Расчет заземляющего устройства

Для расчета заземления необходимы следующие условия.

1. Характеристика подстанции – рабочие напряжения, типы заземления нейтралей трансформаторов, мощности трансформаторов.

2. План подстанции с указанием основных размеров и размещения оборудования.

3. Климатическая зона, где будет сооружаться подстанция, удельное сопротивление грунта.

4. Сведения о естественных заземлителях.

5. Расчетный ток замыкания на землю или данные для его определения.

Расчет сопротивления растеканию заземлителя проводится путем постепенного приближения.

Порядок расчета следующий (он составлен в соответствии с [11,12]).

1. Устанавливается необходимое по ПУЭ [1] максимально допустимое сопротивление заземляющего устройства . Если заземляющее устройство является общим для электроустановок на различное напряжение, то расчетным сопротивлением заземляющего устройства является наименьшее из требуемых.

2. Определяется необходимое сопротивление искусственного заземлителя с учетом использования естественных заземлителей:

где – расчетное сопротивление заземляющего устройства; – сопротивление естественного заземлителя.

3. Выбираются форма и размеры электродов, из которых будет сооружаться групповой заземлитель.

4. На план подстанции наносится предварительная схема заземлителя (рис. 4.2 или 4.3), определяется периметр контурного заземлителя p и среднее значение расстояния между вертикальными электродами , где – предварительное число вертикальных электродов. Оптимальным считается, a = (1– 3) ℓ, где ℓ – длина вертикального электрода.

В качестве первого приближения рекомендуется принять для подстанций с высшим напряжением 110 кВ: , ℓ = 5 м;

По отношению a/ℓ (табл. 4.1) определяется коэффициент использования вертикальных электродов [6, 17].

Таблица 1.1

Коэффициенты использования вертикальных электродов

Отнош. а/ℓ	Число вертикальных электродов
	4	6	10	20	40	60	100	200
1 2 3	0,69 0,78 0,85	0,61 0,73 0,80	0,56 0,68 0,76	0,47 0,63 0,71	0,41 0,58 0,66	0,39 0,55 0,64	0,36 0,52 0,62	0,33 0,48 0,59

На типовых подстанциях на 110/(6-10) кВ из-за малой площади отношение а/ ℓ <1, для такого отношения а/ ℓ табличные данные отсутствуют, поэтому расчетное значение К_ИВ определяется с помощью программы, разработанной на кафедре ЭсПП (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Определение К_ИВ с помощью программы, разработанной на кафедре ЭсПП

5. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта отдельно для горизонтальных и вертикальных электродов с учетом повышающих коэффициентов , учитывающих высыхание грунта летом и промерзание его зимой:

,

где – измеренное или взятое из таблиц среднее значение удельного сопротивления грунта [11].

Повышающие коэффициенты для различных климатических зон приведены в табл. 1.2 и 1.3.

Таблица 1.2

Коэффициенты сезонности вертикальных электродов [11]

Климатическая зона	Вертикальный электрод
	длиной 3 м	длиной 5 м
1 2 3	1,7 1,5 1,3	1,4 1,3 1,2

Таблица 1.3

Коэффициенты сезонности горизонтальных электродов [11]

Климатическая зона	Сезонный коэффициент
1 2 3	4,5 3,0 2,0

6. Определяется сопротивление растеканию тока одного вертикального электрода (рис. 1.8)

Рис. 1.8. Параметры вертикального электрода

, (1.3)

где ℓ – длина вертикального электрода, м; d – диаметр электрода, м; t – расстояние от поверхности грунта до середины электрода, м.

По формуле (4.3) определяют сопротивление вертикального электрода из трубы или прутка. Для уголка с шириной полки b в формулу (4.3) вместо d подставляется эквивалентный диаметр уголка .

7. Определяется примерное число вертикальных электродов при предварительно принятом коэффициенте использования вертикальных электродов :

,

где – необходимое сопротивление искусственного заземлителя.

8. Определяется сопротивление растеканию тока горизонтального электрода (рис. 1.9)

, (1.4)

где ℓ – длина горизонтального электрода, м; t – глубина его заложения, м;

d – диаметр электрода, м.

Для полосы шириной b в формулу (4.4) подставляют вместо d эквивалентный диаметр .

Рис. 1.9. Параметры горизонтального электрода

9. На плане подстанции вновь наносится схема заземлителя, по вычисленному значению определяется среднее значение и по отношению a/ℓ

(ℓ – длина вертикального электрода) уточняется коэффициент использования вертикальных (табл. 1.1) и определяется коэффициент использования горизонтального (табл. 1.4) электродов (Программа вычисляет значения и по заданным a/ℓ и ).

Таблица 1.4

Коэффициенты использования горизонтального электрода [11]

Отнош. a/ℓ	Число вертикальных электродов
	4	6	10	20	40	60	100	200
1 2 3	0,45 0,55 0,7	0,40 0,48 0,64	0,34 0,40 0,56	0,27 0,32 0,45	0,22 0,29 0,39	0,20 0,27 0,36	0,19 0,23 0,33	0,18 0,21 0,31

10. Определяется уточненное число вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтального электрода:

Если уточненное число вертикальных электродов более чем на 10 % отличается от примерного числа , то рекомендуется уточнить коэффициенты использования и и повторить расчет .

11. Определяется окончательное сопротивление растекания принятого группового заземлителя:

Это сопротивление должно быть R_о ≤ R_и.

В результате расчета получено стационарное сопротивление R_о, соответствующее переменному току небольшой величины. При больших импульсных токах (токах молнии) импульсное сопротивление заземлителя может существенно отличаться от стационарного сопротивления R_о. С увеличением импульсного тока и напряженности вблизи заземлителя наблюдается заметное снижение удельного сопротивления грунта вследствие искрообразования, а следовательно, и снижение импульсного сопротивления. Но из-за быстрого изменения импульсного тока имеет место существенное индуктивное падение напряжения вдоль заземлителя, ограничивающее отвод тока с удаленных частей заземлителя. В результате импульсное сопротивление заземлителя может оказаться меньше R_о (при коротких заземлителях, большом импульсном токе и высоком удельном сопротивлении грунта) или больше R_о (при протяженных заземлителях, малом импульсном токе и низком удельном сопротивлении грунта). Это учитывается импульсным коэффициентом

.

Для типовых заземлителей 0,3 – 1,05 [23].

Импульсный коэффициент необходимо учитывать при определении сопротивления обособленного заземлителя молниеотводов ( 80 Ом).

Если молниеотводы присоединяются к общему заземлителю подстанции и приняты дополнительные меры (обеспечено растекание тока в двух – четырех направлениях и установлено не менее одного вертикального электрода на каждом направлении, рис. 4.1), то определять не требуется, так как оно всегда меньше 80 Ом.