Все металлические части электроустановок, нормально не находящиеся под напряжением, но могущие оказаться под напряжением из-за повреждения изоляции, должны надежно соединяться с землей. Такое заземление называется защитным, так как его целью является защита обслуживающего персонала от опасных напряжений прикосновения.

Заземление обязательно во всех электроустановках при напряжении 380 В и выше переменного тока, 440 В и выше постоянного тока, а в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках — при напряжении 42 В и выше переменного тока, 110 В и выше постоянного тока.

В электрических установках заземляются корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, вторичные обмотки измерительных трансформаторов, приводы электрических аппаратов, каркасы распределительных щитов, пультов, шкафов, металлические конструкции распределительных устройств, металлические корпуса кабельных муфт, металлические оболочки и броня кабелей, проводов, металлические конструкции зданий и сооружений и другие металлические конструкции, связанные с установкой электрооборудования.

Заземление, предназначенное для создания нормальных условий работы аппарата или электроустановки, называется рабочим заземлением. К рабочему заземлению относится заземление нейтралей трансформаторов, генераторов, дугогасительных катушек. Без рабочего заземления аппарат не может выполнить своих функций или нарушается режим работы электроустановки.

Для защиты оборудования от повреждения ударом молнии применяется грозозащита с помощью разрядников, искровых промежутков, стержневых и тросовых молниеотводов, которые присоединяются к заземлителям. Такое заземление называется грозозащитным.

Обычно для выполнения всех трех типов заземления используют одно заземляющее устройство.

Для выполнения заземления используют естественные и искусственные заземлители.

В качестве естественных заземлителей применяют водопроводные трубы, металлические трубопроводы, проложенные в земле, за исключением трубопроводов горючих жидкостей и газов; обсадные трубы скважин, металлические и железобетонные конструкции зданий, находящиеся в соприкосновении с землей; металлические шпунты гидротехнических сооружений; свинцовые оболочки кабелей; заземлители опор ВЛ, соединенные с заземляющим устройством грозозашитным тросом; рельсовые подъездные пути при наличии перемычек между рельсами.

Естественные заземлители должны быть связаны с магистралями заземлений не менее чем двумя проводниками в разных точках.

В качестве искусственных заземлителей применяют прутковую круглую сталь диаметром не менее 10 мм (неоцинкованная) и 6 мм (оцинкованная), полосовую сталь толщиной не менее 4 мм и сечением не менее 48 мм².

Сечение горизонтальных заземлителей для электроустановок напряжением выше 1 кВ выбирается по термической стойкости (J _{к доп} = 400 °С, С = 70).

Количество заземлителей (уголков, стержней) определяется расчетом в зависимости от необходимого сопротивления заземляющего устройства или допустимого напряжения прикосновения. Размещение искусственных заземлителей производится таким образом, чтобы достичь равномерного распределения электрического потенциала на площади, занятой электрооборудованием. Для этой цели на территории ОРУ прокладывают заземляющие полосы на глубине 0,5—0,7 м вдоль рядов оборудования и в поперечном направлении, т. е. образуется заземляющая сетка, к которой присоединяется заземляемое оборудование.

На рис. 10 показаны план расположения контура заземления на открытом распределительном устройстве, а также кривые изменения потенциалов по территории ОРУ.

При пробое изоляции в каком-либо аппарате его корпус и заземляющий контур окажутся под некоторым потенциалом U₃=I₃R₃. Растекание тока I₃ c электродов заземления приводит к постепенному уменьшению потенциала почвы вокруг них. Внутри контура заземления потенциалы выравниваются, поэтому, прикасаясь к поврежденному оборудованию, человек попадает под небольшую разность потенциалов U_пр (напряжение прикосновения), которая составляет некоторую долю потенциала на заземлителе:

где k_п — коэффициент напряжения прикосновения, значение которого зависит от условий растекания тока с заземлителя и человека.

Шаговое напряжение, т. е. разность потенциалов между двумя точками поверхности, расположенными на расстоянии 0,8 м, внутри контура невелико (C_{шаг 1}). За пределами контура кривая распределения потенциалов более крутая, поэтому шаговое напряжение увеличивается (C_шаг2)- При больших токах замыкания на землю для уменьшения U_шаг по краям контура у входов и выходов укладывают дополнительные стальные полосы. Задачей защитного заземления является снижение до безопасной величины напряжений U₃, U_пр, U_шаг.

В установках с незаземленными и эффективно заземленными нейтралями требования к расчету защитного заземления принципиально отличаются.

В установках с незаземленными или резонансно-заземленными нейтралями (сети 6, 10, 35 кВ) ограничивается потенциал на заземлителе (Uз), т. е. нормируется сопротивление заземляющего устройства R₃. Это объясняется тем, что замыкание фазы на землю вызывает протекание сравнительно небольшого емкостного тока, и этот режим может быть длительным. Вероятность попадания под напряжение в момент прикосновения к заземленным частям увеличивается. В установках с эффективно заземленной нейтралью (сети 110 кВ и выше) замыкание фазы на землю является коротким замыканием и быстро отключается релейной защитой, в результате чего уменьшается вероятность попадания под напряжения U_пр U_шаг,. Токи однофазного КЗ значительны, поэтому резко возрастают потенциалы на заземлителе. В этих установках нормируется величина U_пр которая определяется в зависимости от длительности протекания тока через тело человека, и величина R₃.

Напряжение U_шаг не нормируется, так как путь тока нога — нога для человека менее опасен, чем путь рука — ноги.

Рис.10. Распределение потенциала по поверхности земли в поле заземлителя

В установках 6—35 кВ с незаземленной или резонансно-заземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства в любое время года должно быть

R₃= 250 / I₃ (7,10)

где I₃ - расчетный ток замыкания на землю, А.

Если в нейтраль включен заземляющий реактор, то за расчетный ток для заземляющих устройств, к которым он присоединен, принимают ток, равный 125% его номинального тока. Для заземляющих устройств, к которым реактор не присоединен, за расчетный ток принимают нескомпенсированный емкостный ток, возникающий при отключении самого мощного заземляющего реактора.

Сопротивление заземляющего устройства для электроустановок 6—35 кВ не должно превышать 10 Ом (см. ПУЭ, гл. 1. 7).

В электроустановках до 1 кВ с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства в любое время года должно быть

где Iз — расчетный ток замыкания на землю, А.

Значение R₃ не должно превышать 10 Ом при мощности источника до 100 кВ А и 4 Ом при большей мощности (см. ПУЭ, гл. 1. 7).

В (7. 10) и (7. 11) в числителе допустимые напряжения на заземлителе 250 и 125 В. Следует еще раз напомнить, что человек, прикасаясь к заземленному электрооборудованию, попадает не под напряжение U₃ а под некоторое меньшее напряжение U_пр [см- (7. 9)].

При использовании заземляющего устройства одновременно для электроустановок 6—35кВ и до 1кВ сопротивление заземляющего устройства определяется по (7. 11).

Заземляющие устройства электроустановок с незаземленной или резонансно-заземленной нейтралью выполняют в виде прямоугольника из горизонтальных и вертикальных заземлителей, иногда в виде одного-двух рядов горизонтальных и вертикальных заземлителей. Расчет таких устройств с достаточной для практических целей точностью можно вести методом коэффициентов использования, принимая грунт однородным по глубине.

Расчет производится в следующем порядке:

1. Определяют расчетный ток Iз и по (7.10) или (7.11) R₃ (при совмещении заземляющих устройств различных напряжений принимается меньшее из требуемых значений).

2. Определяют сопротивления естественных заземлителей R_E. Использование естественных заземлителей позволяет упростить конструкцию заземляющего устройства, уменьшить количество искусственных заземлителей, а иногда совсем не применять их.

Сопротивление естественных заземлителей определяют путем замера в конкретной установке. Значения их приблизительно могут быть такими: стальная водопроводная труба 2—4 Ом; свинцовая оболочка кабеля 2—3 Ом; система трос—опора 2,5—3 Ом.

Если R_E < R₃, то вертикальных заземлителей не требуется, на территории прокладывается горизонтальный заземлитель (обычно полоса), который не менее чем в двух точках связывается с естественным заземлителем.

Если R_E > R₃, то необходимо сооружение искусственных заземлителей, сопротивление которых должно быть равно:

В качестве искусственных заземлителей применяют вертикальные заземлители — стержни длиной 3—5 м, диаметром 12—20 мм и горизонтальные заземлители — стальные полосы 40 • 4 мм.

3. Определяют расчетное удельное сопротивление грунта:

где ?— удельное сопротивление грунта, измеренное при нормальной влажности. Некоторые значения ? приведены в табл. 1; k_c - коэффициент сезонности, учитывающий промерзание и просыхание грунта. В средних климатических зонах (вторая, третья) для вертикальных электродов длиной 3—5м k_c = 1,45 — 1,15, для горизонтальных электродов длиной 10—15 м k_c = 3,5 – 2,0.

Таблица 1. Удельное сопротивление грунтов.

4. Определяют предварительно конфигурацию заземлителя с учетом его размещения на отведенной территории, причем расстояние между вертикальными заземлителями принимается не менее их длины. По плану заземляющего устройства определяется предварительно длина горизонтальных заземлителей.

5. Определяют сопротивление горизонтальных заземлителей (соединительной полосы контура). Ом:

где l — длина полосы, м; b — ширина полосы, м; t — глубина заложения, м; r _расч— расчетное сопротивление земли для горизонтальных заземлителей.

С учетом коэффициента использования сопротивление полосы:

где ?_г — коэффициент использования по табл. 2.

6. Если R_г < R_иск, то вертикальных эаземлителей не требуется. Если R_г < R_иск то необходимы вертикальные заземлители общим сопротивлением

7. Определяют сопротивление Ом, одного вертикального заземлителя (стержня):

где r _расч -- расчетное удельное сопротивление грунта, Ом•м; l—длина стержня, м; d — диаметр стержня, м; t — глубина заложения, равная расстоянию от поверхности земли до середины заземлителя, м.

Таблица 2. Коэффициент использования соединительной полосы в контуре из вертикальных электродов.

8. Определяют количество вертикальных заземлителей:

где r_в—коэффициент использования вертикальных заземлителей, зависящий от расстояния между ними а, их длины и количества (табл. 7.5). На основе результатов расчета уточняют конфигурацию заземляющего устройства.

Согласно ПУЭ заземляющие устройства электроустановок выше 1 кВ сети с эффективно заземленной нейтралью выполняются с учетом сопротивления R₃ < 0,5 Ом или допустимого напряжения прикосновения.

Расчет по допустимому сопротивлению R₃ < 0,5 Ом приводит к неоправданному перерасходу проводникового материала и трудозатрат при сооружении заземляющих устройств для подстанций небольшой площадью, не имеющих естественных заземлителей. Опыт эксплуатации распределительных устройств 110 кВ и выше позволяет перейти к нормированию напряжения прикосновения, а не величины R₃ [7.5, 7.6]. Обоснованием этого служат следующие соображения. В момент прикосновения человека к заземленному оборудованию, находящемуся под потенциалом (см. рис.10 ), часть сопротивления заземлителя шунтируется сопротивлением тела человека R_ч и сопротивлением растеканию тока от ступеней в землю R_с. На тело человека фактически будет действовать напряжение:

где U_с==I_чR_c— падение напряжения в сопротивлении растеканию с двух ступеней человека в землю.

Если принять ступню за диск радиусом 8 см, то:

где r _а,с—удельное сопротивление верхнего слоя земли, Ом·м; r — радиус ступни, м.

Ток, протекающий через человека,

Опасность поражения зависит от тока и его длительности протекания через тело человека. Согласно принятым нормам допустимый ток определяется так:

Зная допустимый ток, можно из (7.19) найти допустимое напряжение прикосновения:

U_ПР ? I_Ч R_Ч + U_С .

Подставляя значения U_С и R_С, получаем:

U_ПР ? I_Ч R_Ч + 1.5 I_Ч ?_В,С

Так, например, если R_Ч= 1000 Ом, удельное сопротивление верхнего слоя почвы r _В,С=1000 Ом м, время воздействия тока 0,5 с, то, найдя 1ч доп = 100 мА =0,1 А, определим:

Из (7.20) видно, что чем больше r _В,С тем большее напряжение прикосновения можно допустить. Приняв некоторую среднюю величину r _В,С можно рекомендовать для расчетов приведенные ниже допустимые напряжения прикосновения:

За расчетную длительность воздействия ?_в принято

где t_{р з}—время действия релейной защиты.

Для рабочих мест, где персонал прикасается к заземленным частям при оперативных переключениях, принимается время действия резервной защиты, для остальных мест — время действия основной защиты; t_{отк ,в}-- полное время отключения выключателя.

Заземляющее устройство, выполненное по нормам напряжения прикосновения, должно обеспечить в любое время года ограничение U_пр до нормированного значения в пределах всей территории подстанции, а напряжение на заземляющем устройстве U_з должно быть не выше 10 кВ. Если U_з > 5 — 10 кВ, необходимо принять меры по защите изоляции отходящих кабелей и предотвращению выноса высокого потенциала за пределы электроустановки.

Заземляющее устройство для установок 110 кВ и выше выполняется из вертикальных заземлителей, соединительных полос, полос, проложенных вдоль рядов оборудования, и вы-равнивающих полос, проложенных в поперечном направлении и создающих заземляющую сет-ку с переменным шагом. Расстояние между полосами должно быть не более 30 м.

Рекомендуются различные методы расчета сложных заземлителей]. Учет многочисленных факторов, влияющих на растекание тока с заземлителей, усложняет расчет. В проектных организациях он производится по специально составленной программе на ЭВМ. Ниже рассмотрен упрощенный метод расчета.

Сложный заземлитель заменяется расчетной квадратной моделью при условии равенства их площадей S, общей длины горизонтальных проводников, глубины их заложения t, числа и длины вертикальных заземлителей и глубины их заложения. В реальных условиях удельное сопротивление грунта неодинаково по глубине. Как правило, верхние слои имеют большее удельное сопротивление, а нижние, увлажненные слои — меньшее сопротивление. В расчетах многослойный грунт представляется двухслойным: верхний толщиной h₁ с удельным сопротивлением r ₁, нижний с удельным сопротивлением r ₂. Величины r _{1, r 2}, h₁ принимаются на основе замеров с учетом сезонного коэффициента k_с.

1. Зная наибольшее допустимое напряжение прикосновения по (7.9), определяем напряжение на заземлителе:

где k_п— коэффициент напряжения прикосновения;

для сложных заземлителей он определяется по формуле:

где l_в—длина вертикального заземлителя, м; L_Г— длина горизонтальных заземлителей, м; а — расстояние между вертикальными заземлителями, м; S — площадь заземляющего устройства, м²; М — параметр, зависящий от r ₁/r ₂ следующим образом:

? — коэффициент, определяемый по сопротивлению тела человека R_Ч, и сопротивлению растекания тока от ступней R_С:

В расчетах принимают R_Ч = 1000 Ом; R_С = 1,5 r _{В, С}.

2. Так как U₃ = I₃R₃, то сопротивление заземляющего устройства должно быть, Ом,

где I₃—ток стекающий с заземлителя проектируемого заземляющего устройства при однофазном КЗ.

Если однофазное КЗ произошло в пределах электроустановки, то

где I_п,0⁽¹)— ток однофазного КЗ в месте повреждения; x_о — результирующее индуктивное сопротивление нулевой последовательности до места КЗ; Х_{T 1}— сопротивление нулевой последовательности трансформаторов рассматриваемой электроустановки.

Если однофазное КЗ произошло за пределами электроустановки, то

I₃ = I_п,0⁽¹(x_о/ Х_{T 1})

Из (7.25) и (7.26) видно, что ток, стекающий в землю через заземлителе составляет некоторую долю от тока однофазного КЗ, которая зависит от мощности установленных трансформаторов и количества заземленных нейтралей в системе. Например, для примера (3.5) Iз == (0,4 ? 0,6) I_П,0⁽¹⁾. Для подстанций, на которых заземлена нейтраль одного трансформатора, эта доля может быть еще меньше.

3. Определяют общее сопротивление естественных заземлителей, Ом:

                          1
R_{E =} -------------------------------------------
          (1/R_КАБ)+(1/ R_ф)+(1/ R_с,т,о)

где R_каб-- сопротивление растеканию тока кабелей; R_ф—сопротивление растеканию тока фундаментов; R_с,т,о сопротивление растеканию тока системы трос — опоры.

Если R_е < R_доп, то сооружается только сетка из горизонтальных полос, если R_е < R_доп то необходимо сооружение искусственного заземлителя, сопротивление которого определяется по (7.12).

4. Определяют общее сопротивление сложного заземлителя, преобразованного в расчетную модель, Ом:

r _э — эквивалентное удельное сопротивление земли, Ом·м (табл. 6);

L_В—общая длина вертикальных заземлителей; L_В ==l_вn_в

Полученное значение R₃ должно быть меньше Rз.доп или R_иск.

Если сопротивление заземлителя превышает требуемые значения, то необходимо увеличение площади S, длины L_Г, числа вертикальных заземлителей n_в и их длины. Все это приводит к дополнительным расходам и на подстанциях трудно осуществимо. Эффективной мерой уменьшения опасности прикосновения является подсыпка гравия или щебня слоем 0,1—0,2 м у рабочих мест. Удельное сопротивление верхнего слоя при этом резко возрастает (5000—10000 Ом-м), что снижает ток, проходящий через человека, так как возрастает сопротивление растеканию тока со ступней R_{с .}

Таблица 6. Относительное эквивалентное удельное сопротивление для сеток с вертикальным заземлителем рз/р₂

В расчете соответственно уменьшается коэффициент b и увеличивается допустимое сопротивление заземляющего устройства.

Заземляющее устройство может выполняться с соблюдением требований к его сопротивлению [1.12]. В этом случае в любое время года с учетом естественных заземлителей должно быть R₃ ? 0,5 Ом.

В таких заземляющих устройствах для выравнивания потенциала прокладываются продольные и поперечные полосы на глубине 0,5—0,7 м и на рассгоянии от фундаментов или оснований оборудования 0,8—1 м. Расстояние между поперечными полосами рекомендуется принимать увеличивающимся от периферии к центру заземляющей сетки, но не более 20 м.

[Разделы] [Оглавление раздела] [Главная страница СПЭТ] [Назад] [Дальше]