2. Теоретические основы расчёта заземляющих устройств
2.1. Назначение и основные параметры заземляющих устройств
Заземлением называется преднамеренное соединение токоведущих и нетоковедущих частей электроустановки с землёй. В электроустановках высокого напряжения заземление выполняет рабочие, защитные и молниезашитные и помехозащитные функции. Причём в ряде случаев один и тот же заземлитель может выполнять два или три назначения одновременно.
К рабочему заземлению относятся заземление нейтралей силовых трансформаторов, генераторов, измерительных трансформаторов напряжения, дугогасящих аппаратов, реакторов, заземление фазы при использовании земли в качестве рабочего провода и др.
Защитное заземление выполняется для обеспечения безопасности людей, обслуживающих электрическую установку, путём заземления металлических частей установки, которые нормально имеют нулевой потенциал, но могут оказаться под напряжением при перекрытии иЛи пробое изоляции.
Заземление грозозащиты служит для отвода тока молнии в землю от разрядников, ограничителей перенапряжений, стержневых и тросовых молниеотводов или других конструкций, в которые произошёл удар молнии.
Заземляющее устройство состоит из заземлителей и заземляющих проводников.
Заземлитель - это проводящее тело, расположенное в грунте и соприкасающееся с ним. Заземляющий проводник соединяет группу заземлителей с заземляемым оборудованием.
Заземлители бывают искусственными, сооружаемые только для целей заземления, и естественные, предназначенные для других целей, но являющиеся одновременно заземлителями.
К естественным заземлителям относятся железобетонные фундаменты, кабели с металлическими оболочками, рельсовые пути, металлические трубопроводы различного назначения, обсадные трубы скважин и т.п. Естественными могут быть и заземляющие проводники, например, железобетонные конструкции.
Искусственный заземлитель подстанции состоит из горизонтальных полос, образующих на площади, занятой подстанцией, сетку из параллельных и пересекающихся полос для присоединения заземляемых элементов оборудования и конструкций выравнивания потенциала по поверхности земли и объединения вертикальных электродов. В качестве искусственных заземлителей используется круглая, прямоугольная или угловая сталь, а так же стальные
трубы. В некоторых случаях применяются медные проводники.
Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных
в земле приведены в приложении 3.
2.2. Конструирование заземляющих устройств
Перед конструированием заземляющего устройства необходимо собрать все исходные данные. К этим данным, прежде всего, относятся:
- геоэлектрический разрез (на предполагаемой площадке размещения подстанции методом вертикального электрического зондирования определяется удельная сопротивление Рггрунта);
- коррозионные характеристики грунта на площадке (физические и химические параметры грунта и характеристики поля блуждающих токов);
- параметры и расположение естественных заземлителей (необходимо обследовать их состояние и измерить сопротивление);
- значение и возможные места ввода токов в заземляющее устройство;
- ситуационный план подстанции и план расположения заземляемого оборудования (согласно ПУЭ).
Перед расчётом определяются токи, которые при коротких замыканиях будут вводиться в заземляющее устройство. За расчетный режим принимается режим однофазного короткого замыкания. Рассчитываются токи однофазного короткого замыкания на всех открытых распределительных устройствах (ОРУ) и токи, протекающие при этих замыканиях в нейтралях трансформаторов. Необходимо так же рассчитать значения токов, которые отводятся грозозащитными тросами воздушных линий и оболочками кабелей.
До получения результатов расчётов проектируется «базовая» конструкция заземляющего устройства, которая должна включать в себя:
а) Замкнутый контур, охватывающий подстанцию.
Для исключения электрической связи внешней ограды подстанции с заземляющим устройством расстояние от ограды до элементов заземляющего
устройства, расположенных вдоль её, должно быть не менее 2 метров. При выходе заземляющего устройства за пределы ограждения электроустановки горизонтальные заземлители, находящиеся вне территории электроустановки, следует прокладывать на глубине не менее 1 метра. Внешний контур заземляющего устройства в этом случае рекомендуется выполнять в виде многоугольника
с тупыми или скошенными углами. Внутри ограждения – на глубине не менее 0,3 метра.
б) Горизонтальные заземлители.
Продольные заземлители должны быть проложены вдоль осей электрооборудования
со стороны обслуживания на глубине 0,5...0,7 метра от поверхности земли и на расстоянии 0,8...1 метр от фундаментов или оснований оборудования. Допускается увеличение расстояний от фундаментов или оснований оборудования до 1,5 метра с прокладкой одного заземлителя для
двух рядов оборудования, если стороны обслуживания обращены друг к другу, а расстояния между фундаментами или основаниями двух рядов не превышает 3 метров.
Поперечные заземлители следует прокладывать в удобных местах между оборудованием на глубине 0,5...0,7 метра от поверхности земли. Расстояние между ними рекомендуется принимать увеличивающимся от периферии к центру заземляющей сетки. При этом первое и последующее расстояние, начиная от периферии, не должно превышать соответственно 4,0; 5,0; 6,0; 7,5; 9,0; 11,0; 13,5; 16,0; 20,0 метров. Размеры ячеек заземляющей сетки, примыкающих к местам присоединения нейтралей силовых трансформаторов и короткозамыкателей к заземляющему устройству, не должны превышать 6 x 6 метров.
Размещение продольных и поперечных горизонтальных заземлителей должно определяться требованиями ограничений напряжений прикосновения до нормированных (прил. 2) значений и удобством присоединения заземляемого оборудования. Расстояние между продольнымии поперечными горизонтальными искусственными эаземлителями не должно превышать 30 метров,
а глубина их заложения в грунт должна быть не менее 0,3 метра. Дня снижения напряжения прикосновения у рабочих мест в необходимых случаях может быть выполнена подсыпка щебня слоем толщиной 0,1 ...0,2 метра.
в) Естественные заземлители.
На плане расположения заземляемого оборудования указываются все естественные заземлители.
г) Отдельные искусственные заземлители, предусмотренные ПУЭ.
Если контур заземляющего устройства располагается в пределах внешнего ограждения электроустановки, то у входов и въездов на его территорию следует выравнивать потенциал путём установки двух вертикальных заземлителей, присоединённых к внешнему горизонтальному заземлителю напротив входов и въездов. Вертикальные заземлители должны быть длиной 3... 5
метров, а расстояние между ними должно быть равно ширине входа или въезда.
Внешнюю ограду электроустановок не рекомендуется присоединять к заземляющему
устройству (исключения в ПУЭ).
Если от электроустановки отходят ВЛ 110 кВ и выше то внешнюю ограду следует заземлять с помощью вертикальных заземлителей длиной 2..3 метра, установленных у стоек ограды по всему её периметру через 20...50 метров. Случаи, когда не требуется установка таких заземлителей, указаны в ПУЭ.
Сечение искусственных горизонтальных заземлителей и заземляющих проводников выбирается по условию максимальной допустимой температуры tдоп= 400°С для горизонтальных заземлителей и 300°С - для заземляющих проводников.
Вертикальные заземлители на термическую устойчивость не рассчитываются, так как их сечение, выбираемое по условиям механической жёсткости, необходимой для погружения в грунт, обеспечивает достаточную термическую стойкость при любых возможных токах.
Для заземляющих проводников, начальная температура t0 для которых принимается равной 35°С, расчёт сечения ведётся по выражению, мм2
где Iкз - ток короткого замыкания, протекающий по заземляющему проводнику, А;
- полное время отключения короткого
замыкания, с.
По горизонтальным заземлителям ток короткого замыкания растекается в двух направлениям, т. е. по сечению горизонтального заземлителя течёт половина тока короткого замыкания. При нормируемых t0= 15°С и tдoп- 400 °С сечение рассчитывается, мм2:
Рассчитанное по термической устойчивости сечение заземлителей затем увеличивается по условиям коррозии.
Выделяют три группы причин, в соответствии с которыми подразделяют разрушения заземляющих устройств на разрушения от: грунтовой коррозии, контактной коррозии, электрокоррозии.
а) Грунтовая коррозия носит электрохимический характер и по своей сути является разрушением кристаллической решётки железа с выходом ионов железа в окружающую среду, соединение с ионами другого знака и образованием, таким образом, ржавчины. Поскольку ионы железа имеют положительный заряд, этот процесс называется анодным.
Электрохимическая природа явления требует одновременного протекания другого процесса - катодного, при котором происходит присоединение лишних электронов металла к веществу окружающей среды. Наиболее типичным катодным процессом является «кислородная деполяризация», при которой в присутствии кислорода и воды идёт образование ионов ОН с использованием «лишних» электронов металла. Ионы ОН соединяются с выходящими положительными ионами металла, образуя основной компонент ржавчины - гидроокись железа - и замыкая, таким образом, электрохимическую цепь тока. Разрушение стали происходит в анодной зоне.
Местоположение анодных и катодных зон на поверхности стали может меняться или оставаться постоянным. Постоянное местоположение анодных и катодных зон вызывает локальную коррозию. Обязательным местом локальной коррозии является место ввода заземляющего проводника в землю.
При этом возникает постоянная катодная зона на влажной поверхности металла выше поверхности грунта и локальная анодная зона сразу под поверхностью.
Пары анод - катод могут возникать и у поверхности раздела слоев грунтов с различной воздухопроницаемостью. Нижние концы вертикальных электродов всегда наименее обеспечены кислородом и по отношению ко всему заземляющему устройству постоянно являются анодами, постепенно коррозируя.
Для защиты от локальной коррозии применяются следующие меры:
- заземляющие проводники в открытых распределительных устройств должны быть изолированы у места входа в грунт на 10...20 см выше и ниже поверхности грунта при помощи защитной коррозийной, полихлорид виниловой или пропитанной битумом ленты;
- горизонтальные заземлители при укладке их в траншеи должны засыпаться однородным грунтом, не содержащим щебня и строительного мусора. Хорошие результаты даёт подсыпка траншей влажной утрамбованной глиной.
б) Контактная коррозия. Известно, что различные металлы в различных водных растворах имеют различные электрохимические потенциалы. Например, сталь в бетоне имеет более положительный потенциал, чем сталь в грунте.
Это означает, что при соединении арматуры железобетонного фундамента со стальными заземлителями последние будут коррозировать под воздействием фундамента.
Наряду с железобетонными фундаментами коррозию стальных заземлителей усиливают свинцовые оболочки кабелей и медные элементы.
Контактная коррозия приводит в основном к равномерному разрушению стальных заземлителей и накладывается на грунтовую коррозию.
По коррозийной активности грунт можно разделить на шесть степеней в зависимости от удельного сопротивления грунта Рг , его влажности W%, степени насыщения пор влагой К, весовой концентрации солей в грунтовом растворе С%.
В зависимости от степени коррозийной активности грунта измеряется и скорость коррозии искусственных заземлителей.
В таблице 3 показаны степени коррозии и зависимости глубины коррозии от степени коррозийной активности грунта.
Таблица 3
-
Степень коррозин грунта
Глубина коррозии через 30 лет, мм
К0
8,8
К1
3,4
К2
2,0
К3
1,1
К4
0,8
К5
0,4
Основной мерой обеспечения долговечности заземляющего устройства при совместном действии грунтовой и контактной коррозии является увеличение сечения заземлителей.
При экономическом обосновании могут быть применены и другие меры обеспечения долговечности. Например, покрытие территории, занятой заземляющим устройством, асфальтом. Кроме торможения процессов коррозии покрытие позволяет резко снизить напряжение прикосновения. При этом уменьшается расход металла на заземляющее устройство.
Так же могут быть применены специальные элементы в заземляющем устройстве - протекторные (защитные) заземлители. Это электроды из магния или цинка, которые в заземляющем устройстве всегда будут анодами (выполняя одновременно и функции заземлителей).
в) Электрокоррозия.
Причиной коррозийного разрушения элементов заземляющих систем могут быть положительные потенциалы от каких - либо внешних источников тока. Наиболее распространёнными из них являются устройства электрифицированного транспорта постоянного тока (трамвай, железная дорога). При этом возникают так называемые блуждающие токи, которые могут проходить по элементам заземляющего устройства. В месте входа и выхода блуждающих
токов возникают устойчивые катодные и анодные зоны.
Способы защиты от электрокоррозии сводятся к управлению полем блуждающих токов.
Одним из способов может быть обычный разрыв цепи тока, например, изоляция на небольшое напряжение грозозащитных тросов от опор.
Другим, широко используемым способом, является так называемый электрический дренаж. Суть его сводится в металлическом соединении частей, находящихся в устойчивой анодной зоне с рельсом в близи подстанции.
Электрический дренаж резко снижает плотность тока, стекающего с элементов заземлителя.