Расчет заземляющих устройств

Общие положения

Заземлением называют преднамеренное гальваническое соединение металлических частей электроустановки с заземляющим устройством.

1. Различают следующие виды заземлений: защитное-выполняют с целью обеспечения электробезопасности при замыкании токоведущих частей на землю; рабочее предназначено для обеспечения нормальных режимов работы установки; молниезащитное-для защиты электрооборудования от перенапряжений и молниезащиты зданий и сооружений. В большинстве случаев одно и тоже заземление выполняет несколько функций, т. е. одновременно является защитным, рабочим и т. д.

Естественные заземлители-это различные конструкции и устройства, которые по своим свойствам могут одновременно выполнять функции заземлителей.

Под искусственными заземлителями понимают закладываемые в землю металлические электроды, специально предназначенные для устройства заземлений.

В настоящее время различают заземление грозозащиты, рабочее заземление и защитное заземление. В некоторых случаях один и тот же заземлитель выполняет несколько назначений одновременно.

• 2. Заземление молниеотводов, опор ВЛ, разрядников является необходимым условием эффективной грозозащиты электрических сетей. К рабочему заземлению относятся: заземление нейтралей силовых трансформаторов, дугогасящих аппаратов, генераторов, заземление фазы при использовании земли в качестве рабочего провода и др. Защитное заземление служит для обеспечения безопасности людей, обслуживающих электрическую установку, путем заземления металлических частей установки, например, генераторов, которые нормально имеют нулевой потенциал, но могут оказаться под напряжением при перекрытии или пробое изоляции. трансформатор ток напряжение молниезащита
• 3. Заземлитель характеризуется сопротивлением, которое окружающий грунт оказывает стекающему с него току. Для стекания с заземлителя относительно небольшого и медленно меняющегося во времени тока промышленной частоты заземлитель характеризуется стационарным сопротивлением ®. Сопротивление заземлителя при протекании импульсного тока связано с R соотношением:

Ri = R (4.1)

гдекоэффициент импульса заземлителя.

Особенностями тока молнии являются его большая амплитуда и кратковременность, что сказывается на величине коэффициента импульса. При стекании с заземлителя тока плотностью в грунте с удельным сопротивлением растеканию импульсного тока _и возникает электрической поле E_и =_и

Рисунок 4-Электрическое поле, возникающее в грунте при стекании с заземлителя тока:1-заземлитель;2-дуговая зона;3-искровая зона;4-зона полупроводниковой проводимости;5-зона постоянной проводимости.

Установлено, что с ростом напряженности поля _и грунтов плавно уменьшается, что связано, по-видимому, с явлением нелинейной проводимости, свойственной всем полупроводникам, в том числе и грунтам. При дальнейшем возрастании напряженность электрического поля вблизи заземлителя достигает пробивной напряженности грунта (Е_гр=10 -12кВсм). Искрообразование приводит к резкому снижению падения напряжения в искровом разряде (рисунок 4) который, в свою очередь переходит в дуговую стадию.

4. Импульсный характер воздействия напряжения приводит к необходимости подразделять заземлители на сосредоточенные и протяженные. Заземлитель, имеющий относительно небольшую длину, у которого собственная индуктивность практически играет малую роль, называется сосредоточенным и его импульсный коэффициент всегда меньше единицы. В случае заметного проявления влияния индуктивности имеет место протяженный заземлитель, импульсный коэффициент которого может быть как меньше, так и больше единицы. Это зависит от преобладающего влияния индуктивности или искровых процессов.

Стационарное сопротивление заземлителя в однородном грунте может быть определено аналитически. Предполагая, что наиболее простой полушаровой заземлитель радиусом r₀, в грунте с удельным сопротивлением присоединен к баку трансформатора для защиты в случае перекрытия или пробоя изоляции имеем:

(4.2).

сопротивление элементарного слоя:

и потенциал электрического поля заземлителя равен:

(4.3).

.

Человек, касающийся бака во время протекания тока, оказывается под разностью потенциалов бака и земли в месте расположения ног человека, под так называемым напряжением прикосновения:

U_пр =U₀-U_ч(4.4).

Человек, идущий к трансформатору, оказывается под шаговым напряжением U_ш. Таким образом, для обеспечения безопасности обслуживающего персонала заземляющее устройство следует проектировать таким образом, чтобы напряжение на теле человека от напряжения прикосновения и шага в любых условиях не превосходили безопасных для человека величин. Достигнуть этого можно уменьшением сопротивления заземлителя, выравниванием распределения потенциала заземлителя по поверхности земли вблизи заземленных объектов, а также увеличением сопротивления растеканию тока со ступней человека в землю путем подсыпки гравия или использованием изолирующих бот и др.

• 5. Для заземлителей используются горизонтальные и вертикальные электроды, углубленные на 0,5−2м от поверхности земли. Для горизонтальных заземлителей применяется полосовая сталь шириной 2−4см и толщиной не менее 0,4 см и круглая сталь не менее 0,6 см. В качестве вертикальных, заземлителей применяются стальные трубы, угловая сталь и металлические стержни. На тех участках, где сопротивление верхних слоев почвы велико (сухой песок) и сказывается большое влияние сезонных изменений удельного сопротивления грунта целесообразно применение глубинных вертикальных заземлителей. Длинные вертикальные электроды обеспечивают более пологую кривую распределения потенциала по поверхности земли, они относятся к группе протяженных заземлителей.
• 6. Защитное заземление на станциях и подстанциях необходимо выполнять во всех случаях для всех установок переменного и постоянного тока напряжением 500 В и выше. Для рабочих и защитных заземлений установок используется общий заземлитель.

Исследования показывают, что в ряде случаев безопасные напряжения на теле человека могут быть достигнуты при большем, чем 0,5Ом, значении сопротивления заземления и при меньшем расходе металла. Поэтому согласно ПУЭ расчет защитного заземления станций и подстанций в сетях с заземленной нейтралью, необходимо производить по условиям ограничения напряжения на теле человека до допустимой величины при потенциале на заземлителе не выше 10кВ.

Заземления на подстанциях выполняется в виде контура из горизонтальных полос, проложенных на глубине до 0,8 м вокруг территории подстанции, с рядом вертикальных труб или стержней длиной l=2,5−3м на расстоянии a > (2−3)l по периметру контура. Внутри контура в ячейках прокладываются параллельные полосы, к которым присоединяются заземляющие провода от корпусов аппаратов, разрядников, нейтралей трансформаторов, грозозащитных тросов отходящих линий, оболочек кабелей, железнодорожных рельсов, арматура железобетонных фундаментов. Кроме того, на подстанциях с большим током замыкания на землю для уменьшения напряжения шага и прикосновения на повышенной глубине прокладывают дополнительные полосы (козырьки) в местах выхода из подстанции и частого нахождения обслуживающего персонала.

7. Заземление молниеотводов ОРУ в большинстве случаев выполняется путем присоединения их к заземлителю подстанции. Существенного снижения потенциала на корпусах оборудования достигают путем удаления места присоединения к заземлителю корпусов оборудования от места присоединения к нему молниеотвода, например, путем использования для их присоединения разных магистралей. По данным исследований наибольшее снижение потенциала приходится на первые 15−20м от места ввода тока и тем более значительно, чем больше размер заземлителя и меньше удельное сопротивление грунта.

Согласно правилам устройства электроустановок заземление опор ВЛ определяется требованиями грозозащиты линий. Сопротивление заземлителя опор, измеренное при частоте 50Гц и отсоединенном тросе, в течение грозового сезона не должно превышать значений, приведенных в таблице 7.

Таблица 7-Сопротивление заземлителя опор

Для линий с металлическими и железобетонными опорами (_грунта300 Ом^.м) допустимые сопротивления заземлителя могут быть обеспечены использованием железобетонных подножников опор, которые являются естественными заземлителями. В противном случае необходимо дополнительное устройство искусственного заземлителя в первую очередь на дне котлована.

Для ВЛ на деревянных опорах с тросами или защитными разрядниками нормированная величина сопротивления заземления опор должна обеспечиваться искусственным заземлением. При очень высоких удельных сопротивлениях грунта целесообразно прокладывать от опор к опоре одного или двух непрерывных горизонтальных заземлителей, называемых противовесами.

8. Расчет заземляющих устройств сводится к расчету заземлителя, так как для проектирования заземляющего устройства различных ЭУ необходимо предварительно определить наибольший ток, стекающий с заземлителя, а также наибольший ток, на который должны быть рассчитаны проводники заземляющего устройства (ЗУ). Эти токи зависят от системы рабочего заземления сети.

В эффективно заземлённых сетях ток однофазного короткого замыкания в месте повреждения определяется из выражения:

где E-переходная ЭДС;

X₁ и X₀— результирующие индуктивные сопротивления прямой и нулевой последовательностей до места замыкания. Для выполнения расчетов предполагается, что схема заземлителя и его размеры заданы, известен тип электроустановки и ее назначение, задано тип грунта и его параметры (таблица 8; 9).

Таблица 8-Сопротивление заземлителя в зависимости от характера заземляемого объекта.

№.	Характеристика заземляемого объекта.	Сопротивление заземлителя, Ом.
1.	Установка с эффективно заземленной нейтралью.	0.5.
2.	Установка с изолированной нейтралью до 1 кВ Установка с изолированной нейтралью выше 1 кВ.
3.	Отдельно стоящий молниеотвод.
4.	Опоры ВЛ, Ом*м. 100 100−500 500−1000 1000−5000 более 5000.	10 15 20 30 6*10-3*
5.	Разрядники.
6.	Опоры металлические. до 100 Ом*м. более 100 Ом*м.	30 0.3 *
7.	Опоры высотой более 40 м.

Таблица 9-Сопротивление грунтов.

Во всех случаях напряжение на заземляющем устройстве не должно превышать 10 кВ при однофазном к.з. на заземляющую систему, т. е.

При этом напряжения шага и прикосновения не должно превышать значений, указанных в таблице 10.

Таблица 10- Допустимые напряжения шага и прикосновения.

Рассчитать заземление — это определить при заданном токе потенциалы в любых точках поверхности земли определенные границами ЭУ.

При заданном токе I⁽¹⁾_кз и при напряжении на ЗУ 10 кВ расчёт заключается в следующем:

(4.5).

где R_и-сопротивление искусственного заземляющего устройства;

R_е— сопротивление естественных заземлителей к которым относятся: трубопроводы, оболочки кабелей и их броня, железобетонные основания фундаментов, погруженные свайные конструкции опор и сооружений.

(4.6).

гдекоэффициент использования заземлителей приблизительно равный 0.8.

Сопротивление кабеля:

(4.7).

где l-длина в м;

t-глубина заложения в м;

— удельное сопротивление грунта в Ом/м.

Сопротивление фундаментов:

(4.8).

где D_экв-эквивалентный диаметр (вид сверху рисунок 4.1,б).

(4.9).

d_экв-эквивалентный диаметр

(4.10).

t— глубина заложения фундамента (рисунок 4.1а).

Рисунок 4.1-Расположение элемента фундамента: а) глубина заложения; б) вид сверху.

Сопротивление сваи или железобетонной стойки:

(4.11).

где l-глубина погружения в (м);

d_экв-эквивалентный диаметр (при прямоугольной форме стойки аналогично фундаменту).

Определение параметров стойки или сваи (рисунок 4.2):

Рисунок 4.2-Расположение стойки или сваи: а) глубина погружения; б) размеры стойки прямоугольного сечения.

В общем случае конструкция ЗУ представляет собой металлическую сетку, выполненную из горизонтальных полос, заложенную на глубину 0.5 — 0.8 м и вертикальных электродов длинной l (м) заложенных на глубину t (м) (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3-Расположение заземляющей сетки и электродов.

Сопротивление одной полосы:

(4.12).

Удельное сопротивление грунта на глубине заложения полосы.

(4.13).

где К_{1-коэффициент, учитывающий просыхание и промерзание грунта на этой глубине.}

Сопротивление всех продольных полос.

(4.14).

где n-число продольных полос;

— коэффициент использования.

Сопротивление всех поперечных полос:

(4.15).

Общее сопротивление всей сетки:

(4.16).

Суммарное сопротивление заземления:

(4.17).

Напряжение на заземляющем устройстве не должно превышать 10 кВ.

(4.18).

(4.19).