14 Заземляющие устройства

14.1 Назначение и виды заземлений

14.2 Расчёт заземляющих устройств

14.2.1 Расчёт заземляющих устройств в сетях с изолированной нейтралью

Пример 14.1.

14.2.2 Расчёт заземляющих устройств в установках до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью

Пример 14.2.

Заземление электроустановок – это преднамеренное соединение электроустановок с заземляющим устройством с целью сохранения на них достаточно низкого потенциала и обеспечения нормальной работы системы в выбранном режиме.

Различают три вида заземлений:

1. Рабочее – соединение с землёй нейтралей обмоток части силовых трансформаторов и генераторов.
2. Защитное заземление – заземление всех металлических частей установки, которые нормально не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним при нарушении изоляции. Защитное заземление выполняется для того, чтобы повысить безопасность эксплуатации, уменьшить вероятность поражения людей и животных электрическим током в процессе эксплуатации электрических установок.
3. Заземление молниезащиты предназначено для отвода в землю тока молнии и волн перенапряжений, индуцированных от молниеотводов, защитных тросов и разрядников, и для снижения потенциалов отдельных частей установки по отношению к земле.

Все системы заземления различного назначения объединяются между собой в общую систему заземления подстанции, что позволяет уменьшить суммарное сопротивление заземления и затраты на заземляющее устройство. Однако заземление молниезащиты отдельно стоящих молниеотводов, тросов, разрядников, находящихся за оградой объекта, желательно выполнять по возможности сосредоточенными и обособленными от подстанционных заземлений, чтобы предотвратить занос высоких потенциалов на общую систему заземления, на корпуса, каркасы и опорные конструкции оборудования.

Заземляющее устройство состоит из заземлителя, располагаемого в земле, и проводника, соединяющего заземляемый элемент установки с заземлителем. Заземлитель может состоять из одного или нескольких вертикальных и горизонтальных электродов и характеризуется сопротивлением, которое окружающая земля оказывает стекающему току. Сопротивление заземлителя определяется отношением потенциала заземлителя к стекающему с него току.

Сопротивление общей системы заземления подстанции должно удовлетворять требованиям к заземлению того электрооборудования, для которого необходимо наименьшее сопротивление заземляющего устройства.

Для выполнения заземления используют естественные и искусственные заземлители.

В качестве естественных заземлителей используют водопроводные трубы, металлические трубопроводы, проложенные в земле, обсадные трубы скважин, металлические и железобетонные конструкции зданий, находящиеся в соприкосновении с землёй, свинцовые оболочки кабелей, заземлители опор воздушных линий и др.

Естественные заземлители должны быть связаны с магистралями заземлений не менее чем двумя проводниками в разных точках.

В качестве искусственных заземлителей применяют прутковую круглую, угловую, трубную и полосовую сталь, согласно таблицы 14.1 глава 1.7 [10]. Количество заземлителей (стержней) определяется расчётом в зависимости от необходимого сопротивления заземляющего устройства или допустимого напряжения прикосновения.

Размещение искусственных заземлителей производится так, чтобы достичь равномерного распределения электрического потенциала на площади, занятой электрооборудованием. Для этой цели на территории открытого распределительного устройства (ОРУ) подстанции прокладывают заземляющие полосы на глубине 0,5 – 0,8 м вдоль рядов оборудования и в поперечном направлении, т.е. образуется заземляющая сетка, к которой присоединяется заземляющее оборудование.

Требования к расчету защитного заземления зависят от режима работы нейтралей электроустановок и принципиально отличаются.

В установках с изолированными и компенсированными (резонансно-заземленными) нейтралями (сети 6, 10 и 35 кВ) ограничивается потенциал на заземлителе (U_з), т.е. нормируются сопротивления заземляющего устройства R_з. Это объясняется тем, что при замыкании фазы на землю в таких сетях через место повреждения протекают небольшие емкостные токи (короткозамкнутого контура нет), а такой режим по действующим ПУЭ может быть длительным, и вероятность попадания под напряжение в момент прикосновения к заземленному оборудованию поэтому увеличивается.

В установках с глухозаземленными нейтралями (в сетях напряжением 110 кВ и выше) замыкание фазы на землю приводит к образованию короткозамкнутого контура, сопровождается большими токами короткого замыкания, которые должны быстро отключаться релейной защитой, и поэтому уменьшается вероятность попадания под напряжение прикосновения (U_пр) или шаговое (U_шаг). Из-за большой величины токов однофазного короткого замыкания резко возрастает потенциал на заземлителе, в таких установках нормируется величина U_пр, которая зависит от длительности протекания тока через тело человека и величины сопротивления заземления (R_з). Напряжение U_шаг обычно не нормируется, так как путь тока “нога-нога“ для человека, менее опасен, чем путь “рука-ноги”.

*Диаметр каждой проволоки.

Расчёт заземления производится для определения количества стержневых заземлителей, которые должны быть размещены по намеченному конструкциями контуру. Прежде чем приступить к расчёту заземления необходимо определить размеры подстанции (наметить план размещения оборудования в ОРУ).

Требования к заземлению зависят от режима работы нейтрали электроустановок, и расчёт производится по разным методикам. Параметры заземляющего устройства в значительной степени определяется характеристикой грунта, в котором устанавливается заземлитель. Удельное сопротивление (r) определяется путём измерения, а при учебном проектировании его ориентировочно можно принимать по табл. 14.2, вид грунта задаётся преподавателем при выдаче задания на проектирование.

Таблица 14.2

Рекомендуемые в таблице данные относятся к значениям при влажности 10-20 % к весу грунта, поэтому табличное значение ρнеобходимо увеличить на сезонный коэффициент (k_С), который зависит от размеров заземляющего устройства, определяемых его площадью и длиной вертикальных электродов, электрического строения грунта, сезонного коэффициента удельного сопротивления грунта, географического района расположения подстанции. Значения k_С для горизонтальных и вертикальных электродов приведены в таблице 14.3.

Расчётное сопротивление грунта определяется

Простые заземляющие устройства рассчитываются по следующим формулам:

для вертикального трубчатого электрода

(14.2)

для вертикального электрода из угловой стали

;

(14.3)

для горизонтального заземлителя из полосовой стали

;

(14.4)

для горизонтального заземлителя из прутковой стали

;

(14.5)

для кольцевого заземлителя из полосовой стали

;

(14.6)

для кольцевого заземлителя из прутковой стали

,

(14.7)

где l – длина заземлителя, м;

d – диаметр заземлителя, м;

t – глубина заложения заземлителя (для вертикальных электродов – расстояние от поверхности земли до середины электрода), м;

b – ширина полосы (для угловой стали – ширина полки), м;

D – диаметр кольца, м.

Для снижения общего сопротивления заземляющей установки в грунт забивают несколько вертикальных электродов, а для выравнивания потенциалов по территории подстанции связывают их стальной полосой. Условия растекания тока при этом ухудшаются за счёт взаимного экранирования между вертикальными электродами и соединяющей их полосой. При расчёте сопротивления заземляющей установки это учитывается введением коэффициентов экранирования h _В и h _Г., значения коэффициентов экранирования приведены в табл. 14.4 и 14.5.

Коэффициенты использования заземлителей из труб или уголков, размещённых в ряд (η_в)

Коэффициенты использования соединительной полосы в контуре (η_Г)

Расчёт заземляющих устройств в сетях с изолированной нейтралью (сети 6-35 кВ) производится в следующем порядке:

1. В зависимости от напряжения и типа электроустановки принимают нормативное значение сопротивления заземляющего устройства R₃. Согласно ПУЭ, сопротивление заземляющего устройства определяется следующими условиями:

- если заземляющее устройство используется одновременно для электроустановок выше и ниже 1000 В

,

(14.8)

где I₃ – ток замыкания на землю, А;

- если заземляющее устройство используется только для электроустановок выше 1000 В

,

(14.9)

но в обоих случаях сопротивление не должно превышать 10 Ом при суммарной мощности генераторов или трансформаторов 100 кВ·А и ниже, и не выше 4 Ом при суммарной мощности более 100 кВ·А. Приближенно ток замыкания на землю можно определить по выражению

,А

(14.10)

где U – напряжение сети, кВ;

L _в и L_к – длина воздушных и кабельных линий, км.

2. Определяют сопротивление растеканию тока вертикального электрода по формулам (14.2 - 14.3).

Расчётное сопротивление грунта определяют по формуле 14.1, удельное сопротивление грунта принимают по табл. 14.2.

3. Определяют сопротивление горизонтального заземлителя (полосы связи) по формулам (14.4 - 14.5).

4. При использовании естественных заземлителей (а это даёт значительную экономию и предписывается ПУЭ) если сопротивление искусственного заземлителя R_и меньше требуемого R_з, его определяют из выражения

,

(14.11)

где R_е – сопротивление растеканию естественного заземлителя, Ом, которое можно определить измерениями или вычислить по формулам, выведенным для искусственных заземлителей аналогичной формы. Если естественные заземлители при расчёте не учитываются, то R_и = R_з.

5. Определяют теоретическое число вертикальных заземлителей

,

(14.12)

6. По табл. 14.4 и 14.5 определяют коэффициенты экранирования вертикальных и горизонтальных заземлителей η_в и η_г.

7. Если сопротивление полосы связи не учитывать (идёт в запас расчета), что не приведёт к большой ошибке при небольшой площади распределительного устройства (это характерно для РУ 35-10 кВ), то действительное число стержней определяется:

,

(14.13)

при необходимости учёта сопротивления соединительной полосы связи

.

(14.14)

Если по формулам (14.13–14.14) получают n_д < n_т, то для монтажа заземления принимают n_т стержней, если n_д > n_т, то окончательно принимают n_д стержней, находят новые значения коэффициентов использования η_г и η_в заземлителей при n_д стержней и новом значении a , после чего проводят проверочный расчёт и уточняют конфигурацию заземляющего устройства.

,

(14.15)

если R_расч < R_и,то расчёт заканчивается, если R_расч > R_и, то необходимо увеличить число стержней, пока R_расч не достигнет требуемой величины.

Рассчитать заземляющее устройство двух трансформаторной подстанции 2x1000 кВ·А напряжением 35/10 кВ. Общая длина электрически связанных воздушных линий напряжением 35 кВ – 87 км, от распределительного устройства 10 кВ отходят пять воздушных линий общей длиной 115 км и одна кабельная линия длиной 5 км. Собственные нужды подстанции получают питание от трансформатора 10/0,38 кВ. Естественных заземлений нет. Удельное сопротивление грунта в районе расположения подстанции при нормальной влажности ρ = 90 Ом·м. Оборудование подстанции расположено на площади S = 20х32 м² (рис 14.1).

Ток замыкания на землю на стороне 10 кВ (по формуле 14.10).

.

.

Принимаем для расчёта наибольшее значение тока 8,7 А. Так как заземление выполняется общим для электроустановок напряжением выше и ниже 1000 В, то сопротивление необходимо определить по формуле

.

Сопротивление заземляющего устройства нейтрали трансформатора 0,38 кВ должно быть не более 4 Ом, поэтому последнее требование является определяющим для расчёта R₃ ≤ 4 Ом.

Заземляющее устройство выполняем вертикальными стержнями длиной 5 м и диаметром 20 мм на расстоянии 5 м друг от друга (можно стальным уголком 50х50х4 мм) заглублёнными на 0,7 м от поверхности земли и связанными между собой стальной полосой с площадью сечения 40х4 мм².

Вертикальные стержни забиваются по контуру на расстоянии 1 м от площади занимаемой оборудованием подстанции (рис 14.1)

Рис.14.1. План заземляющего устройства к примеру 14.1.

1 – площадь, занятая оборудованием (20 х 32 м)

2 - контур заземления (22 х 34 м²)

3 - ограждение подстанции.

Расчётное сопротивление грунта с учётом сезонного коэффициента k_С для вертикальных электродов(для первой климатической зоны см. табл. 14.3)

ρ_{расч в} = 2∙90 = 180 Ом∙м.

Для горизонтальных полос связи:

ρ_{расч г} = 5∙90 = 450 Ом∙м.

Сопротивление стержня (по формуле 14.2)

.

Сопротивление полосы связи (по формуле 14.4)

,

необходимое число вертикальных заземлителей по формуле

(округляем до целого числа).

Эти 10 стержней располагаем по периметру подстанции (l = 2 х 22 + 2 х 34 = 112 м), тогда расстояние между вертикальными электродами

a= l/n_Т= 112/10 =11,2 м.

Проведём сначала расчёт заземляющего устройства без учёта сопротивления горизонтальных соединительных полос (идёт в запас расчёта).

Определим действительное число вертикальных электродов с учётом коэффициента экранирования при n = 10 и a/l= 11,2/5 = 2,24 находим по табл. 14.4 и определяем h_В= 0,68.

Тогда n_д (по формуле 14.13)

.

Проведём проверочный расчёт, определяем h_В при n = 15 и a/l = 112:15:5 = 1,5, з¢_В = 0,65(таблица 14.3).

.

Определим действительное число вертикальных электродов с учётом присоединённого сопротивления горизонтальных полос R_Г.

,

где η_г = 0,4определено по табл. 14.4 при n = 10 и a/l = 2,24.

Тогда действительное число стержней по формуле (14.14)

.

Принимаем к монтажу 13 стержней и выполняем проверочный расчёт при n = 13, a = 112:13 = 8,6 м, a/l = 8,6/5 = 1,72 и h_В = 0,67(табл. 14.3), h_Г = 0,39(табл. 14.5)

,

что меньше требуемых 4 Ом. Таким образом, учет сопротивления соединительной полосы связи позволяет уменьшить число вертикальных электродов с 15 до 13.

В установках до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью сопротивление заземляющего устройства (R₃) к которому присоединяют нейтрали генераторов и трансформаторов должно быть не более величин указанных в табл. 14.6. Эти сопротивления обеспечены с учётом естественных заземлителей и повторного заземления воздушных линий до 1000 В.

Повторные заземления нулевого провода выполняют на концах воздушных линий ответвлений длиной более 200 м и на вводах в здания, электроустановки которые подлежат заземлению.

Сопротивление каждого повторного заземлителя (R_пз) и общее сопротивление всех повторных заземлителей не должно превышать величин указанных в табл. 14.6.

Правила разрешают не устраивать повторных заземлений на ответвлениях длиной до 200 м, а так же в кабельных линиях, поскольку обрыв нулевой жилы в них маловероятен. Всё же повторные заземления и в этих условиях полезно иметь с целью снижения напряжения прикосновения при замыкании на корпус.

В соответствии с ПУЭ для электроустановок напряжением до 1000 В с заземлённой нейтралью при удельном сопротивлении земли более 100 Ом м допускается увеличивать указанные в табл. 14.6 нормы в ρ/100 раз, но не более чем в 10 раз [11, § 1.7.62].

В качестве повторных заземлителей следует максимально использовать естественные заземлители, в частности водопровод. Эти заземлители могут наряду с естественными проводниками иметь хорошую связь с нейтралью трансформатора при обрыве нулевых проводников.

Расчёт заземляющих устройств в установках до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью производится по методике изложенной в п.14.2.1.

Рассчитать заземляющее устройство трансформаторной подстанции 10/0,38-0,23 кВ с одним трансформатором 400 кВ·А. Сеть 10 кВ работает с изолированной нейтралью, к подстанции подходит воздушная линия длиной 17 км. Ток замыкания на землю равен 12 А. На стороне низкого напряжения нейтраль трансформатора глухозаземлена. От ТП отходят четыре ВЛ 380/220 В, имеющие повторные заземления: Л1 и Л2 по два повторных заземления, на Л3 и Л4 по одному повторному заземлению. Удельное сопротивление грунта, измеренное в дождливую погоду составляет ρ_изм = 140 Ом·м. Ток замыкания на землю на стороне 10 кВ I_з = 12 А.

Намечаем выполнить заземляющее устройство в виде прямоугольного четырёхугольника, заложенного в грунт. Контур состоит из вертикальных стержней длиной 5 м и диаметром 16 мм, соединённых между собой стальной полосой 40 х 4 мм. Глубина заложения стержней контура 0,8 м.

Определяем расчётное сопротивление грунта по формуле (14.1) для стержневых заземлителей (для условий Сибири – первая климатическая зона таблицы 14.3).

ρ_{расч в} = 1,9 140 = 266 Ом×м

ρ_{РАСЧ г} = 5 140 = 700 Ом×м

Сопротивление вертикального заземлителя из круглой стали (длина стержня 5 м, диаметр 0,016 м, глубина заложения 0,8 м)

.

1. (по формуле (14.8))

2. К заземляющему устройству присоединена нейтраль обмотки трансформатора, поэтому сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 4 Ом.

Определяющим явилось второе условие, т.е. требуемое R_з ≤ 4 Ом. Сопротивление повторного заземления R_пз не должно превышать 30 Ом при ρ_расч = 100 Ом× м и ниже. При ρ_расч > 100 Ом× м ПУЭ разрешает увеличивать сопротивление повторного заземления до

.

Для повторного заземления принимаем один стержень длиной 5 м и диаметром 16 мм, сопротивление которого 57,87 < 79,80 Ом. Общее сопротивление всех повторных заземлений

,

,

9,65 < 26,6.

Определяем расчётное сопротивление заземления нейтрали трансформатора с учётом повторных заземлений

.

.

Принимаем 9 стержней и располагаем их в грунте на расстоянии 2,5 м друг от друга по контуру подстанции. Длина полосы связи 2,5 x 9 = 22,5 м.

Определяем сопротивление полосы связи по формуле (14.4)

,

при n = 9, a/l = 2,5/5 = 0,5, h_В= 0,52(табл. 14.4) и h_Г = 0,34(табл. 14.5).

Тогда действительное число стержней по формуле (14.14)

.

.