基于计算机仿真的电解铝厂接地网设计

张世全

(黄河鑫业有限公司,青海 西宁 811600)

在电力系统中,为了保护人身和设备的安全,接地保护是一种常见通用的保护方式。近年来,电解铝厂规模不断扩大,随着电力系统故障电流水平的提高,接地系统的安全性成为人们关注的焦点。电解铝厂接地网受场地和土壤条件的限制,接地网的设计将受到很大的影响,如果仍采用设计规范经验公式进行接地网设计,结果往往与实际情况相差较大,这必然导致电解铝厂接地网设计不合理,接地网设计参数不能满足规范要求,这样不仅会危害人身和设备安全,同时也会影响到电解铝生产系统的可靠安全运行。随着计算机仿真技术的不断进步和发展,各种仿真软件已经成为电气工程师进行电力系统分析设计的得力助手。本文介绍的ETAP软件完全符合国际通用标准IEEE,可以通过计算机软件实现接地网系统的仿真计算分析,其中包括几个重要部分如:接地电阻计算、接触电压和跨步电压的校验。在满足接地网安全性的基础上,同时兼顾投资的经济性,它是解决电解铝厂接地网设计难题的一件“利器”。

1 计算机仿真平台接地网算法

计算机数字仿真平台ETAP软件在接地网校验算法上以IEEE Std 80-2000《交流变电站安全接地导则》为技术基础,根据实际研究接地对象的不同,选择IEEE 80算法或采用有限元算法(FEM),用来校验该接地区域内的最大接触电压和最大跨步电压,使它们的取值范围能够完全满足最大允许值,并对其进行有关相应的接地计算,计算出额定电阻值。

一个接地网只有一个接地电阻,通过接地网入地的电流不同对地电位也不同,对于同一个接地网和同一个入地电流接地网表面各点的接触电压和跨步电压都不同,通常只需要最大的点不超过允许值即可。

不同形状接地体工频接地电阻计算:

水平接地网接地电阻R1:

式中:ρ——土壤电阻率;

Lc——所有水平接地体长度;

a——水平接地体直径;

A——水平接地网面积;

k1,k2——形状系数。

所有垂直接地体接地电阻R2:

式中:Lr——每根垂直接地体长度;

b——垂直接地体直径;

nr——水平接地体数目。

水平接地网和垂直接地体组接地电阻Rm:

接地网总接地电阻Rg:

评估接地网参数是否完全符合要求的两个指标除了接地网的接地电阻外,还包括接触电压和跨步电压。

人体允许的最大接触电压计算:当人去触摸设备时流过人体的电流是人体允许通过的最大电流时,加在人体上的电压就是人体允许的最大接触电压。这时候人的两脚都着地,相当于两脚和地的接触电阻并联,人体实际与地面的接触电阻为Rf/2,计算公式为:

Etouch=IB(RB+1.5ρ)

式中:IB——人体允许流过的最大电流;

RB——人体电阻(通常取1000 Ω);

ρ——土壤接触电阻率。

人体允许的最大跨步电压计算:当人体在接地网上方地面行走时流过人体的电流是人体允许通过的最大电流时,加在人两腿上的电压就是人体允许的最大跨步电压。这时候人的两脚都着地,相当于两脚和地的接触电阻串联,人体实际与地面的接触电阻为2Rf,计算公式为:

Estep=IB(RB+6.0ρ)

2 计算机仿真平台接地网设计流程

计算机数字仿真平台ETAP软件是以一个工程为基础来进行管理和工作的。ETAP为交互式接地网系统仿真计算提供了独立的分析和计算方法以及存储接地材料和联结数据的独立数据库,这些交互式接地网界面窗口全部采用图形化操作,每个接地材料的工程特性都可以在这些窗口中直接进行编辑,分析和计算结果也会根据实际情况在界面窗口中显示出来。接地网设计流程如图1所示。

图1 接地网设计流程图

2.1 导入文件建立工程

首先要基于CAD软件完成接地网系统的设计,并转换成ETAP可以应用的XML类型文件,导入到ETAP数据库。运行ETAP软件,点击“新建工程”,选择输入工程项目名称,单位系统选择为“米制”,最后选择工程文件保存路径,并可根据需要设置本工程管理的登录密码。打开ETAP软件的编辑模式,在功能模块栏选择创建“接地网系统”模块,根据工程实际情况选择计算方法。其中IEEE 80标准公式算法适用于规则等间距接地网计算,有限元算法(FEM)适用于不规则不等间距接地网计算。

2.2 建立接地网模型

在仿真模式下,左键单击工具栏中“新建文件”图标,导入上述生成的接地网系统XML类型文件,并设置仿真的相关参数,如:环境温度;总故障电流持续时间(tf);对于接地导体的持续时间(tc);对于有效通过人体电流的持续时间(ts);接地故障电流(Ifg)及X/R;分流系数(Sf)和增长因子(Cp)等,如图2所示。

图2 设置接地网参数

其中:tf——输入故障电流时间(以秒为单位)来确定损耗因数;

tc——输入故障电流时间(以秒为单位)来确定接地电阻的尺寸;

ts——输入振动电流时间(以秒为单位)来确定人体可允许的等级,有效通过人体电流的持续时间。通常情况下,故障电流时间tf,tc和振动时间ts是相等的,等于保护电器的动作时间。

Sf——分流因子,输入电流分配因数百分数,关联到故障电流量级,在接地网和其周围地区所流的电流数量。

Cp——增长因子,输入调整系数,在电站预期使用期限中所占的百分数,对于0系统增长,Cp=100%。

接地故障电流(Ifg)及X/R 由短路计算得来,通常情况下,接地故障电流等于系统单相接地故障电流。

在编辑模式下,左键分别单击工具栏中“接地极”、“接地线”图标,设置埋深、材料、规格型号等参数,建立接地网系统仿真模型。

2.3 建立土壤模型

在“土壤编辑器”中,根据项目地勘报告,土壤电阻率的测量方式采用维纳四极法,收集并输入项目土壤电阻率资料,利用ETAP软件土壤编辑器拟合计算全厂上层和下层土壤的厚度及电阻率,如图3所示。在“土壤编辑器”中,根据项目需要设置表层土壤电阻率和厚度,以降低接触电压和跨步电压对于安全的影响。此外,利用土壤编辑器拟合计算全厂上层和下层土壤的厚度及电阻率也同时显示在信息界面中。

图3 全厂土壤厚度和电阻率拟合计算

2.4 接地网计算及输出结果

在“仿真计算”中,左键分别单击工具栏中“计算运行”图标,开始进行接地网系统仿真计算,如图4所示。并相应生成三维视角的全厂绝对升高电压、接触电压、跨步电压仿真图形,以方便计算结果分析。图中X和Y坐标轴分别对应接地极在平面中的位置,Z坐标轴对应在平面中相应位置上的绝对升高电压、接触电压、跨步电压值。

图4 接地网系统仿真计算运行界面

通过模拟仿真,发现绝对升高电压、接触电压、跨步电压值的高值点基本出现在接地系统的边界处。同时,通过反复试验发现应用ETAP仿真平台进行非规则(非矩形)形状接地网系统仿真时,绝对升高电压、接触电压、跨步电压的高值点会出现在需要校验的接地网系统的边界范围外。

完成了关于接地网系统的数据分析和仿真计算后,ETAP软件用户可以很方便地自动生成数据分析和仿真计算的报告,点击接地网系统“报告管理器”这个按钮,系统就会自动弹出一个关于报告文件管理器的操作对话窗口,如图5所示。根据对话窗内选择的内容即可生成各类电子版报告,通过逐页对照计算结果进行调整优化接地网系统设计,现阶段接地电阻已经达到1 Ω以下。

图5 接地网系统报告管理器窗口

3 电解铝厂接地网应用实例

下面以某电解铝厂接地网设计为例,说明计算机仿真软件ETAP的设计规划思路。该电解铝厂接地网面积为1560 m×780 m,水平接地体为40×4镀铜扁钢,垂直接地体为直径20 mm,长度2.5 m的镀铜钢棒,采用不等间距布置,埋深为0.8 m。土壤为非均匀土壤,上层土壤电阻率为360 Ω·m,深度约为3 m,下层电阻率为168 Ω·m。

根据上面的条件,在ETAP软件中采用有限元法建立接地网模型,如图6所示。利用ETAP软件的相关功能,模拟了接地网绝对上升电压、接触电压和跨步电压的三维仿真图形。通过有限元算法对全厂接地网区域各点的接触电压和跨步电压值进行计算,分别用不同颜色代表不同的接触电压和跨步电压等级,并在图中标示出超限电压区域位置,如图7所示。通过对仿真模型进行分析研究,发现除了局部边缘和四角以外,全厂接地网的接触电压和跨步电压都远远低于规范所允许的最高接触电压和跨步电压。由设计图纸中我们就可以知道,接地网的四周边缘和四角处并没有安装任何电气设备,因而对于人体造成电击伤害的概率非常低。为了有效保证工作人员的人身安全,工程设计中在上述地点和人员通道处铺设一定厚度的碎石层,地面上还应同时铺设厚度大于5 cm的沥青层,其宽度应超过接地体宽度2 m。由此在仿真模型中还可以清楚看到,接地网四个角存在相对较高接触电压。因此,除上述保护措施外,接地网的每个角都应做成弧形,这个弧形的半径不应小于水平接地体之间距离的一半。

图6 接地网仿真模型

图7 接地网电压三维仿真模型

使用ETAP软件可以计算接地网的接地电阻、跨步电压和接触电压。通过计算接地网系统的接地电阻,然后判定接地网设计是否符合规范的要求;通过计算接地网的接触电压和跨步电压,然后判定接地网设计是否符合安全技术要求。如果接地网中的上面任何一个参数不符合要求,ETAP软件将会给出一个告警信息。这时,可以根据告警信息,针对不符合要求的接地网参数,对接地网的配置参数等进行优化或者修改,直至保证接地网的各项参数都能够满足规范中的要求。

在电解铝厂接地网的接地电阻值、接触电压、跨步电压等各种参数符合规范要求的前提下,ETAP软件还可以实现对接地网进行优化设计。ETAP软件通过重新设计接地网的水平接地体和垂直接地体,可以大大降低接地网的材料费用,使得电解铝厂接地网设计更加经济合理。经过测算,相比较传统设计方法,利用ETAP软件进行接地网优化设计,可减少接地体的用量,从而达到节省投资的目的。最后,ETAP软件输出一份符合规范要求的接地网设计报告。该报告全面描述了接地网设计所要求的参数条件,包括接地系统中的短路电流大小、持续时间、土壤电阻率等主要接地网参数,接地网的配置形式(主要包括接地网的水平接地体和垂直接地体的各种接地材料的技术规格和数量),以及能够满足国家相关规范对于计算安全要求的各种接地网参数(其中包括接地电阻值、跨步电压、接触电压和对地电位等参数)。

4 结 语

电解铝厂接地网面积大,土壤结构复杂。考虑到总平面布置的限制和投资因素的影响,传统的基于经验公式的计算方法存在一定的局限性。利用计算机仿真软件ETAP,可以精确的建立一个接地网模型进行接地网的计算,并且我们可以根据接地网的实际情况选择IEEE 80算法或有限元算法来进行接地网的分析计算。接地网的绝对上升电压、跨步电压和接触电压等级可以通过三维模型进行显示,接触电压和跨步电压的电压等级还可以根据不同颜色进行区分。同时,ETAP软件还针对电解铝厂接地网的可靠性进行分析,在充分满足规范要求的前提下,对接地网设计进行了优化,以提高接地网设计的经济性,使设计方案达到最佳。