ETAP软件在余热电站接地网设计的应用

周庆忠

ETAP软件在余热电站接地网设计的应用

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

周庆忠

对余热电站接地网的完善设计保证了余热电站系统的可靠性和安全运行，利用ETAP软件可使余热电站接地网的设计更加简化和便捷，同时，ETAP软件扩大了不同类型余热电站接地网的接地参数的计算，并可对余热电站接地网在满足规范要求的基础上进行优化。

余热电站；接地网；ETAP；接地网参数计算

1 概述

随着余热电站技术的发展和进步，余热电站在水泥、钢铁、玻璃等行业的配套建设越来越普遍，余热电站的接地网设计面临不少现实问题。不少余热电站项目在设计时，水泥生产线、钢铁生产线等的工艺车间已经建成并投入运行，致使余热电站系统的各个子车间只能布置在水泥、钢铁生产线的各个生产车间的空隙中。同样，余热电站系统的接地网布置受到水泥、钢铁等工艺车间布置的影响，接地网的设计也受到较大的限制。如果余热电站的接地网设计不合理，接地网的接地参数满足不了规范中的安全性要求，不仅危害设备和人身安全，而且影响余热电站的可靠安全运行[1]。余热电站接地网的布置结构通常采用复合接地网形式[2]。采用复合接地网有利于降低接地网的接地电阻等参数。

为保证余热电站接地网的接地电阻值、接触电压和跨步电压等各设计值满足规范要求，保证运行人员的人身安全，确保余热电站项目的安全运行，需要对余热电站接地网进行合理的设计，对接地系统的各设计值进行验证计算。

2 接地网的接地电阻计算

在GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》中，提供了对接地网的接地电阻的计算公式[3]：

Rn——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω

Re——等值（即等面积、等水平接地极总长度）方形接地网的接地电阻，Ω

ρ——土壤电阻率，Ω·m

S——接地网的总面积，m2

d——水平接地极的直径或等效直径，m

h——水平接地极的埋没深度，m

L0——水平接地网的外缘边线总长度，m

L——接地极的总长度，m

上述公式是在以水平接地极为主的接地网设计方案中使用。在这种接地网设计方案中，垂直接地极的占比很小。当接地网中存在相当数量的垂直接地极时，由于上述公式没有计算垂直接地极对接地网的影响，此时使用上述公式，对接地网的参数计算存在误差。

对增加垂直接地极的水平接地网的接地电阻计算，王洪泽提出如下公式[4]：

式中：

Rnc——任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω

Rec——等值（即等面积、等水平接地极长度）方形接地网的接地电阻，Ω

ρ——土壤电阻率，Ω·m

S——水平接地网的总面积，m2

d——水平接地极的直径或等效直径，m

h——水平接地极的埋没深度，m

L0——水平接地网的外缘边线总长度，m

L——接地极的总长度（L=LS+LC），m

LS——水平接地极的总长度，m

LC——垂直接地极的总长度，m

k——LS对L的比值：k=LS/L

l——单根垂直接地极的平均长度，m

当l=0（LC=0）即水平接地网时，则有L=LS，k=1，式（7）化简即为式（3）。

从式（1）～式（8）中可分析得出如下结论：

（1）式（5）～式（8）的使用范围更加广泛，其考虑了垂直接地极对接地网的影响，故可以计算安装垂直接地极的复合接地系统的接地电阻。

（2）式（1）～式（4）和式（5）～式（8）均适用于单土壤电阻率情况下的复合接地系统的接地电阻计算，但不适用于两层及三层等多土壤电阻率的复合接地系统的接地电阻计算。

3 ETAP在接地网设计中的应用

ETAP软件是一款在国际上广泛使用的电气分析计算软件。ETAP软件可以对电力系统进行潮流仿真计算、短路分析、谐波分析、继电保护配合验算等各种电气计算和仿真，功能全面，能为发电、输配电和工业电力电气系统的规划、设计、分析、计算、运行、模拟提供较为全面的分析平台和解决方案[5]。

接地网的仿真计算是ETAP软件的功能之一。在ETAP的接地网计算功能中，提供了图形化的设计环境、接地网参数的计算分析功能和接地网系统的优化功能。在图形化的设计环境下，可以直观地显示接地网的结构布置，方便对设计的接地网进行观察和调整。

针对接地网的参数计算，ETAP软件提供了四种计算方法[6]：有限元法（FEM），IEEE80-1986，IEEE80-2000和IEEE665-1995。

在余热电站项目的接地网设计中，以较为常用的IEEE80-2000算法为例，使用EATP软件对接地网的接地电阻值进行验证计算。验证计算按照如下步骤和设置进行：

（1）通过余热电站项目的总平面布置图，确定余热电站主车间和室外电气设备的布置位置以及电气室建筑面积等建设条件；收集余热电站项目所在地的地层土壤分布情况和土壤电阻率数据，余热电站电力系统在不同运行方式下的短路电流等设计参数数据，初步确定余热电站接地网的位置和规模大小。

（2）在ETAP软件接地计算程序中，计算方法选择IEEE80-2000，设置余热电站电力系统的短路电流大小和短路电流持续时间等短路参数。

（3）选择余热电站项目接地网系统中水平接地体和垂直接地体等接地材料的材质及规格尺寸，ETAP软件自行检查接地体材料是否满足系统的短路电流和短路时间的要求。如果接地材料的尺寸等不满足系统短路电流的要求，ETAP软件给出警告提示。

（4）初步进行接地网设计，确定接地网的外形尺寸、水平接地体的配置数量和垂直接地体的配置数量。ETAP软件根据设定的短路电流、短路电流持续时间、接地网的规模尺寸、水平接地极和垂直接地极的数量等参数自动生成接地网的三维布置图（见图1）。在接地网三维布置图窗口中，可以自由旋转接地网三维视图，方便对初步设计的接地网进行观察。

图1 接地网三维视图示例

（5）设置接地网所处区域的土壤电阻率，根据项目土壤的不同情况，最多可以设置三层不同土壤电阻率的土壤环境，模拟接地网真实的土壤环境（见图2）。

图2 3层土壤电阻率模型示例

（6）利用ETAP计算接地网的接地电阻值大小，接地网的跨步电压和接触电压，接地网的地面电位（见图3）。计算系统的接地电阻，判断初步设计的接地网是否满足规范要求；计算接地网的跨步电压和接触电压，判断初步设计的接地网是否满足安全性的要求。如果初步设计的接地网的上述参数有任一项技术指标不满足要求，ETAP软件会给出警告信息。此时，可以根据此警告信息，针对未满足要求的接地网参数，对初步设计的接地网配置进行优化调整，直到设计的接地网的参数均满足规范要求。

（7）在余热电站的接地网的接地电阻值、接触电压和跨步电压等参数均满足规范要求的前提下，ETAP还提供对接地网进行优化的功能。ETAP软件对接地网的水平接地体和垂直接地体重新进行布置，经过优化布置的接地系统，可以降低接地网的材料成本，提高余热电站项目接地网设计的经济性。

（8）最后，ETAP软件针对满足规范要求的接地网，输出一份接地网的设计报告。此报告完整地说明了接地网设计的前提条件，包括接地网的系统短路电流大小及系统短路电流持续时间，土壤电阻率等参数，接地网的配置形式（包括接地网的水平接地体和垂直接地体的材料规格和各类接地材料用量），以及接地网的满足规范安全性等要求的参数的计算（包括接地网的接地电阻值、跨步电压和接触电压、接地网的地面电位等参数）。

图3 接触电压、跨步电压、接地电阻和地面电位计算结果示例

4 结语

利用ETAP软件，可以对余热电站项目接地网进行快捷的设计和计算，同时对余热发电项目的接地系统的可靠性进行分析，并在满足规范要求的基础上对接地网进行优化，提高接地网设计的经济性。

[1]杜小军.浅谈变电站接地网的若干存在问题及对策[J].甘肃电力技术，2011，（1）：24-27.

[2]杨匀阳，张春晖，等.某110kV变电站接地网问题分析与改造措施[J].供用电，2014，（11）：57-60.

[3]GB50065-2011，交流电气装置的接地设计规范[S].

[4]王洪泽.任意形状复合接地网接地电阻的计算[J].广西电力建设科技信息，1999，4（88）：1-4.

[5]冯煜，王雷，等.电力系统仿真软件ETAP的特性与功能简介[J].供用电，2005，22（5）：23-26.

[6]黄大为，张鹏宇，等.基于ETAP的复合接地网电阻分析[J].黑龙江科技信息，2016，（2）.■

天津水泥院有限公司签约越南青山水泥厂EPC总承包项目

8月16日在越南青化省，天津水泥院有限公司与越南山河矿山开采股份有限公司就越南青山水泥厂（THANH SON CEMENT PLANT）EPC总承包合同举行了隆重的签约仪式。天津水泥院有限公司董事长何小龙与越南山河矿山公司董事长陈庭青分别代表双方在合同书上签字。该项目合同范围为从原料输送到水泥包装发运的一条完整的3 000t/d熟料的水泥生产线，这是该公司第一条水泥生产线。

越南山河矿山公司长期致力于越南矿产资源的开发与利用，在越南矿业领域具有很大的影响力。当地政府对该项目也非常重视，特别委派省委秘书长梅文专出席了签约仪式，并表示祝贺。

业主选择天津院作为该项目的总承包方，充分说明了天津院在越南市场的声誉和影响力。该项目的签订，对于天津水泥院有限公司开拓越南市场，扩大在东南亚的影响力具有重要意义。

TQ172.622.22

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1001-6171（2017）05-0096-04

2017-03-24； 编辑：赵 莲