Заземление подстанции

Заземление – это преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

На подстанции необходимы три вида заземлений: защитное; рабочее; молниезащитное.

Защитным заземлением называется заземление, выполняемое в целях электробезопасности [4].

Рабочим заземлением называется заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, необходимое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности) [4].

Молниезащитное заземление необходимо для обеспечения эффективной защиты электроустановок от грозовых перенапряжений. К молниезащитному заземлению относятся заземления молниеотводов, разрядников, тросов, крыш ЗРУ и т.д.

Для всех трех видов заземлений может использоваться одно и то же заземляющее устройство, но при этом оно выбирается по наиболее жестким требованиям, т.е. по наименьшей допустимой величине.

Для рабочего и защитного заземления обычно используется общий заземлитель. Причем наиболее жесткие требования обычно имеет защитное заземление.

Рабочее заземление зависит от режима нейтрали. Режим нейтрали до 1 кВ определяется только требованиями техники безопасности. Здесь может быть изолированная нейтраль и глухозаземленная.

Режим нейтрали выше 1кВ определяются следующими требованиями:

1) техники безопасности;

2) допустимым током однофазных замыканий;

3) перенапряжениями, возникающими в таких режимах;

4) надежностью работы релейной защиты;

5) рабочим напряжением неповрежденных фаз по отношению к земле.

В России применяются следующие режимы нейтралей:

∙ 6 кВ – изолированная (может с компенсацией емкостных токов);

∙ 10 кВ – изолированная (может с компенсацией);

∙ 35 кВ – с компенсацией (может изолированная);

∙ 110 кВ – эффективно заземленная;

∙ 220 кВ и выше – глухозаземленная.

Назначение защитного заземления – снижение до безопасного значения напряжения прикосновения и шага.

Расчет защитного заземления подстанции может проводиться по допустимому сопротивлению растекания тока заземления или по допустимому напряжению прикосновения.

Расчет заземляющего устройства подстанции в районах с большим удельным сопротивлением грунта, в том числе в районах многолетней мерзлоты, рекомендуется выполнять с соблюдением требований, предъявляемых к напряжению прикосновения [4].В остальных случаях расчет рекомендуется выполнять по допустимому сопротивлению грунта.

Величина сопротивления R_З заземляющего устройства для каждого класса напряжений подстанции выбирается по ПУЭ:

1) в электроустановках напряжением выше 1 кВ, в сетях с эффективно заземленной нейтралью

R_З £ 0,5 Ома;

2) в электроустановках напряжением выше 1 кВ, в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов

R_З £ , но не более 10 Ом,

где I_З – расчетный ток замыкания на землю;

3) в электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 2, 4 и 8 Ом, в сетях с линейным напряжением соответственно 660, 380 и 220 В;

4) в электроустановках до 1 кВ с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть

R_З £ , но не более 4 Ом.

Ток замыкания в формулах для сетей с изолированной нейтралью можно определить по приближенной формуле

;

где U_н – линейное напряжение сети, кВ, l_к и l_в – общая длина электрически связанных между собой кабельных и воздушных линий, км.

В сетях с компенсацией емкостных токов в качестве расчетного тока следует принимать:

а) ток, равный 125 % номинального тока наиболее мощного из этих аппаратов (для заземляющих устройств к которым присоединены компенсирующие аппараты);

б) остаточный ток замыкания на землю, проходящий в данной сети при отключении наиболее мощных из компенсирующих аппаратов (для заземляющих устройств, к которым не присоединены компенсирующие аппараты).

Защитное сопротивление вычисляется для обоих классов напряжений, применяемых на подстанции. За расчетное сопротивление подстанции принимается наименьшее из сопротивлений.

Для расчета защитного сопротивления используются два основных инженерных способа: 1) коэффициентов использования; 2) наведенных потенциалов.

Способ коэффициентов использования применяется как при простых, так и при сложных конструкциях групповых заземлителей. При этом грунт рассматривается как однородный и лишь для верхнего слоя земли учитывается промерзание или высыхание грунта. В действительности земля не является однородной, а имеет сложное строение.

Во втором способе принимается двухслойная модель земли с разными удельными сопротивлениями нижнего и верхнего слоев грунта. Этот способ более трудоемок, требует дополнительных сведений о составе и удельных сопротивлениях грунта, но зато дает более точные результаты.

Для учебных целей, когда точных данных нет, обычно пользуются первым способом.

Заземлители делятся на естественные и искусственные. Для снижения расходов на заземляющие устройства в первую очередь нужно использовать естественные заземлители. В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать трубы водопроводов, трубопроводов (за исключением нефтепроводов и газопроводов), металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, свинцовые оболочки кабелей (алюминиевые не допускаются).

Если сопротивления естественных заземлителей недостаточно, то применяются искусственные заземлители.

Искусственные заземлители – это металлические электроды, заглубленные в землю специально для устройства заземлителей. Они состоят из вертикальных электродов, связанных между собой горизонтальным электродом, уложенным на глубину 0,5−0,7 м.

В качестве вертикальных электродов можно использовать прутки, трубы и уголки. Они имеют минимальные допустимые размеры: у прутка из черной стали диаметр не менее 16 мм, а из стали оцинкованной – диаметр не менее 10 мм.

В качестве горизонтального электрода можно использовать: полосу сечением не менее 100 мм² (обычно берут 4 40 мм²) или пруток диаметром 10 мм (как из черной, так и из оцинкованной стали).

В зависимости от места размещения заземлители различают двух типов: выносной и контурный. Контурное заземляющее устройство размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки, потому его еще называют распределенным. В учебных целях мы рассматриваем только контурный заземлитель (рис. 1.5).

 

а) б)

Рис. 1.5. Контурный заземлитель закрытой а) и открытой б) подстанций:

1 – верт. электроды; 2 – гор. электрод;3 – ограда; 4 – выравн-щая сетка

Для выравнивания потенциала на поверхности земли с целью снижения напряжения прикосновения и шагового напряжения применяются выравнивающие сетки. На открытых подстанциях рекомендуется укладывать сетки на глубине 0,5 – 0,7 м с размером ячеек 6 –12 м. Сопротивление сетки в расчетах не учитывается, обеспечивая дополнительное (резервное) уменьшение сопротивления.

7 и 8.Молниезащита ЛЭП (ВЛ)

 

В качестве основных средств грозозащиты ЛЭП используются:

− подвеска заземленных тросов;

− снижение сопротивления заземления опор;

− повышение импульсной прочности линейной изоляции;

− защита отдельных опор и участков с ослабленной изоляцией.

Резервным способом повышения надежности и бесперебойности работы ЛЭП является автоматическое повторное включение (АПВ).

Линии электропередач могут выполняться на металлических, железобетонных и деревянных опорах. От материала опор сильно зависит грозоупорность ЛЭП, а, следовательно, необходимость защиты ЛЭП тросами. На линиях на деревянных опорах трос не применяется, так как они имеют высокую грозоупорность и без тросов.

ЛЭП на металлических опорах с грозозащитными тросами

В ПУЭ [1] записано: “ЛЭП 110–500 кВ с металлическими и железобетонными опорами должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами по всей длине.” Вероятность прорыва молнии (Р_ПР) мимо троса можно приближенно оценить по эмпирической формуле [5]

.

Как видно из формулы, с увеличением высоты опоры необходимо уменьшать защитный угол α: так, при h =20 м обычно применяется

α =30°, при h =30–35 м применяется α =25°, при h =50 м − α =20°.

Это обеспечивает вероятность прорыва Р_ПР ≈0,002−0,003. Дальнейшее уменьшение угла может привести к схлестыванию троса и провода во время гололеда в случае пляски проводов.

А теперь оценим грозоупорность таких ЛЭП. Под показателем грозоупорности (надежности) понимают число безаварийных лет n, т.е. обратную величину математического ожидания числа отключений N в год n=1/N. Обычно его относят к 100 км линии и 100 грозовым часам.

При анализе грозоупорности необходимо учитывать 3 расчетных случая (рис. 1.2а):

1) прорыв молнии на провод (минуя трос) с последующим перекрытием изоляции на опоре;

2) удар молнии в вершину опоры с последующим перекрытием между опорой и проводом;

3) удар молнии в середину пролета с последующим перекрытием между тросом и проводом.

а) б)

Рис. 1.2. Расчетные случаи при ударе молнии в ЛЭП:

а) на металлических опорах; б) на деревянных опорах

Число ударов N молнии в ЛЭП распределим между этими тремя крайними случаями следующим образом:

; .

Из всех ударов молнии нас будут интересовать только те, которые будут завершаться перекрытием изоляции, а затем переходом искрового замыкания в дуговое, приводящее к срабатыванию релейной защиты и отключению ЛЭП.

1. При прорыве молнии мимо троса число отключений можно оценить по формуле

,

где N – число ударов молнии в ЛЭП; − вероятность того, что ток молнии превысит уровень грузоупорности данной ЛЭП, то есть приведет к импульсному перекрытию гирлянды; − вероятность прорыва молнии мимо троса; − вероятность перехода искрового замыкания в дуговое ( для ЛЭП 35кВ; для ЛЭП 110 кВ и выше).

2. При ударе молнии в вершину опоры напряжение на вершине можно оценить по формуле (1.1). Напряжение на гирлянде не должно превышать , где − напряжение на проводе с учетом индуцированной волны при ударе молнии. Перекрытие гирлянды будет в случае, когда будет большой ток молнии , либо большая крутизна тока , либо и то и другое одновременно. Более наглядно перекрытие гирлянды оценивается кривой опасных волн (рис. 1.3). Все волны выше кривой приводят к перекрытию гирлянды, а все волны ниже ее – безопасны.

Рис. 1.3. Кривая опасных волн

Число отключений ЛЭП при ударе в вершину опоры равно:

,

где − вероятность, что удар молнии лежит выше кривой опасных волн. Вероятность обычно берут упрощенно [5].

3. Опыт эксплуатации показывает, что вероятность перекрытия в этом случае пренебрежимо мала, так как трос перетягивается, т.е. расстояние в середине пролета между тросом и проводом максимально. Значит .

Однако большинство ЛЭП имеют автоматическое повторное включение (АПВ), т.е. после отключения ЛЭП в бестоковую паузу дуга гаснет и при повторном включении ЛЭП опять нормально работает. Аварийными будут только те случаи, когда дуга загорится вновь:

, ,

где − коэффициент успешности АПВ, значения которого равно =0,75−0,9.

Показатель грузоупорности равен .

Для ЛЭП 110 кВ n=7−15 лет [5], т.е. 1 раз в 7−15 лет на ЛЭП возникает авария, в результате которой, например, происходит разрушение гирлянды и невозможно включить ЛЭП без ремонта.

ЛЭП на деревянных опорах без троса

Линии на деревянных опорах тросами не защищаются, поэтому практически все удары молнии попадают в провода. Из всех ударов молнии нас будут интересовать только те, которые будут завершаться перекрытием изоляции и переходом искрового замыкания в дуговое.

Возможны 3 случая перекрытия (рис.1.2б):

1− перекрытие с провода на землю; 2− перекрытие на ж/б пасынок;

3− перекрытие по гирляндам.

Расчеты и опыт эксплуатации показал, что наиболее вероятным и опасным оказывается перекрытие между проводами по гирляндам и траверсе[5]. Число отключений в этом случае оценивается:

,

где − вероятность того, что ток молнии превысит уровень грузоупорности; − вероятность перехода искрового замыкания в дуговое (на 35 кв = ; на 110 кв = ).

Здесь уровень грозоупорности равен:

где k_m − коэффициент связи между проводами; он учитывает, что при пробегании волны по одному проводу на другом индуцируется волна той же полярности. Показатель грозоупорности для ЛЭП – 35 кВ, например, получается n=14 лет [5].

В СССР и России благодаря дешевизне и сравнительно высокой грозоупорности линии на деревянных опорах получили распространение для напряжений 6, 10 и 35 кВ. Однако на таких линиях наблюдались случаи тяжелого расщепления и поломки опор [5], иногда до 5−6 опор.

Защита ЛЭП искровыми промежутками или трубчатыми

разрядниками

В ПУЭ предусмотрены дополнительные меры по повышению грозоупорности ЛЭП. На некоторых опорах необходимо поставить трубчатые разрядники (при наличии АПВ – допускается установка защитных промежутков):

а) при пересечении ЛЭП между собой и с линиями связи;

б) единичные металлические и железобетонные опоры на ЛЭП с деревянными опорами;

в) высокие переходные опоры через реку, железную дорогу и т.д.

Причем сопротивления заземляющих устройств этих опор не должно превышать: при ; при ,

где − удельное сопротивление грунта.