МИНОБРНАУКИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Югорский государственный университет»

М. В. Шкаруба Техника высоких напряжений

Учебное пособие

для выполнения домашнего задания

2015

Шкаруба М. В

Техника высоких напряжений: Учебное пособие для выполнения домашнего задания, 2015.− 64 c.

Учебное пособие по дисциплине «Техника высоких напряжений» включает теорию и описание программ для выполнения домашнего заданий.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ СТУДЕНТОВ

Расчет молниезащиты и заземляющего устройства

типовой подстанции 110/(6-10) кВ

Студенты специальности 14022 при выполнении академической темы в своем дипломном проекте должны выполнить расчет заземляющего устройства и молниезащиты главной понизительной подстанции проектируемого предприятия, в качестве которой обычно принимается одна из типовых подстанций 110/(6-10) кВ. Результаты этого расчета выносят на один из листов дипломного проекта. Чтобы помочь студентам выполнить эти расчеты безошибочно на кафедре разработаны программы на Delphi для расчета заземляющего устройства (Zaz(DZ)) и молниезащиты Мol(DZ) типовой подстанции 110/(6−10) кВ.

1. Заземляющее устройство подстанции Теоретические положения к выполнению расчета

На подстанции необходимы три вида заземлений [17]: защитное, рабочее, молниезащитное.

Защитное заземление необходимо для обеспечения безопасности персонала при обслуживании электроустановки. К защитному заземлению относятся заземления металлических нетоковедущих частей установки (корпусов электрических машин и трансформаторов, каркасов шкафов, распределительных щитов и т.д.), нормально не находящихся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции. Заземление позволяет снизить напряжение прикосновения до безопасного уровня.

Рабочее заземление предназначено для создания нормальных условий работы электроустановок. К рабочему заземлению относится заземление нейтралей трансформаторов, генераторов, дугогасительных катушек.

Молниезащитное заземление необходимо для обеспечения эффективной защиты электроустановок от грозовых перенапряжений. К молниезащитному заземлению относятся заземления молниеотводов, разрядников, ограничителей перенапряжений, опор линий, тросов, крыш закрытых распределительных устройств.

Заземляющее устройство состоит из заземлителя, находящегося в непосредственном соединении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем.

Для всех трех видов заземлений может использоваться одно и то же заземляющее устройство, но при этом его сопротивление выбирается по наиболее жестким требованиям, т.е. по наименьшей допустимой величине. Для рабочего и защитного заземления всегда используется общий заземлитель. Причем наименьшее допустимое сопротивление обычно имеет защитное сопротивление (сопротивление рабочего заземления должно быть много меньше сопротивления нулевой последовательности [17]).

Молниеотводы также можно присоединять к общему заземлителю, если они устанавливаются на конструкциях [1]. Но при этом дополнительно от стоек конструкции ОРУ 35 кВ и выше нужно обеспечить растекание тока молнии по магистралям заземления не менее чем в двух направлениях с углом не менее 90º между соседними (рис. 1.1). Кроме того, должно быть установлено не менее одного вертикального электрода длиной 3-5 м на каждом направлении, на расстоянии не менее длины электрода от места присоединения к магистрали заземления стойки с молниеотводом. Это вызвано тем, что быстрое нарастание тока молнии создает падение напряжения на индуктивности протяженного заземлителя и удаленные его части практически не участвуют в отводе тока на землю.

Рис. 1.1. Дополнительные меры при установке молниеотводов на конструкциях

На подстанции с высшим напряжением 35 кВ при установке молниеотводов на трансформаторных порталах сопротивление устройства не должна превышать 4 Ом [7]. Если на подстанции используются отдельно стоящие молниеотводы, то они должны иметь свое обособленное заземление с сопротивлением не более 80 Ом [1].

Рассмотрим порядок расчета и конструкцию защитного заземления.

Для расчета защитного заземления используются два основных инженерных способа: 1) коэффициентов использования; 2) наведенных потенциалов.

Способ коэффициентов использования применяется как при простых, так и при сложных конструкциях групповых заземлителей. При этом грунт рассматривается как однородный и лишь для верхнего слоя земли учитывается промерзание или высыхание грунта. В действительности земля не является однородной, а имеет сложное строение.

Во втором способе принимается двухслойная модель земли с разными удельными сопротивлениями нижнего и верхнего слоев грунта. Этот способ более трудоемок, требует дополнительных сведений о составе и удельных сопротивлениях грунта, но зато дает более точные результаты.

Для учебных целей, когда точных данных нет, обычно пользуются способом коэффициентов использования.

Расчет обоими способами может производиться как по допустимому сопротивлению растеканию тока заземлителя, так и по допустимому напряжению прикосновения.

В настоящее время расчет заземлителей производится в большинстве случаев по допустимому сопротивлению заземлителя. И лишь заземляющие устройства электроустановок напряжением выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью в районах с большим удельным сопротивлением земли, в том числе в районах многолетней мерзлоты, ПУЭ рекомендует выполнять по допустимому напряжению прикосновения [7].

Поэтому мы рассмотрим способ коэффициентов использования, расчет выполним по допустимому сопротивлению растекания тока.

Сопротивление растеканию R_з заземляющего устройств подстанции должно быть следующим:

1) в электроустановках напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью

Ом;

2) в электроустановках напряжением выше 1 кВ с сетях с изолированной нейтралью

, но не более 10 Ом; (1.1)

где - расчетный ток замыкания на землю, А.

3) в электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 2; 4 и 8 Ом в сетях с линейным напряжением соответственно 660, 380, 220 В;

4) в электроустановках до 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть

, но не более 4 Ом; (1.2)

где - ток замыкания на землю, А.

При суммарной мощности трансформаторов подстанции 100 кВА и менее заземляющее устройство должно иметь сопротивление не более 10 Ом.

За расчетный ток I_з в формулах (4.1) и (4.2) в сетях с изолированной нейтралью принимается полный ток замыкания на землю при полностью включенных присоединениях электрически связанной сети. Ток замыкания можно определить по приближенной формуле

I_З = U(35ℓ_К + ℓ_В )/350;

где U – линейное напряжение сети, кВ; ℓ_К и ℓ_В − общая длина электрически связанных между собой кабельных и воздушных линий, км.

В сетях с компенсацией емкостных токов в качестве расчетного тока следует принимать:

а) ток, равный 125 % номинального тока этих аппаратов (для заземляющих устройств, к которым присоединены компенсирующие аппараты);

б) остаточный ток замыкания на землю, проходящий в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов (для заземляющих устройств, к которым не присоединены компенсирующие аппараты).

Заземлители делятся на естественные и искусственные. Для снижения расходов на заземляющие устройства в первую очередь нужно использовать естественные заземлители [1]. В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать трубы водопровода, трубопроводы, проложенные в земле (за исключением нефтепроводов и газопроводов), свинцовые оболочки кабелей (использование алюминиевых оболочек не допускается) и т.п.

Сопротивления естественных заземлителей обычно измеряют, при этом результат измерения следует умножить на коэффициент сезонности k_с (табл. 4.2 или 4.3). При отсутствии измеренного сопротивления его можно оценить по формулам, выведенным для искусственных заземлителей аналогичной формы [11], или специальным формулам. Например, сопротивление растеканию системы трос-опоры (при числе опор с тросом более 20)

где - расчетное, т.е. наибольшее (с учетом сезонных колебаний), сопротивление заземления одной опоры, Ом; r –активное сопротивление троса на длине одного пролета, Ом; n - число тросов в опоре. Активное сопротивление стального троса r = 0,15ℓ /S, где ℓ –длина пролета, м; S – сечение троса, мм².

Если сопротивления естественных заземлителей недостаточно, то применяются искусственные заземлители. Искусственные заземлители - это металлические электроды, заглубленные в землю специально для устройства заземлений. На подстанциях обычно выполняются контурные заземлители, они состоят из вертикальных электродов, связанных между собой горизонтальным электродом, уложенным на глубину 0,5 – 0,7 м по контуру подстанции (рис. 4.2 и 4.3). Вокруг ЗРУ контур заземлителя укладывается на расстоянии не более 1 м от края фундамента [7]. Расстояние между оградой ОРУ и контуром заземляющего устройства должно быть не менее 2 м [7].

Рис. 1.2. Контурный заземлитель закрытой, отдельно стоящей подстанции:

1 – вертикальные электроды; 2 – горизонтальный электрод

Рис. 1.3. Контурный заземлительоткрытой подстанции: 1 – вертикальные электроды; 2 – горизонтальный электрод; 3 – ограда; 4 – выравнивающая сетка

Вертикальные электроды в контуре не следует устанавливать слишком часто, ток как при этом они экранируют друг друга, увеличивая суммарное сопротивление. Взаимное влияние электродов заземлителя друг на друга учитывается в расчете введением коэффициента использования вертикальных и горизонтального электродов, которые зависят от отношения a/ℓ, где – среднее расстояние между вертикальными электродами; p – периметр контурного заземлителя, – число вертикальных электродов, ℓ – длина вертикального электрода.

Для выравнивания потенциала на поверхности земли с целью снижения напряжения прикосновения и шагового напряжения применяются выравнивающие сетки. На открытых подстанциях рекомендуется укладывать сетки на глубине 0,5 – 0,7 м с размером ячеек 6 –12 м. Сопротивление сетки в расчетах не учитывается, обеспечивая дополнительное (резервное) уменьшение сопротивления.

Размещение продольных и поперечных полос выравнивающей сетки по территории подстанции приведено в пособии Ю.И. Солуянова [20] (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Контурный заземлитель открытой подстанции: 1- забор;

2- оборудование; 3- заземляющее устройство.

В качестве вертикальных электродов используются прутки, а также уголки и отбракованные трубы. При выборе размеров вертикальных электродов исходят из условий обеспечения требуемого сопротивления при наименьшем расходе металла, механической прочности электрода во время погружении в грунт и устойчивости к коррозии. Поэтому вертикальные электроды имеют минимальные допустимые размеры, которые в последние годы регулярно меняются. В 2006 году они очередной раз увеличены: у уголка толщина полки должна быть не менее 5 мм, у трубы толщина стенки – не менее 3,5 мм, у прутка диаметр – не менее 18 мм (для оцинкованных – не менее 16 мм).

Наибольшую механическую прочность при погружении в грунт имеют трубы и уголки, наименьшую – прутки. При заглублении вертикальных электродов предварительно роют траншею глубиной 0,7 – 0,8 м. Забивку труб и уголков производят с помощью копров, вибраторов, а при их отсутствии – кувалдами. Способ забивки кувалдой очень трудоемок и требует строительства подмостков.

Все большее распространение получают вертикальные заземлители из прутков. Они наиболее устойчивы к коррозии и долговечны. Применение прутков вместо труб и уголков приводит к экономии металла (примерно 0,5 т на 100 электродов [12]). Для ручного ввертывания прутковых электродов выпускаются электрозаглубители массой 10 – 20 кг (рис. 1.5) [16]. С помощью их вворачивают электроды до 5 м. Для облегчения ввертывания к прутку можно приварить наконечник в виде буравчика.

Рис. 1.5. Механизация работ при сооружении заземляющих устройств с помощью электрозаглубителя

В 2006 году вышел технический циркуляр № 11/2006 [26], в котором установлен минимальный диаметр прутка d=18 мм. Поэтому в лабораторной работе и домашнем задании рекомендуется брать прутки диаметром 18 мм. Для их заглубления можно использовать вибромолоты (рис. 4.6).

Рис. 1.6. Вибромолоты РТС 8PHFV

В качестве горизонтального электрода [26] применяют прутки диаметром не менее 12 мм или полосовую сталь сечением не менее 150 мм², толщиной не менее 5 мм (в лабораторной работе и домашнем задании рекомендуется полоса 5∙40 мм²). Полосовая сталь укладывается на ребро во избежания нарушения контакта при возможных усадках грунта.

Соединения горизонтальных и вертикальных электродов осуществляется сваркой. Искусственные заземлители не должны иметь окраски [1].