn)線等的工藝車間已經(jīng)建成并投入運(yùn)行，致使余熱電站系統(tǒng)的各個子車間只能布置在水泥、鋼鐵生產(chǎn)線的各個生產(chǎn)車間的空隙中。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，需要對余熱電站接地網(wǎng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，對接地系統(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——水平接地極的埋沒深度，m

L0——水平接地網(wǎng)的外緣邊線總長度，m

L——接地極的總長度，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，由于上述公式?jīng)]有計(jì)算垂直接地極對接地網(wǎng)的影響，此時使用上述公式，對接地網(wǎng)的參數(shù)計(jì)算存在誤差。

對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——水平接地極的埋沒深度，m

L0——水平接地網(wǎng)的外緣邊線總長度，m

L——接地極的總長度（L=LS+LC），m

LS——水平接地極的總長度，m

LC——垂直接地極的總長度，m

k——LS對L的比值：k=LS/L

l——單根垂直接地極的平均長度，m

當(dāng)l=0（LC=0）即水平接地網(wǎng)時，則有L=LS，k=1，式（7）化簡即為式（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軟件是一款在國際上廣泛使用的電氣分析計(jì)算軟件。ETAP軟件可以對電力系統(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，方便對設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)進(jìn)行觀察和調(diào)整。

針對接地網(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）通過余熱電站項(xiàng)目的總平面布置圖，確定余熱電站主車間和室外電氣設(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)自動生成接地網(wǎng)的三維布置圖（見圖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軟件會給出警告信息。此時，可以根據(jù)此警告信息，針對未滿足要求的接地網(wǎng)參數(shù)，對初步設(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還提供對接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化的功能。ETAP軟件對接地網(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

利用ETAP軟件，可以對余熱電站項(xiàng)目接地網(wǎng)進(jìn)行快捷的設(shè)計(jì)和計(jì)算，同時對余熱發(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)的若干存在問題及對策[J].甘肅電力技術(shù)，2011，（1）：24-27.

[2]楊勻陽，張春暉，等.某110kV變電站接地網(wǎng)問題分析與改造措施[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何小龍與越南山河礦山公司董事長陳庭青分別代表雙方在合同書上簽字。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期致力于越南礦產(chǎn)資源的開發(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υ擁?xiàng)目也非常重視，特別委派省委秘書長梅文專出席了簽約儀式，并表示祝賀。

業(yè)主選擇天津院作為該項(xiàng)目的總承包方，充分說明了天津院在越南市場的聲譽(yù)和影響力。該項(xiàng)目的簽訂，對于天津水泥院有限公司開拓越南市場，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