40

Введение

Заземлители или заземляющие устройства (ЗУ) являются обязательным элементом каждой электроустановки. Без ЗУ нормальное функционирование установки невозможно. При этом в понятие нормального функционирования включают целый комплекс вопросов.

С течением времени и развитием техники изменяются и требования к ЗУ. Основное изменение состоит в том, что кроме обязательных функций обеспечения безопасности персонала появилось требование к электромаг­нитной совместимости (ЭМС). Оно, по существу, означает обеспечение нор­мальной работы измерительных, информационных и других устройств, рабо­тающих с использованием микропроцессоров, ЭВМ и т.п.

В настоящем пособии изложены основные требования к ЗУ, содержа­щиеся в нормативных документах [1-4], однако основное внимание уделено основам расчета ЗУ в однородном грунте. Изложен общий метод расчета, по­зволяющий рассчитывать заземлители практически любой конфигурации, основанный на так называемом методе эквивалентных зарядов. Приведены примеры расчета простейших заземлителей.

Применительно к расчету сложных ЗУ излагаются общие характери­стики одной из современных программ, применяемой для этих целей. Работа программы иллюстрируется примером расчета конкретного ЗУ.

Также приведен подход к расчету режимов работы ЗУ при воздействии импульсов тока (тока молнии или тока короткого замыкания на территории подстанции в первые моменты времени и т.д.). Показано, что при воздейст­вии импульсов тока сопротивление заземлителя может значительно возрас­тать. Обсуждаются другие эффекты, возникающие при воздействии импуль­сов тока.

1. Назначение заземляющих устройств, основные типы конструкций, требования по сопротивлению

Итак, ЗУ являются обязательной частью практически любой электроус­тановки. Конечно, говорить о «заземлителях», например, применительно к самолетной сети или корабельной не имеет смысла. Однако обычные элек­троустановки не могут нормально функционировать без заземляющего устройства.

Что же такое ЗУ? ПУЭ [1] дает на этот вопрос следующий ответ: зазем­ляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников. В свою очередь, собственно заземлитель представляет собой проводник (электрод) или совокупность металлически соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей.

Характеристики ЗУ должны отвечать требованиям электробезопасно­сти обслуживающего персонала [4] и обеспечивать в нормальных и аварий­ных условиях следующие эксплуатационные функции электроустановки:

- действие релейных защит от замыкания на землю;

- действие защит от перенапряжений;

- отвод в грунт токов молнии;

- отвод рабочих токов (токов несимметрии и т.д.);

- защиту изоляции низковольтных цепей и оборудования;

- снижение электромагнитных влияний на вторичные цепи;

- защиту подземного оборудования и коммуникаций от токовых перегрузок;

- стабилизацию потенциалов относительно земли и защиту от статического электричества;

- обеспечения взрыво- и пожаробезопасности.

Основными параметрами, характеризующими состояние ЗУ, являются:

- сопротивление (для электроустановок подстанций, электростанций и опор ВЛ);

- напряжение на ЗУ при стекании с него тока замыкания на землю;

- напряжение прикосновения (для электроустановок выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью, кроме опор ВЛ).

Дополнительными характеристиками ЗУ, с помощью которых оцени­вается его состояния в процессе эксплуатации, являются качество и надеж­ность соединения элементов ЗУ, соответствие сечения и проводимости эле­ментов требованиям ПУЭ и проектным данным, интенсивность коррозионно­го разрушения.

Поскольку функции ЗУ весьма разнообразны, принято различать за­щитное и рабочее заземление.

Защитным заземлением называется заземление частей электроустанов­ки с целью обеспечения электробезопасности. Защитное заземление следует выполнять преднамеренным электрическим соединением металлических час­тей электроустановок с «землей» или ее эквивалентом. Защитное заземление

ским током при прикосновении к металлическим нетоковедущим частям, ко­торые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции.

Рабочим заземлением называется заземление какой-либо точки токове-дущих частей электроустановки, необходимое для обеспечения работы элек­троустановки.

Конструктивно заземлители могут выполняться самыми разными спо­собами. Логично использовать в качестве заземлителей подземные конструк­ции инженерных сооружений. Такие заземлители называют естественными. В этом случае ПУЭ дает такое определение: естественным заземлителем называются находящиеся в соприкосновении с землей электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного на­значения, используемые для целей заземления.

В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать:

1) проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопрово­ды, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывчатых газов и смесей;

2) обсадные трубы скважин;

3) металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, на­ходящиеся в соприкосновении с землей;

4) металлические шунты гидротехнических сооружений, водоводы, затворы и т.п.;

5) свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле. Алюминиевые обо­лочки кабелей не допускается использовать в качестве естественных зазем­лителей. Если оболочки кабелей служат единственными заземлителями, то в расчете заземляющих устройств они должны учитываться при количестве кабелей не менее двух;

6) заземлители опор ВЛ, соединенные с заземляющим устройством электро­установки при помощи грозозащитного троса ВЛ, если трос не изолирован от опор ВЛ;

7) нулевые провода ВЛ до 1 кВ с повторными заземлителями при количестве ВЛ не менее двух;

8) рельсовые пути магистральных неэлектрифицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек меж­ду рельсами.

В тех случаях, когда использование только естественных заземлителей не обеспечивает необходимые технические характеристики, приходится со­оружать дополнительно так называемые искусственные заземлители - за­землители, специально выполняемые для этой цели.

Конструктивно искусственный заземлитель представляет, как правило, либо горизонтально расположенную в земле сетку, охватывающую опреде­ленную площадь, либо ряд вертикальных стержней, либо сочетание того и другого. При этом часто естественные и искусственные заземлители исполь­зуются вместе.

В качестве примера можно рассмотреть заземлитель какой-нибудь под-нетоковедущие части, расположенные на открытом распределительном уст­ройстве (ОРУ). Кроме того, такой заземлитель обязательно должен обеспечи­вать определенный уровень напряжения прикосновения на территории ОРУ. Достаточно часто сопротивление фундаментов зданий на подстанции может обеспечить необходимые значения сопротивления ЗУ. Однако при этом, если не сооружать искусственный заземлитель, перечисленные выше требования не могут быть обеспечены. Поэтому на территории ОРУ всегда приходится сооружать искусственный заземлитель. Его площадь в некоторых случаях (на подстанциях высших классов напряжения) может составлять десятки гектар. Выше было отмечено [1,4], что основными параметрами ЗУ являются его сопротивление, напряжение на ЗУ при стекании с него в землю тока КЗ, и напряжение прикосновения. Ниже приведены нормы ПУЭ на сопротивления ЗУ трехфазных электроустановок различных классов напряжения и при раз­ных режимах заземления нейтрали.

ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 KB СЕТИ С ЭФФЕКТИВНО ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ (номинальное напряжение от ПО кВ и выше) -сопротивление ЗУ не должно превосходить 0,5 Ом при сопротивлении грунта не более 500 Ом·м. При удельном сопротивлении «земли» ρ более 500 Ом·м допускается повышать сопротивление заземляющего устройства в зависимо­сти от значения ρ.

ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 KB СЕТИ С ИЗОЛИРО­ВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ (номинальное напряжение от 3 до 35 кВ).

В электроустановках выше 1 кВ сети с изолированной нейтралью со­противление заземляющего устройства R, Ом, при прохождении расчетного тока замыкания на землю в любое время года с учетом сопротивления есте­ственных заземлителей должно быть не более:

- при использовании заземляющего устройства одновременно для электроустановок напряжением до 1 кВ R = 125 / I, где I- расчетный ток за­мыкания на землю, А;

- при этом должны также выполняться требования, предъявляемые к заземлению (занулению) электроустановок до 1 кВ;

- при использовании заземляющего устройства только для электроус­тановок выше 1 кВ R = 250 / I, но не более 10 Ом.

ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 KB С ГЛУХОЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ.

Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов или трансформаторов или выводы источника одно­фазного тока, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответ­ственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 127 В источника однофазного тока. При удельном сопро­тивлении ρ земли более 100 Ом·м допускается увеличивать указанные выше нормы в 0,01ρ раза, но не более десятикратного.

ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 KB С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙ­ТРАЛЬЮ.

Сопротивление заземляющего устройства, используемого для заземле­ния электрооборудования, должно быть не больше 4 Ом.

При мощности генераторов и трансформаторов 100 кВ·А и менее за­земляющие устройства могут иметь сопротивление не более 10 Ом. Если ге­нераторы или трансформаторы работают параллельно, то сопротивление 10 Ом допускается при суммарной их мощности не более 100 кВ·А

ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ В РАЙОНАХ С БОЛЬШИМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВ­ЛЕНИЕМ ЗЕМЛИ.

В электроустановках выше 1 кВ, а также в электроустановках до 1 кВ с изолированной нейтралью для земли с удельным сопротивлением более 500 Ом·м, если мероприятия, предусмотренные п.п. 1.7.66 - 1.7.68 ПУЭ, не по­зволяют получить приемлемые по экономическим соображениям заземлители, допускается повысить значения сопротивлений заземляющих устройств в 0,002ρ раза, где ρ - эквивалентное удельное сопротивление земли, Ом·м. При этом увеличение требуемых настоящей главой сопротивлений заземляющих устройств должно быть не более десятикратного.