基于計算機仿真的電解鋁廠接地網設計

張世全

(黃河鑫業有限公司,青海 西寧 811600)

在電力系統中,為了保護人身和設備的安全,接地保護是一種常見通用的保護方式。近年來,電解鋁廠規模不斷擴大,隨著電力系統故障電流水平的提高,接地系統的安全性成為人們關注的焦點。電解鋁廠接地網受場地和土壤條件的限制,接地網的設計將受到很大的影響,如果仍采用設計規范經驗公式進行接地網設計,結果往往與實際情況相差較大,這必然導致電解鋁廠接地網設計不合理,接地網設計參數不能滿足規范要求,這樣不僅會危害人身和設備安全,同時也會影響到電解鋁生產系統的可靠安全運行。隨著計算機仿真技術的不斷進步和發展,各種仿真軟件已經成為電氣工程師進行電力系統分析設計的得力助手。本文介紹的ETAP軟件完全符合國際通用標準IEEE,可以通過計算機軟件實現接地網系統的仿真計算分析,其中包括幾個重要部分如:接地電阻計算、接觸電壓和跨步電壓的校驗。在滿足接地網安全性的基礎上,同時兼顧投資的經濟性,它是解決電解鋁廠接地網設計難題的一件“利器”。

1 計算機仿真平臺接地網算法

計算機數字仿真平臺ETAP軟件在接地網校驗算法上以IEEE Std 80-2000《交流變電站安全接地導則》為技術基礎,根據實際研究接地對象的不同,選擇IEEE 80算法或采用有限元算法(FEM),用來校驗該接地區域內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,并對其進行有關相應的接地計算,計算出額定電阻值。

一個接地網只有一個接地電阻,通過接地網入地的電流不同對地電位也不同,對于同一個接地網和同一個入地電流接地網表面各點的接觸電壓和跨步電壓都不同,通常只需要最大的點不超過允許值即可。

不同形狀接地體工頻接地電阻計算:

水平接地網接地電阻R1:

式中:ρ——土壤電阻率;

Lc——所有水平接地體長度;

a——水平接地體直徑;

A——水平接地網面積;

k1,k2——形狀系數。

所有垂直接地體接地電阻R2:

式中:Lr——每根垂直接地體長度;

b——垂直接地體直徑;

nr——水平接地體數目。

水平接地網和垂直接地體組接地電阻Rm:

接地網總接地電阻Rg:

評估接地網參數是否完全符合要求的兩個指標除了接地網的接地電阻外,還包括接觸電壓和跨步電壓。

人體允許的最大接觸電壓計算:當人去觸摸設備時流過人體的電流是人體允許通過的最大電流時,加在人體上的電壓就是人體允許的最大接觸電壓。這時候人的兩腳都著地,相當于兩腳和地的接觸電阻并聯,人體實際與地面的接觸電阻為Rf/2,計算公式為:

Etouch=IB(RB+1.5ρ)

式中:IB——人體允許流過的最大電流;

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算:當人體在接地網上方地面行走時流過人體的電流是人體允許通過的最大電流時,加在人兩腿上的電壓就是人體允許的最大跨步電壓。這時候人的兩腳都著地,相當于兩腳和地的接觸電阻串聯,人體實際與地面的接觸電阻為2Rf,計算公式為:

Estep=IB(RB+6.0ρ)

2 計算機仿真平臺接地網設計流程

計算機數字仿真平臺ETAP軟件是以一個工程為基礎來進行管理和工作的。ETAP為交互式接地網系統仿真計算提供了獨立的分析和計算方法以及存儲接地材料和聯結數據的獨立數據庫,這些交互式接地網界面窗口全部采用圖形化操作,每個接地材料的工程特性都可以在這些窗口中直接進行編輯,分析和計算結果也會根據實際情況在界面窗口中顯示出來。接地網設計流程如圖1所示。

圖1 接地網設計流程圖

2.1 導入文件建立工程

首先要基于CAD軟件完成接地網系統的設計,并轉換成ETAP可以應用的XML類型文件,導入到ETAP數據庫。運行ETAP軟件,點擊“新建工程”,選擇輸入工程項目名稱,單位系統選擇為“米制”,最后選擇工程文件保存路徑,并可根據需要設置本工程管理的登錄密碼。打開ETAP軟件的編輯模式,在功能模塊欄選擇創建“接地網系統”模塊,根據工程實際情況選擇計算方法。其中IEEE 80標準公式算法適用于規則等間距接地網計算,有限元算法(FEM)適用于不規則不等間距接地網計算。

2.2 建立接地網模型

在仿真模式下,左鍵單擊工具欄中“新建文件”圖標,導入上述生成的接地網系統XML類型文件,并設置仿真的相關參數,如:環境溫度;總故障電流持續時間(tf);對于接地導體的持續時間(tc);對于有效通過人體電流的持續時間(ts);接地故障電流(Ifg)及X/R;分流系數(Sf)和增長因子(Cp)等,如圖2所示。

圖2 設置接地網參數

其中:tf——輸入故障電流時間(以秒為單位)來確定損耗因數;

tc——輸入故障電流時間(以秒為單位)來確定接地電阻的尺寸;

ts——輸入振動電流時間(以秒為單位)來確定人體可允許的等級,有效通過人體電流的持續時間。通常情況下,故障電流時間tf,tc和振動時間ts是相等的,等于保護電器的動作時間。

Sf——分流因子,輸入電流分配因數百分數,關聯到故障電流量級,在接地網和其周圍地區所流的電流數量。

Cp——增長因子,輸入調整系數,在電站預期使用期限中所占的百分數,對于0系統增長,Cp=100%。

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

在編輯模式下,左鍵分別單擊工具欄中“接地極”、“接地線”圖標,設置埋深、材料、規格型號等參數,建立接地網系統仿真模型。

2.3 建立土壤模型

在“土壤編輯器”中,根據項目地勘報告,土壤電阻率的測量方式采用維納四極法,收集并輸入項目土壤電阻率資料,利用ETAP軟件土壤編輯器擬合計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,根據項目需要設置表層土壤電阻率和厚度,以降低接觸電壓和跨步電壓對于安全的影響。此外,利用土壤編輯器擬合計算全廠上層和下層土壤的厚度及電阻率也同時顯示在信息界面中。

圖3 全廠土壤厚度和電阻率擬合計算

2.4 接地網計算及輸出結果

在“仿真計算”中,左鍵分別單擊工具欄中“計算運行”圖標,開始進行接地網系統仿真計算,如圖4所示。并相應生成三維視角的全廠絕對升高電壓、接觸電壓、跨步電壓仿真圖形,以方便計算結果分析。圖中X和Y坐標軸分別對應接地極在平面中的位置,Z坐標軸對應在平面中相應位置上的絕對升高電壓、接觸電壓、跨步電壓值。

圖4 接地網系統仿真計算運行界面

通過模擬仿真,發現絕對升高電壓、接觸電壓、跨步電壓值的高值點基本出現在接地系統的邊界處。同時,通過反復試驗發現應用ETAP仿真平臺進行非規則(非矩形)形狀接地網系統仿真時,絕對升高電壓、接觸電壓、跨步電壓的高值點會出現在需要校驗的接地網系統的邊界范圍外。

完成了關于接地網系統的數據分析和仿真計算后,ETAP軟件用戶可以很方便地自動生成數據分析和仿真計算的報告,點擊接地網系統“報告管理器”這個按鈕,系統就會自動彈出一個關于報告文件管理器的操作對話窗口,如圖5所示。根據對話窗內選擇的內容即可生成各類電子版報告,通過逐頁對照計算結果進行調整優化接地網系統設計,現階段接地電阻已經達到1 Ω以下。

圖5 接地網系統報告管理器窗口

3 電解鋁廠接地網應用實例

下面以某電解鋁廠接地網設計為例,說明計算機仿真軟件ETAP的設計規劃思路。該電解鋁廠接地網面積為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。

根據上面的條件,在ETAP軟件中采用有限元法建立接地網模型,如圖6所示。利用ETAP軟件的相關功能,模擬了接地網絕對上升電壓、接觸電壓和跨步電壓的三維仿真圖形。通過有限元算法對全廠接地網區域各點的接觸電壓和跨步電壓值進行計算,分別用不同顏色代表不同的接觸電壓和跨步電壓等級,并在圖中標示出超限電壓區域位置,如圖7所示。通過對仿真模型進行分析研究,發現除了局部邊緣和四角以外,全廠接地網的接觸電壓和跨步電壓都遠遠低于規范所允許的最高接觸電壓和跨步電壓。由設計圖紙中我們就可以知道,接地網的四周邊緣和四角處并沒有安裝任何電氣設備,因而對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,工程設計中在上述地點和人員通道處鋪設一定厚度的碎石層,地面上還應同時鋪設厚度大于5 cm的瀝青層,其寬度應超過接地體寬度2 m。由此在仿真模型中還可以清楚看到,接地網四個角存在相對較高接觸電壓。因此,除上述保護措施外,接地網的每個角都應做成弧形,這個弧形的半徑不應小于水平接地體之間距離的一半。

圖6 接地網仿真模型

圖7 接地網電壓三維仿真模型

使用ETAP軟件可以計算接地網的接地電阻、跨步電壓和接觸電壓。通過計算接地網系統的接地電阻,然后判定接地網設計是否符合規范的要求;通過計算接地網的接觸電壓和跨步電壓,然后判定接地網設計是否符合安全技術要求。如果接地網中的上面任何一個參數不符合要求,ETAP軟件將會給出一個告警信息。這時,可以根據告警信息,針對不符合要求的接地網參數,對接地網的配置參數等進行優化或者修改,直至保證接地網的各項參數都能夠滿足規范中的要求。

在電解鋁廠接地網的接地電阻值、接觸電壓、跨步電壓等各種參數符合規范要求的前提下,ETAP軟件還可以實現對接地網進行優化設計。ETAP軟件通過重新設計接地網的水平接地體和垂直接地體,可以大大降低接地網的材料費用,使得電解鋁廠接地網設計更加經濟合理。經過測算,相比較傳統設計方法,利用ETAP軟件進行接地網優化設計,可減少接地體的用量,從而達到節省投資的目的。最后,ETAP軟件輸出一份符合規范要求的接地網設計報告。該報告全面描述了接地網設計所要求的參數條件,包括接地系統中的短路電流大小、持續時間、土壤電阻率等主要接地網參數,接地網的配置形式(主要包括接地網的水平接地體和垂直接地體的各種接地材料的技術規格和數量),以及能夠滿足國家相關規范對于計算安全要求的各種接地網參數(其中包括接地電阻值、跨步電壓、接觸電壓和對地電位等參數)。

4 結 語

電解鋁廠接地網面積大,土壤結構復雜。考慮到總平面布置的限制和投資因素的影響,傳統的基于經驗公式的計算方法存在一定的局限性。利用計算機仿真軟件ETAP,可以精確的建立一個接地網模型進行接地網的計算,并且我們可以根據接地網的實際情況選擇IEEE 80算法或有限元算法來進行接地網的分析計算。接地網的絕對上升電壓、跨步電壓和接觸電壓等級可以通過三維模型進行顯示,接觸電壓和跨步電壓的電壓等級還可以根據不同顏色進行區分。同時,ETAP軟件還針對電解鋁廠接地網的可靠性進行分析,在充分滿足規范要求的前提下,對接地網設計進行了優化,以提高接地網設計的經濟性,使設計方案達到最佳。