книги / Техника высоких напряжений

(вероятность

0,3°/0)

и

[jdï)

~

В

том

случае,

когда

объект и

молниеотвод разделены воздушным

= 30 ка/мксек. Для металлических

промежутком

длиной s, то

необхо­

молниеотводов решетчатой конструк­

димо выполнение условия

ции, а также для отдельно проло­

s > - ^ ~

женных

токоотводящих

спусков

'

удельная

индуктивность

составляет

£ д о „

При допустимой средней напряжен­

приблизительно L0 =

1,7 мкгн)м. Та­

ким образом, для расчетных условий

ности

электрического

поля

в воз­

имеем:

душном промежутке £ доп=500 кв/м

^ г =

150Ди +

50/,

кв.

(31-11)

получаем:

53*0,ЗЯи +

0,1/,

м.

(31-13)

Амплитуда напряжения на молние­

Если

отводах оказывается весьма высокой,

необходимо

предотвратить

например, при R„— 10 ом и на рас­

перекрытия с

заземлителя

молние­

стоянии / =

10 м от заземлителя по­

отвода на

объект,

расположенный

лучаем:

Ui = 2 000 кв.

в земле, то необходимо, чтобы рас­

стояние между ними в земле было:

Потенциал

заземлителя молниеотвода

(31-14)

при этом

£ д о п

Uз = / м#и =

1 500 кв.

Допустимая средняя напряженность

Очевидно,

чтобы

не

было пере­

электрического поля в земле состав­

ляет Ёдоп—ЗОО кв/м. При

расчетном

крытия

«а

защищаемый

объект,

токе

молнии

/м=150

ка

получаем

прочность

изоляции

между

объек­

условие

том и молниеотводом должна быть

53^0,5/?и, м .

(31-15)

выше величины напряжения на мол­

ниеотводе.

31-4. ОСОБЕННОСТИ

Если объект представляет собой

провод,

подвешенный

на гирлянде

КОНСТРУКТИВНОГО

ВЫПОЛНЕНИЯ

изоляторов,

которая

другим своим

МОЛНИЕОТВОДОВ

концом укреплена на мачте

с мол­

В

качестве

несущих

устройств

ниеотводом,

то необходимо

выпол­

для крепления

токоведущих

частей

нить условие

(31-12)

молниеотводов должны там, где это

£/р>150Ян-{-50/,

возможно,

использоваться

конст­

где Up — импульсное разрядное на­

рукции

самих

защищаемых

объек­

пряжение

гирлянды

изо­

тов. Например, в открытых распре­

ляторов.

делительных

устройствах

напряже­

нием 110 кв и выше молниеприемни-

ки могут устанавливаться на метал­

лических

порталах,

предназначен­

ных для подвески ошиновки, а сами

порталы могут использоваться в ка­

честве

токоотводов,

соединяющих

молниеприемники

с

заземлителем.

Отдельно стоящие молниеотводы

также могут выполняться

металли­

ческими: из стальных труб, если вы­

сота

молниеотвода

не превосходит

20 ж, или в виде решетчатых конст­

рукций при высоте более 20 м. Од­

Рис. 31-16. К определению до­

нако

более

дешевыми

являются

молниеотводы, выполненные на же­

пустимого

расстояния

между

лезобетонных

или

на

деревянных

молниеотводом и защищаемым

объектом.

стойках

(при высоте до 20 ж). Me-

земления

предназначены

для

без­

опасного отвода в землю токов мол­

нии и называются грозозащитными.

В установках высокого напряжения

применяются также

рабочие зазем­

ления

и

заземления

безопасности

(защитные). Хотя эти два вида за­

землений не имеют прямого отноше­

Рис.

32*1.

Схема замещения

зазёмлителя

ния к теме учебника, мы их кратко

в грунте с удельным сопротивлением

рассмотрим, так как иногда одно и

р < 5 - 103

ом-м.

то же заземляющее устройство мо­

жет

выполнять

несколько

функций

ношение

падения

напряжения

на

одновременно.

заземлителе

к проходящему

через

Назначением

рабочего

заземле­

него току. Сопротивление заземли-

ния является

обеспечение

нормаль­

теля

определяется

его

геометриче­

ной работы установки или ее эле­

скими размерами и характеристика­

ментов в выбранном для них режи­

ми земли, в

которой

он

находится.

ме. К

рабочему

заземлению

отно­

Большое

влияние

на

величину

со­

сится заземление нейтралей силовых

противления

заземлителя

могут

трансформаторов

(в

системах

с за­

земленной

нейтралью),

измеритель­

оказывать

величина

стекающего

с него тока

и скорость

его

измене­

ных

трансформаторов

напряжения,

ния во времени.

заземление

реакторов

поперечной

В качестве электродов

заземли­

компенсации в дальних линиях пе­

теля

используются

как

вертикаль­

редач и др.

ные стержни, так и горизонтальные

Защитное заземление выполняет­

полосы,

которые

могут иметь боль­

ся с

целью обезопасить

обслужи­

шую длину

(десятки

метров). Для

вание

электрических

установок

пу­

длинных

электродов

начинает

ска­

тем заземления

металлических

ча­

зываться их индуктивность, влияние

стей установки,

которые могут ока­

которой

можно

проанализировать

заться под напряжением при корот­

с помощью схемы замещения, в об­

ких

замыканиях

(корпусы

машин,

щем случае состоящей из индуктив­

баки

трансформаторов

и т. д.).

ности электродов L и их активного

Для осуществления любого вида

сопротивления г, а также проводи­

заземления

требуется заземляющее

мости g и емкости С. Активное со­

устройство, состоящее из заземли-

противление

электродов

во

всех

теля, располагаемого в земле, и за­

случаях на 1—2 порядка меньше со­

земляющего

проводника,

который

противления

заземления,

поэтому

соединяет

заземляемый

элемент

не играет существенной роли. Что

установки

с

заземлителем.

Потен­

касается

емкости

С,

под

которой

циал

заземляемого объекта

опреде­

следует

понимать

емкость

элек­

ляется суммой падений напряжения

тродов относительно

уровня

нуле­

на заземляющем проводнике и на

вого потенциала, то ее влияние воз­

заземлителе.

При

промышленной

растает с увеличением удельного со­

частоте

первая

составляющая

по­

противления грунта. Вместе с тем

тенциала

объекта

пренебрежимо

для грунтов с удельным сопротив­

мала, при импульсах она может

лением

р<5 - 103 ом*м емкостные

иметь существенное значение, но ее

токи даже при импульсах пренебре­

предпочитают

учитывать

отдельно.

жимо малы по сравнению с токами

Поэтому в дальнейшем мы будем

проводимости. Поэтому

в большин­

интересоваться только падением на­

стве случаев схема заАмещения за­

пряжения

на

заземлителях.

землителя (рис. 32-1) состоит из ин­

Заземлитель принято характери­

дуктивности

на

единицу длины L

зовать

величиной

его

сопротивле­

и проводимости

на

единицу

дли­

ния,

которое

определяется

как

от-

ны g , которая связана

с сопротив­

лением заземления простым соотно­

что при увеличении этого тока

шением

1

возрастает

потенциал

заземлителя

U — IR

RI •

и напряженность поля в грунте

В первые моменты времени по­

Е = /р,

сле

подключения

к

заземлителю

источника тока

индуктивность

пре­

где

i —плотность тока.

пятствует

проникновению

тока

к

поля

до­

удаленным

участкам

заземлителя,

Когда

напряженность

которые, таким образом, слабо уча­

стигает

определенной

величины,

ствуют в отводе тока в землю. По­

в

грунте

начинают

происходить

степенно распределение напряжения

сложные

физикохимические

про­

вдоль заземлителя выравнивается и

цессы, в результате которых удель­

сопротивление

заземления

умень­

ное

сопротивление

грунта

умень­

шается, стремясь к своей предель­

шается. При дальнейшем

возраста­

ной величине R.

нии тока напряженности поля до­

Длительность

переходного

про­

стигают критической величины,

при

цесса в заземлителе зависит от по­

которой

возникает

электрический

пробой грунта, развивающийся в ви­

стоянной времени

де

разветвленных

проводящих

ка­

T =

L g l\

(32-1)

налов. Эти каналы шунтируют уча­

стки земли, прилегающие к электро­

пропорциональной

индуктивности

ду,

размеры

которого

как

бы

уве­

личиваются

(рис. 32-2).

В

резуль­

всего заземлителя LI и его проводи-

тате

этого сопротивление

заземли­

1

,

мости

теля уменьшается тем сильнее, чем

£-=&*•

В

заземлителях

грозозащиты

больше размер

искровой зоны, т. е.

чем

больше

стекающий с заземли­

основной интерес имеет значение со­

теля

ток. Эти

процессы

начинают

противления заземлителя

в момент

играть

существенную

роль

при

максимума

тока

молнии,

т. е. при

очень

больших

токах,

которые

мо­

времени /=Тф. Если Тф > Г, то к ин­

гут протекать главным образом при

тересующему нас

моменту

времени

разрядах

молнии.

переходный

процесс

в

заземлителе

В

соответствии

с

изложенным

полностью

закончится,

и

заземли-

выше

принято

различать

стацио­

тель будет обладать сопротивлением

нарное сопротивление

заземления,

заземления

стационарного

режи­

характерное

для

рабочих

и защит­

ма

R.

Заземлители,

удовлетворяю­

ных

заземлений,

когда

индуктив­

щие этому условию, называются со­

ность электродов заземлителя и про­

средоточенными. Если, напротив, Тф

цессы искрообразования в грунте не

соизмеримо с Г, то в момент макси­

имеют

существенного

значения, и

мума тока

сопротивление z>R. Та­

импульсное

сопротивление заземле-

кие

заземлители

называются

про­

тяженными. Таким образом, сосредо­

точенными принято называть зазем­

лители,

индуктивность

которых

не

играет существенной роли, в то вре­

мя как в протяженных заземлителях

она приводит к увеличению сопро­

тивления заземления. При промыш­

ленной частоте в указанном смысле

все заземлители

являются

сосредо­

точенными.

Рис. 32-2. Искровая

зона

во­

Влияние амплитуды стекающего

круг заземлителя

при

стекании

с заземлителя

тока

связано с

тем,

с

него

большого

тока.

ния,

характерное

для

заземлителей

грозозащиты,

величина

которого

определяется

как

импульсным

ха­

рактером тока,

так

и

процессами

искрообразования

в грунте.

сопро­

Отношение

импульсного

тивления заземления

к

стационар­

ному

называется

импульсным

коэффици­

ентом. У сосредоточенных заземли­

телей, для которых основное значе­

ние имеют пробои грунта под дей­

ствием большого тока молнии, аи<1.

У протяженных

заземлителей

аи

может быть как больше, так и

меньше единицы.

Рис. 32-3. К определению напряжения при­

косновения и шага.

32-2. ДОПУСТИМАЯ

ВЕЛИЧИНА

трического поля в земле весьма

СОПРОТИВЛЕНИЯ

ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Чем меньше сопротивление за-

проста (рис. 32-3).

элементарного

Сопротивление

землителя,

тем

лучше

выполняют

слоя

земли

между эквипотенциаль­

свои

функции

все

перечисленные

ными

поверхностями

(сферами)

выше виды заземлений. Однако при

с радиусами г и r+ d r

уменьшении

сопротивления

зазем-

лителя его стоимость сильно возра­

стает, поэтому

приходится устанав­

ливать допустимые величины сопро­

следовательно, стационарное

сопро­

тивлений заземлителей. Для

рабо­

тивление

заземления

полушарового

чих заземлений допустимая величи­

электрода

радиусом г0

на сопротивления заземлителя опре­

оо

деляется

требованиями

режимов

работы каждой конкретной установ­

* = $ * * = ш ?

(32_2)

ки и здесь рассматриваться не бу­

Го

дет.

Допустимые

величины

сопро­

При стекании с заземлителя то­

тивлений заземлителей

грозозащи­

ты обычно лежат в пределах 5—

ка / повышенный потенциал будет

30 ом.

что

на

территории

иметь не только электрод заземли­

Допустим,

теля, но и близлежащие участки

подстанции

расположен

трансфор­

поверхности

земли. Потенциал точ­

матор, бак которого присоединен к

ки поверхности земли,

расположен­

заземлителю

полушаровой

формы

ной на расстоянии г от центра за­

(рис. 32-3), и на этом трансформа­

землителя, равен:

торе

произошло

перекрытие

одного

оо

из

проходных

изоляторов.

Через

UT = I ^ d R = ^ r.

(32-3)

место повреждения будет проходить

Г

ток замыкания на землю /, который

Кривая

распределения

потен­

создаст в заземлителе падение на­

пряжения

£/=//?,

где

R — его

со­

циала вдоль поверхности земли так­

противление. Для

полушарового за­

же приведена на рис. 32-3.

землителя

величину

R

нетрудно

В момент аварии человек может

найти, так

как

конфигурация элек-

находиться

в зоне повышенного по­

тенциала. Если он при этом касает­

ство

должно

иметь

сопротивление

ся бака трансформатора, то к нему

R < ™ ом,

(32-5)

оказывается

приложенным

напря­

жение,

равное

разности

потенциа­

если

оно

используется

только

для

лов бака и земли в месте располо­

жения ног человека, так называе­

установок

высокого

напряжения, и

мое напряжение прикосновения Unp.

Человек, идущий к трансформатору,

R < ~

ом,

(32-6)

оказывается под шаговым напряже­

если оно используется также и для

нием ЁЛп<{Лц>, которое зависит от

длины шага (в среднем 80 см) и

установок

низкого

напряжения,

но

расстояния от человека до зазем-

не более 10 ом.

без

компенсирую­

лителя (рис. 32-3).

В

установках

Для обеспечения полной безопас­

щих аппаратов расчетным током 7

ности

обслуживающего

персонала

является емкостный ток замыкания

заземляющее

устройство

подстан­

на землю всей электрически связан­

ций следовало бы проектировать та­

ной воздушной и кабельной сети:

ким

образом,

чтобы

напряжения

/ =

31/фшС,

прикосновения

и

шага

в

любых

условиях

не превосходили допусти­

где С — емкость

одной

фазы

уста­

мых величин. В настоящее время

новки на землю.

с

компенсацией

отсутствуют

данные

для

определе­

В

установках

ния

допустимых

с

точки

зрения

емкостных токов расчетным током/

безопасности

напряжений,

воздей­

является остаточный или неком ­

ствующих на человека, так как эти

пенсированный

ток

замыкания

на

напряжения зависят от очень боль­

землю, который может иметь место

шого

количества

факторов.

Среди

в данной сети при отключении наи­

этих факторов важную роль играет

более мощного из компенсирующих

и длительность

воздействия

напря­

аппаратов, но не менее 30 а.

жения,

при

уменьшении

которой

Расчетный

ток

заземляющих

выдерживаемое человеком напряже­

устройств, к которым присоединены

ние возрастает.

Последнее

обстоя­

компенсирующие

аппараты,

равен

тельство позволило предъявлять бо­

125% номинального тока этих аппа­

лее легкие требования к защитным

ратов.

заземлениям в установках с боль­

Во всех этих случаях предпола­

шими токами замыкания на землю

гается, что, помимо уменьшения со­

(/>500 а), в которых длительность

противления

заземления

подстан­

замыкания невелика и определяется

ции до указанных выше пределов,

временем

действия

релейных за­

принимаются все меры для вырав­

щит. При малой длительности за­

нивания

распределения

потенциа­

мыкания на землю резко сокра­

лов вдоль поверхности земли на

щается и вероятность попадания че­

территории

подстанции.

ловека в зону повышенных потен­

циалов во время аварии.

32-3.

ОСНОВНЫЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

Согласно действующим в Совет­

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРУНТА

ском

Союзе

«Правилам

устройства

электроустановок»:

с

глухозазем-

а)

Электропроводность

грунта

1)

в

установках

Земля,

в

которой

происходит

ленн9Й

нейтралью

заземляющее

растекание

тока

с

заземлителя,

устройство должно

иметь сопротив­

является

средой

весьма

сложной и

ление

неоднородной как по составу, так и

Ж

0,5

ом\

(32-4)

по структуре. Основными составны­

в

установках

с

ми частями земли являются твер­

2)

н езад ем л ен -

дые

частицы

неорганического

или

ной нейтралью заземляющее устрой­

органического происхождения и во­

Г л у б и н а

Сечение электрода

Типы

за зе м л и т ел я

у к л а д к и

к р у гл о е

(д и ам етр d )

п р ям о у го л ьн о е

(ш ирина b)

Горизонтальный лучевой

h

р

J*

O

P

,

2/2

R ~ 2

1п h d

длиною

1

R — 2 K I ln h b

h

= 0

P

2 1

n

P

A l

* =

^ г 1 п т

* — S - “ T

Горизонтальный кольце­

p

4n D 2

p

TZ

вой диаметром D

h

8 D 2

R ~ 2 it

*D ln h d

R — 2 n * D l n

h b

В случае одинакового

сопротив­

При

расположении

электродов

ления R каждого из п электродов и

на конечном расстоянии друг от

отсутствия

взаимного

влияния

друга ток от заземлителя / уже не

отдельных заземлителей мы получи­

проходит

в

часть

пространства

ли бы общее сопротивление зазем­

справа

от

вертикальной плоскости

ления

системы

симметрии АБ, которая является как

бы экраном, не пропускающим этот

ток. Аналогично ведет себя ток от

В действительности из-за взаим­

заземлителя II. В результате эф­

фекта

взаимного

экранирования

ного влияния электродов друг на

электродов

уменьшается

сечение

друга сопротивление заземления си­

грунта,

через

который

растекается

стемы будет больше, чем опреде­

ток с каждого из заземлителей, со­

ленное по этой формуле. Для по­

противление каждого электрода уве­

яснения этого

рассмотрим

простей­

личивается и сопротивление системы

шую систему из двух электродов

из п электродов будет равно:

(рис. 32-7). Если бы эти заземли-

тели

находились

на

бесконечно

/ ? с

и с

т = | Г = ^

- ,

( 3 2 - 8 )

большом расстоянии друг от друга,

п

Я

то взаимного

влияния

их полей

не

где

п

па­

было

бы и ток от каждого из

них

Кп= ------ сопротивление

раллельных

электро­

расходился бы в земле равномерно

дов при бесконечном

во все стороны.

расстоянии

их

друг

•ц <

от друга;

1 — коэффициент экрани­

рования или

коэффи­

циент

использования

заземлителей

в

си­

стеме,

учитывающий

возрастание сопротив­

ления

заземлителей

При конечном расстоя­

Б

нии их друг от друга.

Для изображенного на рис. 32-7

Рис. 32-7. Электрическое поле

случая

двух

полушаровых электро­

дов найти коэффициент использова­

двух полушаровых электродов,

расположенных

на

конечном

ния нетрудно. В силу симметрии

расстоянии друг от

друга.

ток,

отводимый

каждым

электро-