ETAP软件在电厂接地设计中的应用

潘淑杰

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

ETAP软件在电厂接地设计中的应用

潘淑杰

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

本文从建立工程、建立模型、输入参数、输出结果四方面对ETAP软件在发电厂接地设计中的应用进行了详细论述；经过分析，表明了ETAP软件在接地设计中的优势及目前存在的问题。最后以工程实例为基础进行了验证，对今后工程的接地网设计计算具有一定的指导和借鉴作用。

接地设计；接地模型；接地参数；ETAP。

电力系统不断发展，对于电厂接地系统的设计来说，传统的经验公式方法与实际结果相差较大。对电厂接地网再沿用经验公式设计不能满足要求。必须采用新的方法以适应发展的需要，从而达到运行安全可靠，技术经济指标合理的目的。随着计算机技术和数值分析技术的发展，有必要从传统方法转变到采用计算机精确设计，使电厂接地网的设计更加科学合理。

ETAP经过不断的改进与发展，已经成为工程师广泛使用的处理工业领域及电力系统分析设计的工具。ETAP软件的接地模块依据国际通用标准IEEE编写，具有参数设置详细、模型设置准确、输出结果较完善、便于分析的优点。统计表明，在美国64家核电站的接地设计中有51家使用ETAP。

1 ETAP接地模块的使用

采用ETAP接地模块设计接地网由建立工程、建立模型、输入参数、输出结果四部分组成，以下将介绍ETAP接地模块的使用方法。

1.1 建立工程

启动ETAP计算程序，点击新建工程，在对话框中输入工程名称，点击确定生成工程文件，根据需要，在新建工程对话框中应选择米制或英制。

1.2 建立模型

在生成工程文件窗口中选择OLV1窗口，进入编辑模式。从单线图中的交流设备工具条中点击接地网系统并拖动即可。可以对元件进行拷贝、剪切、粘贴、删除、重命名等操作。双击模型可以调用ETAP接地网设计编辑器。

ETAP接地模块采用IEEE 80标准的公式法计算等间距接地网，采用有限元算法计算不等间距接地网。在分析模式中选择需要的设计方法(IEEE 80法或有限元法)，点击确定，进入到接地网系统程序中。在该程序中可编辑接地网的形状、材料及其他相关参数。

1.3 输入参数

(1)输入土壤电阻率参数

双击土壤模型编辑器，在窗口中输入土壤电阻率模型的计算值。并选择合适的土壤绝缘保护层将其深度及土壤电阻率输入。

(2)输入接地网参数

从编辑工具条中选择合适的功能模型并放置于接地网系统的表层视图中。在表层视图中双击导体可弹出其电子数据表编辑器。从而对接地网导体的类型、截面、导体埋设深度等进行编辑。

(3)计算用相关参数

接地计算编辑器包括平均体重，周围温度，故障电流时间，计算入地电流的相关参数(如零序故障电流，分流系数，抗阻比)等。ETAP允许对IEEE 80法或有限元法创建或保存多个分析案例。创建一个新的接地网系统分析案例，只要在工具条的分析案例菜单中选定新建就可以了。

至此，接地计算所需的数据输入完成，可以进行接地计算了。

1.4 接地计算及结果输出

参数输入完成，检查无误后，点击接地计算按钮，并输入计算结果所在文档的名称。计算完毕自动显示接地电压升、跨步电压、接触电压以及接地电阻值的计算结果。ETAP接地模块能以三维图的形式显示计算结果，并可在图中用不同的颜色标出越限电压，还可以生成报表。通过接地报告管理器可以输出简要或完整的接地设计报告，自动统计所用的材料量。选择不同的选项，可显示想要输出的内容，并将其保存在最初新建工程目录下。

2 ETAP接地模块的分析

基于经验公式的传统手算方法设计计算接地网具有一定的局限性。尤其是电厂对设计的准确性要求较高，传统的近似公式算法已不能满足设计深度要求。采用软件可以准确的搭建模型进行计算，结果较之前更为准确。

2.1 IEEE算法简介

ETAP接地模块的IEEE算法基于IEEE80－2000的公式编写，适用于等间距布置的规则接地网，对不等间距或不规则的接地网，只能等效或粗略计算。文献将不规则接地网等效后用ETAP接地模块的IEEE算法进行了计算。

2.2 有限元方法简介

有限元法是一种数值计算法，其计算机理是将区域离散后对每个单元建立微分方程，将各个微分方程线性化后联立形成整体计算矩阵。具有不改变原模型，求得的数值解可无限接近精确解；可解分层介质中的电磁场，处理较简单；不受场域边界形状的限制等优点。在分析接地网的特性时，有限元法在很多方面优于其他分析方法，其可按实际划分区域，也可处理分层土壤及其它特殊地形。因此，应用有限元法还可十分方便地考虑土壤结构、土壤电阻率、地网埋深及短路电流入地点因素对地网特性的影响。

有限元法计算地中电流的分布既可算出地电位的分布情况，对计算工频回流时的工频接地电阻及雷过电压下的冲击接地电阻有重要参考价值，也可供交流系统接地设施的设计研究参考。由于接地网的工频交流接地电阻与直流接地电阻非常接近，因此可近似利用接地网在直流激励下的响应代替工频激励下的响应。

3 对ETAP接地模块的评价

3.1 ETAP接地模块的优点

ETAP软件的接地模块具有参数设置详细、模型设置准确、输出结果较完善、便于分析的优点。

(1)提供了三维视图，并与接线图相结合，可以使设计者形象地看到设计出的接地系统。

(2)可以选用IEEE 80算法或有限元算法进行接地网分析计算。

(3)可将接地电压升、跨步电压、接触电压以二维或三维图形显示出来，并可在图中用不同的颜色标出越限电压，还可以生成报表。

3.2 ETAP接地模块目前存在的问题

(1) ETAP所包含的接地模块不具有土壤电阻率分析功能，计算中所采用的土壤电阻率值是手动输入的，对于两层土壤模型必须计算出上层土壤深度，手动填入该值才能计算。

(2) ETAP接地模块并不能精确计算出接地网任意一点的跨步电压和接触电压，只是在三维图中粗略显示出来，从而不利于分析电压越限区域。

(3) ETAP接地模块目前最多只能进行两层土壤电阻率情况下的接地网计算，对于土壤结构复杂的地区，若需要建立三层或以上的土壤电阻率模型，则目前不能应用ETAP接地模块计算。

(4) ETAP接地模块的跨步电压、接触电压的限值是根据IEEE 80－2000标准计算的，与国标GB/T 50065－2011规定的适合我国国情的跨步电压、接触电压限值有所不同。若采用ETAP进行国内工程得设计时，应引起注意，跨步电压、接触电压的限值可根据需要手算。

4 工程实例

以某涉外工程为例，采用ETAP 7.5软件接地模块进行接地计算。

输入条件：IG＝47.71 kA，X/R＝40，tc＝0.5s，Sf＝60%。水平接地导体采用截面150 mm2的软拉裸铜绞线，垂直接地极采用长2.44 m直径为1.72 cm的镀铜钢棒。接地计算的区域为#1、2号机汽机房、锅炉房、变压器区域以及辅助车间。对测得的26个测点的土壤电阻率在不同深度取均值，得表1。

表1 土壤电阻率均值计算

采用双层土壤电阻率模型，经计算，上层土壤电阻率ρ1＝40 Ωm，下层土壤电阻率ρ2＝120Ωm，上层土壤深度h＝7.67 m。根据厂区布置情况，主接地网的布置见图1。

图1 主接地网布置图

将图1主接地网等效为等间距布置的规则形状的接地网，见图2。用ETAP接地模块的IEEE 80算法和有限元算法分别计算，计算结果见表2。

ETAP接地模块的IEEE 80法与有限元法的计算对比结果见表2。

图2 ETAP等效接地网布置图(规则网格)

表2 规则网格接地计算结果对比

从表2的计算结果可以看出，对于同一个接地网，采用相同的输入条件，有限元算法的计算结果比IEEE 80的公式法的计算结果保守。

将图1的接地网在ETAP中进行精确等效，见图3，并采用有限元法计算。

图3 ETAP等效接地网布置图(不规则网格)

有限元法计算等间距规则形状接地网与计算不等间距不规则形状接地网的对比结果见表3。

表3 规则与不规则接地网格计算结果对比

根据IEEE80－2000，对于体重50 kg的人，其跨步电压、接触电压的限值分别为203.4 V、173.9 V，对于规则地网和不规则地网两种模型，其跨步电压都满足要求，接触电位都越限。

从表3的计算结果可见，在计算结果几乎相同的情况下，不规则地网模型比规则地网节省水平接地体2810 m(截面150 mm2的软拉裸铜绞线)，垂直接地极34 m(直径1.72 cm的镀铜钢棒)。经计算节省水平接地体23.7%，垂直接地极23.6%。

5 结论

由于占地面积等条件的限制且考虑到经济性，目前发电厂的主接地网很少采用等间距或规则的不等间距布置，因此基于经验公式的传统手算方法具有一定的局限性。发电厂接地网面积大，土壤结构复杂，

采用软件可以准确的搭建模型进行计算，结果较之前更为准确。同时能够满足设计需要，有利于标准化工作。

通过本文第4部分工程算例的计算结果证明，ETAP应用于大型地网优化设计可大幅节省工程投资，使设计方案趋向最优。

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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，山东潍坊人，硕士，工程师，主要从事发电厂电气一次部分设计工作。