ETAP軟件在電廠接地設計中的應用

潘淑杰

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

ETAP軟件在電廠接地設計中的應用

潘淑杰

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

本文從建立工程、建立模型、輸入參數、輸出結果四方面對ETAP軟件在發電廠接地設計中的應用進行了詳細論述；經過分析，表明了ETAP軟件在接地設計中的優勢及目前存在的問題。最后以工程實例為基礎進行了驗證，對今后工程的接地網設計計算具有一定的指導和借鑒作用。

接地設計；接地模型；接地參數；ETAP。

電力系統不斷發展，對于電廠接地系統的設計來說，傳統的經驗公式方法與實際結果相差較大。對電廠接地網再沿用經驗公式設計不能滿足要求。必須采用新的方法以適應發展的需要，從而達到運行安全可靠，技術經濟指標合理的目的。隨著計算機技術和數值分析技術的發展，有必要從傳統方法轉變到采用計算機精確設計，使電廠接地網的設計更加科學合理。

ETAP經過不斷的改進與發展，已經成為工程師廣泛使用的處理工業領域及電力系統分析設計的工具。ETAP軟件的接地模塊依據國際通用標準IEEE編寫，具有參數設置詳細、模型設置準確、輸出結果較完善、便于分析的優點。統計表明，在美國64家核電站的接地設計中有51家使用ETAP。

1 ETAP接地模塊的使用

采用ETAP接地模塊設計接地網由建立工程、建立模型、輸入參數、輸出結果四部分組成，以下將介紹ETAP接地模塊的使用方法。

1.1 建立工程

啟動ETAP計算程序，點擊新建工程，在對話框中輸入工程名稱，點擊確定生成工程文件，根據需要，在新建工程對話框中應選擇米制或英制。

1.2 建立模型

在生成工程文件窗口中選擇OLV1窗口，進入編輯模式。從單線圖中的交流設備工具條中點擊接地網系統并拖動即可。可以對元件進行拷貝、剪切、粘貼、刪除、重命名等操作。雙擊模型可以調用ETAP接地網設計編輯器。

ETAP接地模塊采用IEEE 80標準的公式法計算等間距接地網，采用有限元算法計算不等間距接地網。在分析模式中選擇需要的設計方法(IEEE 80法或有限元法)，點擊確定，進入到接地網系統程序中。在該程序中可編輯接地網的形狀、材料及其他相關參數。

1.3 輸入參數

(1)輸入土壤電阻率參數

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

(2)輸入接地網參數

從編輯工具條中選擇合適的功能模型并放置于接地網系統的表層視圖中。在表層視圖中雙擊導體可彈出其電子數據表編輯器。從而對接地網導體的類型、截面、導體埋設深度等進行編輯。

(3)計算用相關參數

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

至此，接地計算所需的數據輸入完成，可以進行接地計算了。

1.4 接地計算及結果輸出

參數輸入完成，檢查無誤后，點擊接地計算按鈕，并輸入計算結果所在文檔的名稱。計算完畢自動顯示接地電壓升、跨步電壓、接觸電壓以及接地電阻值的計算結果。ETAP接地模塊能以三維圖的形式顯示計算結果，并可在圖中用不同的顏色標出越限電壓，還可以生成報表。通過接地報告管理器可以輸出簡要或完整的接地設計報告，自動統計所用的材料量。選擇不同的選項，可顯示想要輸出的內容，并將其保存在最初新建工程目錄下。

2 ETAP接地模塊的分析

基于經驗公式的傳統手算方法設計計算接地網具有一定的局限性。尤其是電廠對設計的準確性要求較高，傳統的近似公式算法已不能滿足設計深度要求。采用軟件可以準確的搭建模型進行計算，結果較之前更為準確。

2.1 IEEE算法簡介

ETAP接地模塊的IEEE算法基于IEEE80－2000的公式編寫，適用于等間距布置的規則接地網，對不等間距或不規則的接地網，只能等效或粗略計算。文獻將不規則接地網等效后用ETAP接地模塊的IEEE算法進行了計算。

2.2 有限元方法簡介

有限元法是一種數值計算法，其計算機理是將區域離散后對每個單元建立微分方程，將各個微分方程線性化后聯立形成整體計算矩陣。具有不改變原模型，求得的數值解可無限接近精確解；可解分層介質中的電磁場，處理較簡單；不受場域邊界形狀的限制等優點。在分析接地網的特性時，有限元法在很多方面優于其他分析方法，其可按實際劃分區域，也可處理分層土壤及其它特殊地形。因此，應用有限元法還可十分方便地考慮土壤結構、土壤電阻率、地網埋深及短路電流入地點因素對地網特性的影響。

有限元法計算地中電流的分布既可算出地電位的分布情況，對計算工頻回流時的工頻接地電阻及雷過電壓下的沖擊接地電阻有重要參考價值，也可供交流系統接地設施的設計研究參考。由于接地網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在直流激勵下的響應代替工頻激勵下的響應。

3 對ETAP接地模塊的評價

3.1 ETAP接地模塊的優點

ETAP軟件的接地模塊具有參數設置詳細、模型設置準確、輸出結果較完善、便于分析的優點。

(1)提供了三維視圖，并與接線圖相結合，可以使設計者形象地看到設計出的接地系統。

(2)可以選用IEEE 80算法或有限元算法進行接地網分析計算。

(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，并可在圖中用不同的顏色標出越限電壓，還可以生成報表。

3.2 ETAP接地模塊目前存在的問題

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

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

(3) ETAP接地模塊目前最多只能進行兩層土壤電阻率情況下的接地網計算，對于土壤結構復雜的地區，若需要建立三層或以上的土壤電阻率模型，則目前不能應用ETAP接地模塊計算。

(4) ETAP接地模塊的跨步電壓、接觸電壓的限值是根據IEEE 80－2000標準計算的，與國標GB/T 50065－2011規定的適合我國國情的跨步電壓、接觸電壓限值有所不同。若采用ETAP進行國內工程得設計時，應引起注意，跨步電壓、接觸電壓的限值可根據需要手算。

4 工程實例

以某涉外工程為例，采用ETAP 7.5軟件接地模塊進行接地計算。

輸入條件：IG＝47.71 kA，X/R＝40，tc＝0.5s，Sf＝60%。水平接地導體采用截面150 mm2的軟拉裸銅絞線，垂直接地極采用長2.44 m直徑為1.72 cm的鍍銅鋼棒。接地計算的區域為#1、2號機汽機房、鍋爐房、變壓器區域以及輔助車間。對測得的26個測點的土壤電阻率在不同深度取均值，得表1。

表1 土壤電阻率均值計算

采用雙層土壤電阻率模型，經計算，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。根據廠區布置情況，主接地網的布置見圖1。

圖1 主接地網布置圖

將圖1主接地網等效為等間距布置的規則形狀的接地網，見圖2。用ETAP接地模塊的IEEE 80算法和有限元算法分別計算，計算結果見表2。

ETAP接地模塊的IEEE 80法與有限元法的計算對比結果見表2。

圖2 ETAP等效接地網布置圖(規則網格)

表2 規則網格接地計算結果對比

從表2的計算結果可以看出，對于同一個接地網，采用相同的輸入條件，有限元算法的計算結果比IEEE 80的公式法的計算結果保守。

將圖1的接地網在ETAP中進行精確等效，見圖3，并采用有限元法計算。

圖3 ETAP等效接地網布置圖(不規則網格)

有限元法計算等間距規則形狀接地網與計算不等間距不規則形狀接地網的對比結果見表3。

表3 規則與不規則接地網格計算結果對比

根據IEEE80－2000，對于體重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，對于規則地網和不規則地網兩種模型，其跨步電壓都滿足要求，接觸電位都越限。

從表3的計算結果可見，在計算結果幾乎相同的情況下，不規則地網模型比規則地網節省水平接地體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)。經計算節省水平接地體23.7%，垂直接地極23.6%。

5 結論

由于占地面積等條件的限制且考慮到經濟性，目前發電廠的主接地網很少采用等間距或規則的不等間距布置，因此基于經驗公式的傳統手算方法具有一定的局限性。發電廠接地網面積大，土壤結構復雜，

采用軟件可以準確的搭建模型進行計算，結果較之前更為準確。同時能夠滿足設計需要，有利于標準化工作。

通過本文第4部分工程算例的計算結果證明，ETAP應用于大型地網優化設計可大幅節省工程投資，使設計方案趨向最優。

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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，主要從事發電廠電氣一次部分設計工作。