基于計(jì)算機(jī)仿真的電解鋁廠接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

張世全

(黃河鑫業(yè)有限公司,青海 西寧 811600)

在電力系統(tǒng)中,為了保護(hù)人身和設(shè)備的安全,接地保護(hù)是一種常見(jiàn)通用的保護(hù)方式。近年來(lái),電解鋁廠規(guī)模不斷擴(kuò)大,隨著電力系統(tǒng)故障電流水平的提高,接地系統(tǒng)的安全性成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。電解鋁廠接地網(wǎng)受場(chǎng)地和土壤條件的限制,接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)將受到很大的影響,如果仍采用設(shè)計(jì)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行接地網(wǎng)設(shè)計(jì),結(jié)果往往與實(shí)際情況相差較大,這必然導(dǎo)致電解鋁廠接地網(wǎng)設(shè)計(jì)不合理,接地網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)不能滿足規(guī)范要求,這樣不僅會(huì)危害人身和設(shè)備安全,同時(shí)也會(huì)影響到電解鋁生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,各種仿真軟件已經(jīng)成為電氣工程師進(jìn)行電力系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的得力助手。本文介紹的ETAP軟件完全符合國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)IEEE,可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)系統(tǒng)的仿真計(jì)算分析,其中包括幾個(gè)重要部分如:接地電阻計(jì)算、接觸電壓和跨步電壓的校驗(yàn)。在滿足接地網(wǎng)安全性的基礎(chǔ)上,同時(shí)兼顧投資的經(jīng)濟(jì)性,它是解決電解鋁廠接地網(wǎng)設(shè)計(jì)難題的一件“利器”。

1 計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)接地網(wǎng)算法

計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真平臺(tái)ETAP軟件在接地網(wǎng)校驗(yàn)算法上以IEEE Std 80-2000《交流變電站安全接地導(dǎo)則》為技術(shù)基礎(chǔ),根據(jù)實(shí)際研究接地對(duì)象的不同,選擇IEEE 80算法或采用有限元算法(FEM),用來(lái)校驗(yàn)該接地區(qū)域內(nèi)的最大接觸電壓和最大跨步電壓,使它們的取值范圍能夠完全滿足最大允許值,并對(duì)其進(jìn)行有關(guān)相應(yīng)的接地計(jì)算,計(jì)算出額定電阻值。

一個(gè)接地網(wǎng)只有一個(gè)接地電阻,通過(guò)接地網(wǎng)入地的電流不同對(duì)地電位也不同,對(duì)于同一個(gè)接地網(wǎng)和同一個(gè)入地電流接地網(wǎng)表面各點(diǎn)的接觸電壓和跨步電壓都不同,通常只需要最大的點(diǎn)不超過(guò)允許值即可。

不同形狀接地體工頻接地電阻計(jì)算:

水平接地網(wǎng)接地電阻R1:

式中:ρ——土壤電阻率;

Lc——所有水平接地體長(zhǎng)度;

a——水平接地體直徑;

A——水平接地網(wǎng)面積;

k1,k2——形狀系數(shù)。

所有垂直接地體接地電阻R2:

式中:Lr——每根垂直接地體長(zhǎng)度;

b——垂直接地體直徑;

nr——水平接地體數(shù)目。

水平接地網(wǎng)和垂直接地體組接地電阻Rm:

接地網(wǎng)總接地電阻Rg:

評(píng)估接地網(wǎng)參數(shù)是否完全符合要求的兩個(gè)指標(biāo)除了接地網(wǎng)的接地電阻外,還包括接觸電壓和跨步電壓。

人體允許的最大接觸電壓計(jì)算:當(dāng)人去觸摸設(shè)備時(shí)流過(guò)人體的電流是人體允許通過(guò)的最大電流時(shí),加在人體上的電壓就是人體允許的最大接觸電壓。這時(shí)候人的兩腳都著地,相當(dāng)于兩腳和地的接觸電阻并聯(lián),人體實(shí)際與地面的接觸電阻為Rf/2,計(jì)算公式為:

Etouch=IB(RB+1.5ρ)

式中:IB——人體允許流過(guò)的最大電流;

RB——人體電阻(通常取1000 Ω);

ρ——土壤接觸電阻率。

人體允許的最大跨步電壓計(jì)算:當(dāng)人體在接地網(wǎng)上方地面行走時(shí)流過(guò)人體的電流是人體允許通過(guò)的最大電流時(shí),加在人兩腿上的電壓就是人體允許的最大跨步電壓。這時(shí)候人的兩腳都著地,相當(dāng)于兩腳和地的接觸電阻串聯(lián),人體實(shí)際與地面的接觸電阻為2Rf,計(jì)算公式為:

Estep=IB(RB+6.0ρ)

2 計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)流程

計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真平臺(tái)ETAP軟件是以一個(gè)工程為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行管理和工作的。ETAP為交互式接地網(wǎng)系統(tǒng)仿真計(jì)算提供了獨(dú)立的分析和計(jì)算方法以及存儲(chǔ)接地材料和聯(lián)結(jié)數(shù)據(jù)的獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù),這些交互式接地網(wǎng)界面窗口全部采用圖形化操作,每個(gè)接地材料的工程特性都可以在這些窗口中直接進(jìn)行編輯,分析和計(jì)算結(jié)果也會(huì)根據(jù)實(shí)際情況在界面窗口中顯示出來(lái)。接地網(wǎng)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 接地網(wǎng)設(shè)計(jì)流程圖

2.1 導(dǎo)入文件建立工程

首先要基于CAD軟件完成接地網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并轉(zhuǎn)換成ETAP可以應(yīng)用的XML類型文件,導(dǎo)入到ETAP數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)行ETAP軟件,點(diǎn)擊“新建工程”,選擇輸入工程項(xiàng)目名稱,單位系統(tǒng)選擇為“米制”,最后選擇工程文件保存路徑,并可根據(jù)需要設(shè)置本工程管理的登錄密碼。打開(kāi)ETAP軟件的編輯模式,在功能模塊欄選擇創(chuàng)建“接地網(wǎng)系統(tǒng)”模塊,根據(jù)工程實(shí)際情況選擇計(jì)算方法。其中IEEE 80標(biāo)準(zhǔn)公式算法適用于規(guī)則等間距接地網(wǎng)計(jì)算,有限元算法(FEM)適用于不規(guī)則不等間距接地網(wǎng)計(jì)算。

2.2 建立接地網(wǎng)模型

在仿真模式下,左鍵單擊工具欄中“新建文件”圖標(biāo),導(dǎo)入上述生成的接地網(wǎng)系統(tǒng)XML類型文件,并設(shè)置仿真的相關(guān)參數(shù),如:環(huán)境溫度;總故障電流持續(xù)時(shí)間(tf);對(duì)于接地導(dǎo)體的持續(xù)時(shí)間(tc);對(duì)于有效通過(guò)人體電流的持續(xù)時(shí)間(ts);接地故障電流(Ifg)及X/R;分流系數(shù)(Sf)和增長(zhǎng)因子(Cp)等,如圖2所示。

圖2 設(shè)置接地網(wǎng)參數(shù)

其中:tf——輸入故障電流時(shí)間(以秒為單位)來(lái)確定損耗因數(shù);

tc——輸入故障電流時(shí)間(以秒為單位)來(lái)確定接地電阻的尺寸;

ts——輸入振動(dòng)電流時(shí)間(以秒為單位)來(lái)確定人體可允許的等級(jí),有效通過(guò)人體電流的持續(xù)時(shí)間。通常情況下,故障電流時(shí)間tf,tc和振動(dòng)時(shí)間ts是相等的,等于保護(hù)電器的動(dòng)作時(shí)間。

Sf——分流因子,輸入電流分配因數(shù)百分?jǐn)?shù),關(guān)聯(lián)到故障電流量級(jí),在接地網(wǎng)和其周?chē)貐^(qū)所流的電流數(shù)量。

Cp——增長(zhǎng)因子,輸入調(diào)整系數(shù),在電站預(yù)期使用期限中所占的百分?jǐn)?shù),對(duì)于0系統(tǒng)增長(zhǎng),Cp=100%。

接地故障電流(Ifg)及X/R 由短路計(jì)算得來(lái),通常情況下,接地故障電流等于系統(tǒng)單相接地故障電流。

在編輯模式下,左鍵分別單擊工具欄中“接地極”、“接地線”圖標(biāo),設(shè)置埋深、材料、規(guī)格型號(hào)等參數(shù),建立接地網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。

2.3 建立土壤模型

在“土壤編輯器”中,根據(jù)項(xiàng)目地勘報(bào)告,土壤電阻率的測(cè)量方式采用維納四極法,收集并輸入項(xiàng)目土壤電阻率資料,利用ETAP軟件土壤編輯器擬合計(jì)算全廠上層和下層土壤的厚度及電阻率,如圖3所示。在“土壤編輯器”中,根據(jù)項(xiàng)目需要設(shè)置表層土壤電阻率和厚度,以降低接觸電壓和跨步電壓對(duì)于安全的影響。此外,利用土壤編輯器擬合計(jì)算全廠上層和下層土壤的厚度及電阻率也同時(shí)顯示在信息界面中。

圖3 全廠土壤厚度和電阻率擬合計(jì)算

2.4 接地網(wǎng)計(jì)算及輸出結(jié)果

在“仿真計(jì)算”中,左鍵分別單擊工具欄中“計(jì)算運(yùn)行”圖標(biāo),開(kāi)始進(jìn)行接地網(wǎng)系統(tǒng)仿真計(jì)算,如圖4所示。并相應(yīng)生成三維視角的全廠絕對(duì)升高電壓、接觸電壓、跨步電壓仿真圖形,以方便計(jì)算結(jié)果分析。圖中X和Y坐標(biāo)軸分別對(duì)應(yīng)接地極在平面中的位置,Z坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)在平面中相應(yīng)位置上的絕對(duì)升高電壓、接觸電壓、跨步電壓值。

圖4 接地網(wǎng)系統(tǒng)仿真計(jì)算運(yùn)行界面

通過(guò)模擬仿真,發(fā)現(xiàn)絕對(duì)升高電壓、接觸電壓、跨步電壓值的高值點(diǎn)基本出現(xiàn)在接地系統(tǒng)的邊界處。同時(shí),通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用ETAP仿真平臺(tái)進(jìn)行非規(guī)則(非矩形)形狀接地網(wǎng)系統(tǒng)仿真時(shí),絕對(duì)升高電壓、接觸電壓、跨步電壓的高值點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在需要校驗(yàn)的接地網(wǎng)系統(tǒng)的邊界范圍外。

完成了關(guān)于接地網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和仿真計(jì)算后,ETAP軟件用戶可以很方便地自動(dòng)生成數(shù)據(jù)分析和仿真計(jì)算的報(bào)告,點(diǎn)擊接地網(wǎng)系統(tǒng)“報(bào)告管理器”這個(gè)按鈕,系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)關(guān)于報(bào)告文件管理器的操作對(duì)話窗口,如圖5所示。根據(jù)對(duì)話窗內(nèi)選擇的內(nèi)容即可生成各類電子版報(bào)告,通過(guò)逐頁(yè)對(duì)照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化接地網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),現(xiàn)階段接地電阻已經(jīng)達(dá)到1 Ω以下。

圖5 接地網(wǎng)系統(tǒng)報(bào)告管理器窗口

3 電解鋁廠接地網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例

下面以某電解鋁廠接地網(wǎng)設(shè)計(jì)為例,說(shuō)明計(jì)算機(jī)仿真軟件ETAP的設(shè)計(jì)規(guī)劃思路。該電解鋁廠接地網(wǎng)面積為1560 m×780 m,水平接地體為40×4鍍銅扁鋼,垂直接地體為直徑20 mm,長(zhǎng)度2.5 m的鍍銅鋼棒,采用不等間距布置,埋深為0.8 m。土壤為非均勻土壤,上層土壤電阻率為360 Ω·m,深度約為3 m,下層電阻率為168 Ω·m。

根據(jù)上面的條件,在ETAP軟件中采用有限元法建立接地網(wǎng)模型,如圖6所示。利用ETAP軟件的相關(guān)功能,模擬了接地網(wǎng)絕對(duì)上升電壓、接觸電壓和跨步電壓的三維仿真圖形。通過(guò)有限元算法對(duì)全廠接地網(wǎng)區(qū)域各點(diǎn)的接觸電壓和跨步電壓值進(jìn)行計(jì)算,分別用不同顏色代表不同的接觸電壓和跨步電壓等級(jí),并在圖中標(biāo)示出超限電壓區(qū)域位置,如圖7所示。通過(guò)對(duì)仿真模型進(jìn)行分析研究,發(fā)現(xiàn)除了局部邊緣和四角以外,全廠接地網(wǎng)的接觸電壓和跨步電壓都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范所允許的最高接觸電壓和跨步電壓。由設(shè)計(jì)圖紙中我們就可以知道,接地網(wǎng)的四周邊緣和四角處并沒(méi)有安裝任何電氣設(shè)備,因而對(duì)于人體造成電擊傷害的概率非常低。為了有效保證工作人員的人身安全,工程設(shè)計(jì)中在上述地點(diǎn)和人員通道處鋪設(shè)一定厚度的碎石層,地面上還應(yīng)同時(shí)鋪設(shè)厚度大于5 cm的瀝青層,其寬度應(yīng)超過(guò)接地體寬度2 m。由此在仿真模型中還可以清楚看到,接地網(wǎng)四個(gè)角存在相對(duì)較高接觸電壓。因此,除上述保護(hù)措施外,接地網(wǎng)的每個(gè)角都應(yīng)做成弧形,這個(gè)弧形的半徑不應(yīng)小于水平接地體之間距離的一半。

圖6 接地網(wǎng)仿真模型

圖7 接地網(wǎng)電壓三維仿真模型

使用ETAP軟件可以計(jì)算接地網(wǎng)的接地電阻、跨步電壓和接觸電壓。通過(guò)計(jì)算接地網(wǎng)系統(tǒng)的接地電阻,然后判定接地網(wǎng)設(shè)計(jì)是否符合規(guī)范的要求;通過(guò)計(jì)算接地網(wǎng)的接觸電壓和跨步電壓,然后判定接地網(wǎng)設(shè)計(jì)是否符合安全技術(shù)要求。如果接地網(wǎng)中的上面任何一個(gè)參數(shù)不符合要求,ETAP軟件將會(huì)給出一個(gè)告警信息。這時(shí),可以根據(jù)告警信息,針對(duì)不符合要求的接地網(wǎng)參數(shù),對(duì)接地網(wǎng)的配置參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化或者修改,直至保證接地網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)都能夠滿足規(guī)范中的要求。

在電解鋁廠接地網(wǎng)的接地電阻值、接觸電壓、跨步電壓等各種參數(shù)符合規(guī)范要求的前提下,ETAP軟件還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。ETAP軟件通過(guò)重新設(shè)計(jì)接地網(wǎng)的水平接地體和垂直接地體,可以大大降低接地網(wǎng)的材料費(fèi)用,使得電解鋁廠接地網(wǎng)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。經(jīng)過(guò)測(cè)算,相比較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,利用ETAP軟件進(jìn)行接地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì),可減少接地體的用量,從而達(dá)到節(jié)省投資的目的。最后,ETAP軟件輸出一份符合規(guī)范要求的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)報(bào)告。該報(bào)告全面描述了接地網(wǎng)設(shè)計(jì)所要求的參數(shù)條件,包括接地系統(tǒng)中的短路電流大小、持續(xù)時(shí)間、土壤電阻率等主要接地網(wǎng)參數(shù),接地網(wǎng)的配置形式(主要包括接地網(wǎng)的水平接地體和垂直接地體的各種接地材料的技術(shù)規(guī)格和數(shù)量),以及能夠滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范對(duì)于計(jì)算安全要求的各種接地網(wǎng)參數(shù)(其中包括接地電阻值、跨步電壓、接觸電壓和對(duì)地電位等參數(shù))。

4 結(jié) 語(yǔ)

電解鋁廠接地網(wǎng)面積大,土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜。考慮到總平面布置的限制和投資因素的影響,傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法存在一定的局限性。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件ETAP,可以精確的建立一個(gè)接地網(wǎng)模型進(jìn)行接地網(wǎng)的計(jì)算,并且我們可以根據(jù)接地網(wǎng)的實(shí)際情況選擇IEEE 80算法或有限元算法來(lái)進(jìn)行接地網(wǎng)的分析計(jì)算。接地網(wǎng)的絕對(duì)上升電壓、跨步電壓和接觸電壓等級(jí)可以通過(guò)三維模型進(jìn)行顯示,接觸電壓和跨步電壓的電壓等級(jí)還可以根據(jù)不同顏色進(jìn)行區(qū)分。同時(shí),ETAP軟件還針對(duì)電解鋁廠接地網(wǎng)的可靠性進(jìn)行分析,在充分滿足規(guī)范要求的前提下,對(duì)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化,以提高接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性,使設(shè)計(jì)方案達(dá)到最佳。