ETAP軟件在電廠接地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

潘淑杰

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

ETAP軟件在電廠接地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

潘淑杰

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

本文從建立工程、建立模型、輸入?yún)?shù)、輸出結(jié)果四方面對(duì)ETAP軟件在發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)論述；經(jīng)過(guò)分析，表明了ETAP軟件在接地設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)及目前存在的問(wèn)題。最后以工程實(shí)例為基礎(chǔ)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)今后工程的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

接地設(shè)計(jì)；接地模型；接地參數(shù)；ETAP。

電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，對(duì)于電廠接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式方法與實(shí)際結(jié)果相差較大。對(duì)電廠接地網(wǎng)再沿用經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)不能滿足要求。必須采用新的方法以適應(yīng)發(fā)展的需要，從而達(dá)到運(yùn)行安全可靠，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理的目的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，有必要從傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)變到采用計(jì)算機(jī)精確設(shè)計(jì)，使電廠接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

ETAP經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)與發(fā)展，已經(jīng)成為工程師廣泛使用的處理工業(yè)領(lǐng)域及電力系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的工具。ETAP軟件的接地模塊依據(jù)國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)IEEE編寫(xiě)，具有參數(shù)設(shè)置詳細(xì)、模型設(shè)置準(zhǔn)確、輸出結(jié)果較完善、便于分析的優(yōu)點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)表明，在美國(guó)64家核電站的接地設(shè)計(jì)中有51家使用ETAP。

1 ETAP接地模塊的使用

采用ETAP接地模塊設(shè)計(jì)接地網(wǎng)由建立工程、建立模型、輸入?yún)?shù)、輸出結(jié)果四部分組成，以下將介紹ETAP接地模塊的使用方法。

1.1 建立工程

啟動(dòng)ETAP計(jì)算程序，點(diǎn)擊新建工程，在對(duì)話框中輸入工程名稱，點(diǎn)擊確定生成工程文件，根據(jù)需要，在新建工程對(duì)話框中應(yīng)選擇米制或英制。

1.2 建立模型

在生成工程文件窗口中選擇OLV1窗口，進(jìn)入編輯模式。從單線圖中的交流設(shè)備工具條中點(diǎn)擊接地網(wǎng)系統(tǒng)并拖動(dòng)即可。可以對(duì)元件進(jìn)行拷貝、剪切、粘貼、刪除、重命名等操作。雙擊模型可以調(diào)用ETAP接地網(wǎng)設(shè)計(jì)編輯器。

ETAP接地模塊采用IEEE 80標(biāo)準(zhǔn)的公式法計(jì)算等間距接地網(wǎng)，采用有限元算法計(jì)算不等間距接地網(wǎng)。在分析模式中選擇需要的設(shè)計(jì)方法(IEEE 80法或有限元法)，點(diǎn)擊確定，進(jìn)入到接地網(wǎng)系統(tǒng)程序中。在該程序中可編輯接地網(wǎng)的形狀、材料及其他相關(guān)參數(shù)。

1.3 輸入?yún)?shù)

(1)輸入土壤電阻率參數(shù)

雙擊土壤模型編輯器，在窗口中輸入土壤電阻率模型的計(jì)算值。并選擇合適的土壤絕緣保護(hù)層將其深度及土壤電阻率輸入。

(2)輸入接地網(wǎng)參數(shù)

從編輯工具條中選擇合適的功能模型并放置于接地網(wǎng)系統(tǒng)的表層視圖中。在表層視圖中雙擊導(dǎo)體可彈出其電子數(shù)據(jù)表編輯器。從而對(duì)接地網(wǎng)導(dǎo)體的類型、截面、導(dǎo)體埋設(shè)深度等進(jìn)行編輯。

(3)計(jì)算用相關(guān)參數(shù)

接地計(jì)算編輯器包括平均體重，周圍溫度，故障電流時(shí)間，計(jì)算入地電流的相關(guān)參數(shù)(如零序故障電流，分流系數(shù)，抗阻比)等。ETAP允許對(duì)IEEE 80法或有限元法創(chuàng)建或保存多個(gè)分析案例。創(chuàng)建一個(gè)新的接地網(wǎng)系統(tǒng)分析案例，只要在工具條的分析案例菜單中選定新建就可以了。

至此，接地計(jì)算所需的數(shù)據(jù)輸入完成，可以進(jìn)行接地計(jì)算了。

1.4 接地計(jì)算及結(jié)果輸出

參數(shù)輸入完成，檢查無(wú)誤后，點(diǎn)擊接地計(jì)算按鈕，并輸入計(jì)算結(jié)果所在文檔的名稱。計(jì)算完畢自動(dòng)顯示接地電壓升、跨步電壓、接觸電壓以及接地電阻值的計(jì)算結(jié)果。ETAP接地模塊能以三維圖的形式顯示計(jì)算結(jié)果，并可在圖中用不同的顏色標(biāo)出越限電壓，還可以生成報(bào)表。通過(guò)接地報(bào)告管理器可以輸出簡(jiǎn)要或完整的接地設(shè)計(jì)報(bào)告，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)所用的材料量。選擇不同的選項(xiàng)，可顯示想要輸出的內(nèi)容，并將其保存在最初新建工程目錄下。

2 ETAP接地模塊的分析

基于經(jīng)驗(yàn)公式的傳統(tǒng)手算方法設(shè)計(jì)計(jì)算接地網(wǎng)具有一定的局限性。尤其是電廠對(duì)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性要求較高，傳統(tǒng)的近似公式算法已不能滿足設(shè)計(jì)深度要求。采用軟件可以準(zhǔn)確的搭建模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果較之前更為準(zhǔn)確。

2.1 IEEE算法簡(jiǎn)介

ETAP接地模塊的IEEE算法基于IEEE80－2000的公式編寫(xiě)，適用于等間距布置的規(guī)則接地網(wǎng)，對(duì)不等間距或不規(guī)則的接地網(wǎng)，只能等效或粗略計(jì)算。文獻(xiàn)將不規(guī)則接地網(wǎng)等效后用ETAP接地模塊的IEEE算法進(jìn)行了計(jì)算。

2.2 有限元方法簡(jiǎn)介

有限元法是一種數(shù)值計(jì)算法，其計(jì)算機(jī)理是將區(qū)域離散后對(duì)每個(gè)單元建立微分方程，將各個(gè)微分方程線性化后聯(lián)立形成整體計(jì)算矩陣。具有不改變?cè)Ｐ?，求得的?shù)值解可無(wú)限接近精確解；可解分層介質(zhì)中的電磁場(chǎng)，處理較簡(jiǎn)單；不受場(chǎng)域邊界形狀的限制等優(yōu)點(diǎn)。在分析接地網(wǎng)的特性時(shí)，有限元法在很多方面優(yōu)于其他分析方法，其可按實(shí)際劃分區(qū)域，也可處理分層土壤及其它特殊地形。因此，應(yīng)用有限元法還可十分方便地考慮土壤結(jié)構(gòu)、土壤電阻率、地網(wǎng)埋深及短路電流入地點(diǎn)因素對(duì)地網(wǎng)特性的影響。

有限元法計(jì)算地中電流的分布既可算出地電位的分布情況，對(duì)計(jì)算工頻回流時(shí)的工頻接地電阻及雷過(guò)電壓下的沖擊接地電阻有重要參考價(jià)值，也可供交流系統(tǒng)接地設(shè)施的設(shè)計(jì)研究參考。由于接地網(wǎng)的工頻交流接地電阻與直流接地電阻非常接近，因此可近似利用接地網(wǎng)在直流激勵(lì)下的響應(yīng)代替工頻激勵(lì)下的響應(yīng)。

3 對(duì)ETAP接地模塊的評(píng)價(jià)

3.1 ETAP接地模塊的優(yōu)點(diǎn)

ETAP軟件的接地模塊具有參數(shù)設(shè)置詳細(xì)、模型設(shè)置準(zhǔn)確、輸出結(jié)果較完善、便于分析的優(yōu)點(diǎn)。

(1)提供了三維視圖，并與接線圖相結(jié)合，可以使設(shè)計(jì)者形象地看到設(shè)計(jì)出的接地系統(tǒng)。

(2)可以選用IEEE 80算法或有限元算法進(jìn)行接地網(wǎng)分析計(jì)算。

(3)可將接地電壓升、跨步電壓、接觸電壓以二維或三維圖形顯示出來(lái)，并可在圖中用不同的顏色標(biāo)出越限電壓，還可以生成報(bào)表。

3.2 ETAP接地模塊目前存在的問(wèn)題

(1) ETAP所包含的接地模塊不具有土壤電阻率分析功能，計(jì)算中所采用的土壤電阻率值是手動(dòng)輸入的，對(duì)于兩層土壤模型必須計(jì)算出上層土壤深度，手動(dòng)填入該值才能計(jì)算。

(2) ETAP接地模塊并不能精確計(jì)算出接地網(wǎng)任意一點(diǎn)的跨步電壓和接觸電壓，只是在三維圖中粗略顯示出來(lái)，從而不利于分析電壓越限區(qū)域。

(3) ETAP接地模塊目前最多只能進(jìn)行兩層土壤電阻率情況下的接地網(wǎng)計(jì)算，對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，若需要建立三層或以上的土壤電阻率模型，則目前不能應(yīng)用ETAP接地模塊計(jì)算。

(4) ETAP接地模塊的跨步電壓、接觸電壓的限值是根據(jù)IEEE 80－2000標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的，與國(guó)標(biāo)GB/T 50065－2011規(guī)定的適合我國(guó)國(guó)情的跨步電壓、接觸電壓限值有所不同。若采用ETAP進(jìn)行國(guó)內(nèi)工程得設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)引起注意，跨步電壓、接觸電壓的限值可根據(jù)需要手算。

4 工程實(shí)例

以某涉外工程為例，采用ETAP 7.5軟件接地模塊進(jìn)行接地計(jì)算。

輸入條件：IG＝47.71 kA，X/R＝40，tc＝0.5s，Sf＝60%。水平接地導(dǎo)體采用截面150 mm2的軟拉裸銅絞線，垂直接地極采用長(zhǎng)2.44 m直徑為1.72 cm的鍍銅鋼棒。接地計(jì)算的區(qū)域?yàn)?1、2號(hào)機(jī)汽機(jī)房、鍋爐房、變壓器區(qū)域以及輔助車間。對(duì)測(cè)得的26個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壤電阻率在不同深度取均值，得表1。

表1 土壤電阻率均值計(jì)算

采用雙層土壤電阻率模型，經(jīng)計(jì)算，上層土壤電阻率ρ1＝40 Ωm，下層土壤電阻率ρ2＝120Ωm，上層土壤深度h＝7.67 m。根據(jù)廠區(qū)布置情況，主接地網(wǎng)的布置見(jiàn)圖1。

圖1 主接地網(wǎng)布置圖

將圖1主接地網(wǎng)等效為等間距布置的規(guī)則形狀的接地網(wǎng)，見(jiàn)圖2。用ETAP接地模塊的IEEE 80算法和有限元算法分別計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

ETAP接地模塊的IEEE 80法與有限元法的計(jì)算對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 ETAP等效接地網(wǎng)布置圖(規(guī)則網(wǎng)格)

表2 規(guī)則網(wǎng)格接地計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表2的計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于同一個(gè)接地網(wǎng)，采用相同的輸入條件，有限元算法的計(jì)算結(jié)果比IEEE 80的公式法的計(jì)算結(jié)果保守。

將圖1的接地網(wǎng)在ETAP中進(jìn)行精確等效，見(jiàn)圖3，并采用有限元法計(jì)算。

圖3 ETAP等效接地網(wǎng)布置圖(不規(guī)則網(wǎng)格)

有限元法計(jì)算等間距規(guī)則形狀接地網(wǎng)與計(jì)算不等間距不規(guī)則形狀接地網(wǎng)的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 規(guī)則與不規(guī)則接地網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)IEEE80－2000，對(duì)于體重50 kg的人，其跨步電壓、接觸電壓的限值分別為203.4 V、173.9 V，對(duì)于規(guī)則地網(wǎng)和不規(guī)則地網(wǎng)兩種模型，其跨步電壓都滿足要求，接觸電位都越限。

從表3的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在計(jì)算結(jié)果幾乎相同的情況下，不規(guī)則地網(wǎng)模型比規(guī)則地網(wǎng)節(jié)省水平接地體2810 m(截面150 mm2的軟拉裸銅絞線)，垂直接地極34 m(直徑1.72 cm的鍍銅鋼棒)。經(jīng)計(jì)算節(jié)省水平接地體23.7%，垂直接地極23.6%。

5 結(jié)論

由于占地面積等條件的限制且考慮到經(jīng)濟(jì)性，目前發(fā)電廠的主接地網(wǎng)很少采用等間距或規(guī)則的不等間距布置，因此基于經(jīng)驗(yàn)公式的傳統(tǒng)手算方法具有一定的局限性。發(fā)電廠接地網(wǎng)面積大，土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，

采用軟件可以準(zhǔn)確的搭建模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果較之前更為準(zhǔn)確。同時(shí)能夠滿足設(shè)計(jì)需要，有利于標(biāo)準(zhǔn)化工作。

通過(guò)本文第4部分工程算例的計(jì)算結(jié)果證明，ETAP應(yīng)用于大型地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可大幅節(jié)省工程投資，使設(shè)計(jì)方案趨向最優(yōu)。

[1]陳媛， 文習(xí)山．有限元法計(jì)算地中交流電流分布[J]．高電壓技術(shù)，2006，32(4)．

[2]IEEE 80－2000 Guide for Safety in AC Substation Grounding[S]．

[3]GB/T 50065－2011 交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[4]鄭明．基于ETAP的高土壤電阻率地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)接地問(wèn)題分析[J]．電工技術(shù)，2011，4．

[5]劉純，唐葦葦．基于IEEE Std．80－2000變電所接地網(wǎng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)析[J]．水運(yùn)工程，2013，10．

[6]水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院．電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè) 電氣一次部分[K]．北京：中國(guó)電力出版社，1989．

[7]魯志偉，等．大型變電站接地網(wǎng)工頻接地參數(shù)的數(shù)值計(jì)算[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23 (12)．

[8]F Dawalibi，N Barbeito．Measurements and computations of the performance of grounding systems buried in multi－layer soils[J]．IEEE Transactions on PowerDelivery，1991，6 (4)．

Applications of ETAP Software to Grounding Designs of Power Plants

PAN Shu-jie
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China)

This paper discusses the applications of ETAP to grounding designs of power plants detailedly from establishing engineering,model building,input parameter and output result.After analyzes,it is indicated that some advantages and existing shortcomings of ETAP in grounding designs.Finally,it is based on engineering examples to verify.It is instructional to grounding grid design calculations of engineerings.

grounding design; grounding model; grounding parameter; ETAP.

TM621

B

1671-9913(2016)04-0043-04

2016-02-02

潘淑杰(1982- )，女，山東濰坊人，碩士，工程師，主要從事發(fā)電廠電氣一次部分設(shè)計(jì)工作。