Разработка алгоритма расчета параметров заземляющих устройств электроустановок Крайнего Севера при условии обеспечения их надежности

В соответствии с [1, 3, 4] надежность есть свойство объекта выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях функционирования. Применительно к электроэнергетическим системам в качестве объекта может рассматриваться как электроэнергетическая система в целом, так и любой из ее элементов. При этом под элементом электроэнергетической системы понимается любое устройство, способное самостоятельно выполнять некоторые локальные функции в процессе производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электрической энергии, являющееся частью электроэнергетической системы.

Если взять в качестве элемента электроэнергетической системы понижающий трансформатор, питающий нагрузку промышленного предприятия, то основной заданной функцией трансформатора, очевидно, является передача электроэнергии с понижением напряжения при допустимых потерях, обусловленных его конструктивными особенностями и режимом эксплуатации. Заданная функция трансформатора может быть выполнима при определенных условиях функционирования, это, прежде всего, условия окружающей среды (температура, влажность воздуха и т. д.), или условия эксплуатации (загрузка трансформатора, величина уровня напряжения со стороны источника питания, качество масла и т. д.). Однако заземление корпуса трансформатора (и наличие заземляющего устройства, разумеется) является также необходимым условием эксплуатации трансформатора, нарушение которого может привести к поражению током электротехнический персонал, обслуживающий данную электроустановку.

Заземляющее устройство, очевидно, также является элементом электроэнергетической системы, часто напрямую не связанным с возможностью электроустановки выполнять свои заданные функции, но без которого невозможно осуществить безопасную эксплуатацию электрорустановок.

Другими словами, при оценке надежности объекта энергетики нужно рассматривать последствия отказов в выполнении им двух заданных функций: бесперебойного снабжения потребителей соответствующей продукцией требуемого качества и недопущения ситуаций, опасных для людей и окружающей среды, т. е. последствия «отказов по бесперебойности» и «отказов по безопасности».

Первичными возмущениями, которые могут приводить к отказам объекта, являются отказы отдельных его элементов (оборудования), происходящие в результате физико-химических процессов старения, каких-либо скрытых дефектов и др.; внешние воздействия на объект, определяемые природно-климатическими или иными условиями; ошибки эксплуатационного персонала. Понятно, что результатом тех или иных первичных возмущений могут быть отказы в выполнении объектом как первой заданной ему функции (бесперебойное снабжение потребителей соответствующей продукцией требуемого качества), так и второй (недопущение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды), а иногда и обеих функций.

Абсолютно безопасными объекты энергетики, очевидно, быть не могут. Следовательно, должен быть установлен такой уровень безопасности в виде нормативных значений, выбранных для оценки безопасности объекта показателей, превышение которого недопустимо.

Принципиальным в проблеме безопасности объектов энергетики (как и любых технических объектов) является то, что допустимые уровни безопасности не могут определяться на основе только экономических или технико-экономических соображений, ибо здесь идет речь о здоровье и жизни людей, о сохранении среды обитания человека, т. е. проблема обеспечения безопасности объектов носит, прежде всего, гуманистический характер [1]. Поэтому из подходов, рекомендуемых для нормирования значений показателей надежности объектов энергетики: экономические оценки, экспериментальные исследовательские расчеты, анализ прошлого опыта [36] - в данном случае наиболее приемлемы экспериментальные исследовательские расчеты, дополненные критическим анализом прошлого опыта. Расчеты должны обеспечить возможность имитации процессов функционирования рассматриваемого объекта и анализа последствий отказов, возникающих в результате действия тех или иных первичных возмущений и приводящих к снижению безопасности.

Одним из основных показателей надежности заземляющего устройства является вероятность поражения персонала напряжением прикосновения (UПР). Для его определения необходимо знать закон распределения напряжений прикосновения на территориях подстанций, который, в частности, может быть получен в результате обработки статистического материала о поражениях электротехнического персонала в действующих электроустановках с использованием соответственно подобранной функции распределения случайных величин, представляющей собой математическое ожидание ситуации поражения человека электрическим током при замыканиях на землю.

Найдя закон распределения UПР по отдельным зонам подстанции, можно вычислить искомую вероятность поражения персонала.

В данной работе при разработке алгоритма расчета заземляющих устройств будут рассмотрены вопросы расчета вероятности появления отказов заземляющей системы подстанции при коротких замыканиях в сети (случай превышения заданного напряжения на заземляющей системе) и расчет основного, на наш взгляд, показателя надежности заземляющего устройства - вероятности поражения персонала напряжением прикосновения.

2.2 Обоснование необходимости и выбор метода предпроектных изысканий

Для расчета и проектирования заземляющих устройств необходимы данные о параметрах электрической структуры земли в месте их предполагаемого сооружения, причем, в соответствии с ПУЭ [6] для того сезона, в течение которого нормированная характеристика заземляющего устройства принимает наибольшее значение. Экспериментальное определение этих параметров и приведение их к расчетным условиям (к расчетному сезону) и составляют основное содержание изысканий.

Другими словами, назначением предпроектных изысканий является выдача необходимой информации о геоэлектрическом разрезе грунта на территории сооружения подстанции и в потенциально опасных точках на поверхности земли по трассам надземных коммуникаций. В качестве параметров исходной информации о геоэлектрическом разрезе должны выдаваться сведения об удельном сопротивлении и мощности слоев земли (; ).

Экономичность и надежность заземляющих устройств в конечном счете зависят от правильности определения расчетного значения удельного сопротивления грунта, а следовательно, исключительно важно правильно определить характеристики грунта. Поэтому к изысканиям и их результатам предъявляют два главных требования. Во-первых, методы изысканий должны быть как можно проще. Во-вторых, информация о параметрах электрической структуры земли должна быть достаточно достоверной для проектирования и последующего сооружения рациональноных заземляющих устройств.

В настоящее время известен ряд методов изысканий, однако практическое применение получили два из них: с помощью пробного электрода и вертикальное электрическое зондирование.

Суть метода пробного электрода чрезвычайно проста. На территории, предназначенной для сооружения заземляющего устройства, в землю закладывают одиночные пробные электроды (вертикальные или горизонтальные) обычно такой же длины, как у будущего заземлителя, который предполагают выполнять преимущественно из вертикальных или только из горизонтальных электродов. Далее измеряют сопротивление или и, рассматривая удельное сопротивление земли однородным (эквивалентным), рассчитывают его по формулам (приложение, формулы (П1.13, П1.19)).

Для вертикального электрода при (пробный электрод выходит на поверхность земли) формула для эквивалентного удельного сопротивления имеет вид

, (2.1)

где , - длина и эквивалентный диаметр вертикального электрода.

Для горизонтального электрода эквивалентное удельное сопротивление

, (2.2)

где , - длина и эквивалентный диаметр горизонтального электрода.

Если предполагают сооружать сложный комбинированный заземлитель, содержащий и горизонтальные и вертикальные электроды, то закладывают и горизонтальный и вертикальный пробные электроды. При этом, как правило, найденные значения и не совпадают. Однако это не вносит каких-либо особых затруднений при применении для расчета сопротивления сложных заземлителей метода коэффициентов использования.

Основными достоинствами метода пробного электрода являются: простота, автоматический учет влияния местных особенностей структуры земли на сопротивление электрода данного типа и размера; возможность заложить пробные электроды в любой сезон, а измерение их сопротивлений выполнить в расчетный сезон.

Недостатки метода заключаются в следующем. Во-первых, метод пробного электрода не позволяет определять параметры электрической структуры земли на глубинах, превышающих длину вертикального пробного электрода. Это может явиться причиной грубого просчета при выборе основных конструктивных параметров сложных заземлителей, в частности рациональной длины вертикальных электродов. Во-вторых, при проектировании сложных заземляющих устройств, расположенных на значительной площади, найденное с помощью пробного вертикального электрода эквивалентное удельное сопротивление может иметь большие погрешности, до 50% и более.

Перечисленные недостатки ограничивают применение этого метода при проектировании заземляющих устройств электроустановок напряжением до 1 кВ или как добавочный к методу вертикального электрического зондирования (ВЭЗ).

Вертикальное электрическое зондирование основано на изучении удельных сопротивлений грунта путем создания в нем искусственного электрического поля, позволяющего судить о величинах в различных слоях земли. При этом могут использоваться постоянные, пульсирующие и переменные электрические поля.

Физическая сущность вертикального электрического зондирования сводится к следующему. В землю при помощи двух точечных заземлителей (питающих электродов и ) от источника питания вводится электрический ток величиной (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1. Картина электрического поля в земле при вертикальном электрическом зондировании

В теории геоэлектрических методов исследований доказывается, что заземляющий электрод любой конфигурации можно рассматривать как точечный, начиная с расстояния приблизительно в 5 раз превышающих протяженность его заглубленной части. То же положение относится и к системам из нескольких электродов. Такая система будет эквивалентна точечному заземлителю в случае, если наблюдения выполняются в точках, удаленных от центра системы на расстояние, превышающее в 5 раз расстояние между крайними электродами.

Электрический ток распространится от одного точечного электрода к другому. При этом, проходя через толщу земли, он охватит большие глубины. Ближе к электродам и вообще к поверхности земли плотность тока больше, а с глубиной она уменьшается и на очень больших глубинах практически становится равной нулю.

Поскольку земля обладает сопротивлением, то в ней на всех участках происходит падение напряжения. Если в пределах поля поместить два приемных (потенциальных) электрода и , то между ними образуется разность электрических потенциалов , которая связана с величиной питающего тока зависимостью , где - удельное электри-ческое сопротивление среды, расположенной в пределах установки ; - коэффициент, зависящий только от взаимного расположения электродов.

Эта формула справедлива только для однородной среды, если среда электрически неоднородна, то, проводя те же самые измерения и вычисления, получают «кажущееся» удельное сопротивление - , которое будет находиться в сложной зависимости от залегания пород в пределах данного участка, от удельных электрических сопротивлений этих пород и от размера установки, т.е. от разноса ее электродов.

Изучение изменений кажущегося удельного сопротивления при различных разносах электродов измерительной установки дает материал для суждений о характере строения среды, над которой производятся исследования. В этом и заключается сущность метода вертикального электрического зондирования.

В методе ВЭЗ получили распространение установки различного типа, применение которых определяется условиями задачи (размерами территории эксперимента, величинами токов ОКЗ и т. д.) и удобством перемещения, наличием аппаратуры, источников питания. Для простой симметричной четырехэлектродной установки все электроды (токовые А, В и потенциальные М, N) расположены на одной прямой симметрично относительно точки О, так называемого центра ВЭЗ. Глубина погружения электродов в землю b ограничена значениями или (лишь при этом электроды без существенной погрешности можно рассматривать как точечные) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Простая симметричная четырехэлектродная установка.

В электрическую цепь токовых электродов включают источник тока, обычно стабилизированный, к потенциальным - вольтметр. Ток , проходящий по земле между токовыми электродами, наводит на электродах и потенциалы и . Частное от деления разности потенциалов и (напряжение ) на ток , имеющее размерность сопротивления, принято называть сопротивлением четырехэлектродной установки . Зависимость сопртивления четырехэлектродной установки от ее геометрических параметров и в случае, когда земля абсолютно однородна, позволяет определить потенциалы, наводимые током на электродах и :

; (2.3)

(отрицательные знаки соответствуют условно отрицательным направлениям токов, входящих в электрод).

Разность потенциалов

,

откуда

.

Считая все электроды точечными и определив взаимные сопротивления между ними

; ,

рассчитывается

.

Следовательно,

, (2.4)

где коэффициент характеризует геометрию расположения электродов установки.

Для земли с неоднородной электрической структурой формальное применение (2.4) приводит к определению кажущегося удельного сопртивления , численно равного такому однородной земли, при котором четырехэлектродная установка с теми же и будет иметь такое же , как и в исходной неоднородной земле.

Если в случае неоднородной электрической структуры земли изменяется хотя бы один из параметров и , то одновременно изменяются значения и . Поэтому, в частности, достаточным свидетельством неоднородности земли может служить изменение при изменении геометрических параметров установки.

Необходимый для анализа объем информации может быть получен в результате множественных измерений при увеличивающихся значениях . Значения d также приходится увеличивать из-за ограниченной чувствительности приборов. Действительно, если d и I неизменны, а увеличивается, то разность потенциалов уменьшается почти обратно пропорционально квадрату , достигая при определенном соотношении и d нижнего предела надежного использования прибора.

Рассчитав ряд значений по (2.4) получают экспериментальную зависимость от - кривую ВЭЗ, содержащую первичную информацию об электрической структуре земли на площадке, где производили ВЭЗ.

Метод интерпретации кривых ВЭЗ основан на их сравнении с рядом аналогичных теоретических зависимостей, рассчитанных для определенных типов электрических структур земли с заданными параметрами - палеткой. Для этого кривую ВЭЗ строят в прямоугольных билогарифмических координатах, откладывая по осям координат не сами значения и , а их десятичные логарифмы.

При применении билогарифмических координат целесообразен строго определенный порядок изменения расстояния между электродами четырехэлектродной установки, при котором точки кривой ВЭЗ располагаются на чертеже достаточно плотно и равномерно.

Ориентировочно по виду кривой ВЭЗ определяют тип электрической структуры земли.

Вертикальное электрическое зондирование для районов Крайнего Севера производят обычно летом, хотя летний период с точки зрения глубинности электрического зондирования является наихудшим, так как большая часть тока в это время года стремится пройти по верхнему оттаявшему слою, мощность которого в среднем составляет не более 3 м.

Особый интерес в исследовании параметров земли в районах многолетнемерзлого грунта представляет метод дипольного электромагнитного профилирования (ДЭМП). Простота и высокая производительность, отсутствие принципиальных трудностей при использовании в зимних условиях позволяют рекомендовать метод ДЭМП в комплексе с методом ВЭЗ. Кроме того, она позволяет выявлять качественные изменения, происходящие в геоэлектрическом разрезе к моменту наступления электроопасного сезона.

В основе метода ДЭМП лежит представление о магнитном диполе как источнике электромагнитного поля. Рамка генератора, горизонтально расположенная над плоской границей раздела двух сред воздух - земля с удельными электрическими сопротивлениями, диэлектрическими и магнитными проницаемостями , , и , , , излучает электромагнитное поле, поляризованное в вертикальной плоскости.



Рис. 2.3. Метод дипольного электромагнитного профилирования.

Магнитный момент рамки определяется выражением , где I - ток в рамке; S - площадь рамки. Составляющие переменного электромагнитного поля диполя - вертикальная и радиальная , параллельная плоскости рамки, - связаны с электромагнитными свойствами пород через безразмерный параметр

, (2.5)

где - модуль волнового числа исследуемой среды; r - расстояние между центром диполя и точкой наблюдения поля, м.

Квадрат волнового числа среды определяется комплексным выражением

, (2.6)

где C - скорость света, ; - удельная проводимость грунта, ; f - частота электромагнитного поля, Гц.

Так как магнитная проницаемость больше части исследуемых пород мало отличается от единицы, то в дальнейшем от ее учета можно отказаться. Выражение (2.6) состоит из двух частей: мнимой, зависящей от плотности тока, проводимости, и вещественной, которая зависит от плотности тока смещения. Соотношение этих составляющих является функцией частоты излучаемого электромагнитного поля. Для упрощения параметры электромагнитного поля определяют, как правило, без учета токов смещения. Это справедливо для исследования низкоомных сред полями низкой частоты при выполнении условия . В то же вемя при увеличении удельного сопротивления среды и частоты излучения роль токов смещения существеено возрастает и пренебрежение имим может привести к значительным погрешностям интерпретации результатов измерений. Пренебрегая токами смещения из (2.6) и (2.5) имеем .

При измерениях на переменном токе под понимается эффективное удельное электрическое сопротитвление грунта. Оно отличается от кажущегося всвязи с наличием частотной дисперсии грунтов.

Аналитические выражения, определяющие и вертикального диполя, имеют довольно сложный вид. Поэтому их поведение удобно анализировать в функции безразмерного параметра

Результаты исследований изменения вертикальной составляющей в зависимости от изменения параметра Р в пределах от 0 до 1 незначительно. Радиальная составляющая поля в этом диапазоне Р также мала.

При существенном изменении параметра Р компоненты и меняются более существенно, что указывает на необходимость измерения как вертикальной , так и горизонтальной составляющих.

Определение параметра Р удобно производить по характеристике . Тогда значение эффективного удельного сопротивления грунта

,

где f - частота излучения электро-магнитного поля, Гц. Измерение методом ДЭМП в области среднего параметра Р охватывает практически весь диапазон естественного изменения . Однако следует учитывать, что разрешающая способность метода для грунтов высокого удельного сопротивления резко снижается. Это требует перехода на более высокие частоты, но с увеличением частоты уменьшается глубина исследования из-за возрастающего влияния верхнего слоя грунта.

Глубинность метода ДЭМП будет тем хуже, чем меньше удельное сопротивление верхнего слоя, предельная глубина определяется как

, м,

где - удельное сопротивление верхнего слоя грунта. Если мощность первого слоя , то получить информацию о подстилающих слоях нельзя. Так как мощность в районах Крайнего Севера, как правило, не превышает 2-3 м при значении , то слой сезонного протаивания не является экраном, хотя и влияет на результаты измерений.

Существенную роль в выборе метода предпроектных изысканий играет наличие естественной сети заземления в районе размещаемой подстанции. Получить исходную информацию о структуре земли при сооружении подстанции непосредственно на территории промышленного предприятия, пользуясь известными методами изысканий. Практически не представляется возможным. В этих случаях сведения о о геоэлектрическом разрезе могут быть получены на основании изучения архивных данных по предпроектным изысканиям на территории предпрития, анализа общей стратиграфии района или посредством изысканий на площадках с аналогичными геологическими условиями.

Заземляющие устройства электроустановок районов Крайнего Севера - это сложные и дорогостоящие сооружения. Известно, что стоимость заземляющего устройства находится в обратной зависимости от величины его параметров и в условиях распространения плохопроводящих многолетнемерзлых грунтов может достигать стоимости всей электроустановки. Поэтому решить экономически разумными средствами проблему сооружения эффективных заземлителей на территории промышленной площадки района Крайнего Севера без тщательного выполнения в каждом отдельном случае предпроектных изысканий параметров геоэлектрической структуры практически невозможно.

2.3 Синтез математической модели расчёта заземляющих устройств с учётом обеспечения надёжности в районах с большим сопротивлением грунта

2.3.1 Обоснование выбора конфигурации заземляющего устройства

Критерием, определяющим обоснованность и правильность расчета, являются действующие нормы на электрические характеристики заземлителей. Однако наиболее общим критерием, по которому принято судить об обоснованности технических решений в целом, как известно, являются затраты. Поэтому и обоснованность выбора конструктивных параметров заземляющих устройств следует оценивать по затратам (при выполнении обязательного условия - соответствия электрических характеристик и некоторых конструктивных параметров заземляющего устройства действующим нормам).

Обеспечить соответствие нормам электрических характеристик и конструктивных параметров заземляющего устройства конкретной электроустановки можно различными путями, в частности применением только горизонтальных элементов или их комбинаций с вертикальными электродами, ограничением размеров заземлителя в плане площадкой, на которой расположено заземляемое оборудование или, наоборот, расширением территории, занятой заземлителем, за пределы этой площадки, использованием гравийных или щебеночных покрытий с весьма высоким удельным сопротивлением и т. п.

Каждому варианту заземляющего устройства соответствуют определенные затраты: капитальные, эксплуатационные и в обобщенном виде приведенные. Наилучшим конструктивным параметрам заземляющего устройства конкретной электроустановки будут соответствовать наименьшие приведенные затраты

Зпр min = min(ЕЗк + Зэ), (2.7)

где Зк, Зэ - затраты соответственно капитальные и эксплуатационные; Е - нормативный коэффициент эффективности, принятый для заземляю-щих устройств равным 0,15.

Капитальные затраты на заземляющее устройство складываются из капитальных затрат на искусственный заземлитель и на заземляющие проводники. Последние, как правило, составляют весьма малую часть от капитальных затрат на искусственный заземлитель.

Капитальные затраты на искусственный заземлитель в общем случае складываются из затрат на горизонтальные и вертикальные электроды с учетом земляных работ и монтажа, специальные покрытия с высоким удельным сопротивлением (гравийные или щебеночные), выполняемые в соответствии с [6] для уменьшения напряжения прикосновения, и на денежную компенсацию за отчуждаемую территорию (землю), на которой расположен только заземлитель (если заземлитель выходит за пределы площадки, на которой находится заземляемое оборудование электроустановки) :

Зк = згL + звnв1в + зпhпSп + kз(S - So), (2.8)

где зг, зв, зп - удельные капитальные затраты соответственно на единицу длины горизонтальных и вертикальных электродов и на единицу объема специального покрытия; kз - удельная (на единицу площади) компенсация за землю; L - общая длина всех горизонтальных электродов; nв, 1в - соответственно число и длина вертикальных электродов; Sп, S, So - площадь, занимаемая соответственно специальным покрытием, искусственным заземлителем и заземляемым оборудованием электроустановки; hп - толщина слоя специального покрытия.

В нашей стране в настоящее время действуют нормы на электрические характеристики заземляющих устройств, вся совокупность которых в общем виде сводится к ограничениям сопротивления заземляющих устройств и напряжения на них, а также напряжения прикосновения:

Rз,у ? , Uз,у ? , Uп ? . (2.9)

Установлены также нормы на некоторые конструктивные параметры заземлителей: на минимальное поперечное сечение заземляющих электродов с учетом коррозионной и термической устойчивости, а также механической прочности, на конструкцию заземляющей сетки (шаг между соседними поперечными электродами, выравнивающими электрический потенциал, выполнение заземлителя в виде замкнутого контура и др.). Кроме того, на конструктивные параметры сложных заземлителей накладывают и некоторые дополнительные ограничения: площадь, на которой размещается заземлитель, должна быть не меньше площади, на которой расположено заземляемое оборудование электроустановки; длина вертикальных электродов не должна превышать некоторое максимально допустимое значение lвmax, определяемое возможностями механизированного монтажа; защитный слой t земли над горизонтальными и вертикальными электродами должен быть не менее 0,3 м, а толщина слоя специального покрытия не менее 0,1 м, т.е.

S ? S0; lв ? lвmax; t ? 0,3 м; hп ? 0,1 м. (2.10)

С учетом изложенного задача оптимизации конструктивных параметров заземлителей может быть записана как минимизация равенства Зк = згL + звnв1в + зпhпSп + kз(S - So) при одновременном выполнении одного или нескольких требований, предъявляемых к их электрическим характеристикам [группа неравенств (2.9) - (2.10)], а также при выполнении всех требований к конструкции заземлителей.

При выборе заземляющих устройств в электроустановках Норильского промышленного района (НПР) ограничения на конструктивные параметры, как правило, накладываются в основном:

- на геометрические размеры поверхностных заземлителей, поскольку подстанции в основном вписываются в генеральный план промышленного комплекса, т. е. практически все ГПП НПР являются подстанциями глубокого ввода;

- на геометрические размеры вертикальных заземлителей из-за трудности буровых и закладочных работ в районах с многолетнемерзлым грунтом с большим удельным сопротивлением (последнее обстоятельство заставляет использовать вертикальные электроды большой глубины).

Результаты экспериментальных исследований, проведенных Н. Н. Максименко совместно с сотрудниками кафедры электроснабжения индустриального института [33], показали, что поверхностные заземлители в технико-экономическом отношении более эффективны или равноценны скважинным заземлителям в том случае, когда расчетное сопротивление заземлителя, удовлетворяющего условиям электробезопасности, составляет 2-4 и более Ом (для исследованных геоэлектрических разрезов). Выявленные технико-экономические показатели позволяют рекомендовать для устройства заземлителей в электроустановках с малыми токами замыкания на землю сеточные поверхностные заземлители. Эффективность их особенно повышается в летнее время при увеличении мощности оттаявшего деятельного слоя. В [33] приводятся расчетные затраты на сооружение типовых подстанций и затраты на сооружение искусственных заземлителей, обеспечивающих заданные электрические параметры. Анализ этих данных позволяет сделать вывод, что если в сетях с большими токами замыкания на землю при проектировании заземляющих устройств исходить из нормирования сопротивления заземлителей в пределах 0,5 Ом, то затраты на устройство искусственного заземлителя достигают 20-33% от стоимости подстанции. Этот вывод свидетельствует о том, что при выборе конструкции заземляющего устройства также необходимо внимательно выбирать критерий электробезопасности (сопротивление заземляющего устройства или напряжение прикосновения).

2.3.2 Выбор математической модели для определения основных электрических характеристик заземляющего устройства

Формирование математической модели расчета параметров заземляющих устройств осуществляется на основании данных о геоэлектрическом разрезе земли в районе проектируемой подстанции после выбора конструкции заземлителя и обусловлено целым рядом факторов: особенностями строения земли; природно-климатическими условиями района проектирования; величиной напряжения электроустановки и режимом ее нейтрали; наличием естественной сети заземления, ее разветвленности и, следовательно, величиной токов замыкания на землю.

Богатая геофизическая практика еще в начале 70-х годов показала, что структура земли в районах Крайнего Севера имеет трех- четырех- и даже восьмислойную структуру с расположением слоев земли порой в самых разнообразных направлениях. Данное обстоятельство усугубляется большими значениями удельных сопротивлений отдельных слоев из-за наличия вечной мерзлоты и их изменчивостью в зависимости от времени года. Так как удельные сопротивления отдельных слоев земли значительно отличаются друг от друга, то для расчета заземляющих устройств в такой среде теория расчета заземляющих устройств стала развиваться в двух направлениях: совершенствование «точных» методов расчета заземлителей, связанных с учетом реальных параметров структуры, и создание инженерных методов, в основу которых положены приведенные расчетные модели грунта. Последние с достаточной для практики точностью позволили, с одной стороны, учесть особенности сложной структуры грунта, а с другой - настолько облегчили расчеты, что стали доступными широкому кругу специалистов.

Впервые приведенную модель земли для расчета сосредоточенных заземлителей предложил в 1970 г. Л. И. Якобс. Он рекомендовал представлять многослойную электрическую структуру грунта эквивалентной двухслойной, при этом в зависимости от геометрии электродов (вертикальные или горизонтальные) и определяемого параметра (сопротивление растеканию или напряжение прикосновения) рассматривать различные ее модификации. Позже для слабоконтрастных многослойных структур грунта была предложена замена их однородной средой с эквивалентным удельным сопротивлением

,

где hi и - соответственно мощность и удельное сопротивление i -гo слоя.

Н. А. Тиняков и В. И. Глушко [38] затем показали, что замена многослойной электрической структуры земли эквивалентной однородной не приводит к большим погрешностям при расчете сложных заземлителей, если методика понижения числа слоев будет основана на использовании параметров анизотропии земли. Развитие методики приведения с учетом климатических изменений электрических характеристик земли нашло отражение в работах и других ученых, при этом для вычисления эквивалентного удельного сопротивления использовались функции, предложенные А. И. Якобсом [39].

Основой для создания методов эквивалентного упрощения структуры грунта послужил предложенный А. Е. Эбиным и А. И. Якобсом принцип соответствия полей, согласно которому преобразование модели грунта необходимо осуществлять таким образом, чтобы поверхности уровня потенциальной функции оставались неизменными. Использовав естественные эллиптические ортогональные координаты и считая, что удельное сопротивление постоянно вдоль линий вектора плотности тока, т. е. границы раздела многослойной земли совпадают с поверхностями тока, А. И. Якобс в дальнейшем разработал методику представления многослойного грунта двухслойным путем введения понятия «действующего» удельного сопротивления. Модель грунта с конфокальными полуэллипсоидами в качестве поверхностей раздела слоев позволила ему с помощью предельных моделей предложить метод экономичного без громоздких рядов расчета сопротивления некоторых конструкций заземлителей. В частности, было показано [26], что в пределах длины вертикальных элементов заземлителя несколько слоев могут быть заменены одним эквивалентным путем простого усреднения удельной проводимости этих слоев.

Необходимость строгого учета исходных данных геоэлектрического разреза в расчетной структуре зависит от геометрических размеров заземляющего устройства, т. е. от конкретно решаемой задачи. В случае расчета сосредоточенных заземляющих устройств автономным подстанций требования к точности информации о параметрах верхних слоев геоэлектрического разреза повышаются.

Особый интерес представляет методика приведения многослойной структуры грунта к расчетной модели без ее послойной интерпретации. Последняя идея была высказана В. У. Костиковым еще в 1967 г. Им же был предложен метод расчета сопротивления горизонтального прямо-линейного заземлителя, расположенного на поверхности земли, непосредственно по данным ВЭЗ. Алгоритм расчета сопротивления заглубленного горизонтального заземлителя, а затем заземляющих сеток без этапа промежуточной интерпретации результатов ВЭЗ был разработан А. Б. Ослоном и А. Г. Деляновым. Практически одновременно с ними Ю. В. Целебровский и В. У. Костиков предложили способ экспериментального определения взаимного сопротивления двух электродов.

В настоящее время с успехом пользуются указанными инженерными методами проектирования заземляющих устройств в районах с большим удельным сопротивлением грунта, представляющего собой многослойную структуру. В зависимости от того, проектируется заземляющее устройство для электроустановки, вписанной в генплан предприятия или для отдельно стоящей электроустановки, не снабженной разветвленной заземляющей сетью, применяют одну из наиболее широко используемых методик, представленных в виде алгоритмов.

I. Алгоритм расчета ЗУ ГПП, вписанной в ситуационный план промпредприятия:

1. Расчет заземляющей сети промпредприятия

1.1. Определение коэффициента заполнения ситуационного плана промышленного предприятия зданиями и сооружениями

,

где - суммарная площадь на территории генплана, занятая производственными зданиями и сооружениями; Sn = a x b - площадь генплана промышленного предприятия;

1.2. Определение результирующего сопротивления растеканию фундаментов производственных зданий и сооружений, при , приближающегося к сопротивлению эквивалентной пластины, вписанной в генплан предприятия,

,

где - контурный коэффициент, определяемый по графику (рис. 1); - сторона эквивалентного квадрата генплана предприятия; - эквивалентное удельное сопротивление однородной структуры земли в районе действующего промышленного предприятия.

Рис. 1. Зависимость контурного коэффициента промплощадки от степени её застройки промышленными зданиями ().

1.3. Расчет параметров эквивалентного геоэлектрического разреза земли реальной многослойной структуры и определение эквивалентного удельного сопротивления земли

1.3.1. Для поверхностных сеточных, пластинчатых горизонтальных электродов , где - удельное сопротивление второго слоя земли; - коэффициенты, зависящие от параметров геоэлектрического разреза земли и характерного размера заземляющего устройства.

При , ; ;

при , ; ;

при , ,

где - коэффициенты, определяемые из следующих соотношений

; ;

- эквивалентное удельное сопротивление слоев земли, простирающихся ниже второго слоя, где , - соответственно удельное сопротивление и мощность i-го слоя земли.

1.3.2. Определение эквивалентного удельного сопротивления земли для вертикальных заземлителей

,

при этом число слоев земли должно быть ограничено только теми слоями, которые контактируют с вертикальным электродом.

1.4. Оценка условий электробезопасности на заземляющей сети промпредприятия;

1.4.1. Определение напряжения на заземляющей сети промпредприятия

,

где Iз - ток, стекающий в землю с ЗУ; Rп - сопротивление эквивалентной пластины ЗУ.

Если потенциал

,

то условия электробезопасности обеспечиваются в любой точке на территории подстанции, предприятия и в местах подхода к промышленному комплексу надземных коммуникаций;

Если потенциал

,

то необходимо оценить величину напряжения до прикосновения на территории ОРУ

,

где а = 0,08 - 0,1 - коэффициент прикосновения на территории ОРУ (ПУЭ).

Если величина , следует принять величину коэффициента прикосновения а = 0,05 - 0,06, изменив размеры ячеек заземлителя.

1.5. Расчет напряжений до прикосновения по трассам надземных коммуникаций

1.5.1. Определение зависимости напряженности электрического поля от удаленности анализируемой точки х от оси трассы трубопровода

,

здесь - - эквивалентное удельное сопротивление грунта, учитывающее слои земли на глубину до 1000 м. Для районов Крайнего Севера можно принимать величину Ом•м.

Рис. 2. Схема заземляющей сети промышленной ГПП. , , - сопротивления заземляющих устройств источника питания, подстанции и выносного заземлителя соответственно

1.5.2. Определение напряжения до прикосновения на трубопроводе

,

где Iт - ток в трубопроводе 2, принимаемый условно равным току Iз; хот - погонное продольное сопротивление трубопровода 2.

1.5.3. Определение падения напряжения на трубопроводе до точки ,

,

где - ток в трубопроводе 2; - погонное продольное сопротивление трубопровода 2.

1.5.4. Определение падения напряжения на поверхности земли вдоль трассы трубопровода

.

1.5.5. Расчет относительной величины падений напряжения в земле и трубопроводе 1,

,

где - ток в трубопроводе 1; - погонное продольное сопротивление трубопровода 1.

1.5.6. Определение максимального значения напряжения до прикосновения на трубопроводе

,

где напряжение на ЗУ подстанции.

1.5.7. Расчет величины напряжения до прикосновения по трассе трубопровода 2

,

где - коэффициент до прикосновения, зависящий от числа свай в опоре трубопровода и расстояния между ними (рис.3); - потенциал на поверхности земли относительно напряжения на заземляющем устройстве (рис. 4).

Рис. 3. Влияние длины пролета между опорами трубопровода l на коэффициент прикосновения a для различного числа свай в опоре.



Рис. 4. Обобщающая зависимость изменения потенциала на поверхности земли при удалении от края квадратной пластины , соответствующая летнему времени.

1.5.8. Определение потенциала в точке х на поверхности земли при стекании тока с вертикального электрода .

II. Алгоритм расчета ЗУ автономной ГПП.

1. Определение эквивалентного удельного сопротивления земли в районе размещения ЗУ

Определение эквивалентного удельного сопротивления земли в районе размещения ЗУ автономной подстанции производится по тем же формулам, что и для подстанции, вписанной в генплан.

2. Определение сопротивления растеканию эквивалентной пластины поверхностного сеточного заземлителя

Определение сопротивления растеканию эквивалентной пластины поверхностного сеточного заземлителя автономной ГПП производится аналогично формуле для ГПП, вписанной в генплан предприятия, но без учета контурного коэффициента, то есть по формуле

 , (16)

где - сторона эквивалентного квадрата генплана ГПП и зданий и сооружений, расположенных вблизи территории ГПП;

3. Определение напряжения на ЗУ ГПП и напряжения прикосновения на территории ОРУ ГПП

Uз = IзRп

Потенциал Uз на территории ОРУ автономной ГПП определяется по формулам, аналогично расчетам для ГПП, вписанной в генплан предприятия.

Если Uз на заземляющей сети предприятия меньше допустимой величины, то условия электробезопасности обеспечиваются в любой точке на территории подстанции. Если больше допустимой величины, то необходимо оценить величину напряжения до прикосновения на территории ОРУ по формуле как для вписанной ГПП.

4. Определение величины допустимого по напряжению прикосновения сопротивления ЗУ подстанции с учетом выносного заземлителя.

заземляющий устройство контроль параметр

, (17)

где С1 - коэффициент, учитывающий взаимное влияние между выносным заземлителем и поверхностным ЗУ ГПП. - расчетная величина допустимого сопротивления ЗУ подстанции с учетом выносного заземлителя, удовлетворяющая требованиям ПУЭ, находится как меньшая величина из соотношений

, Ом (18)

, Ом (19)

Рис. 99. Зависимость относительной величины взаимного влияния выносным заземлителем и поверхностным ЗУ ГПП.

5. Определение геометрических размеров выносного заземлителя

5.1. Геометрические размеры выносного скважинного заземлителя определяются по параметру

, (20)

где l - длина скважинного заземлителя, м;

- эквивалентное удельное сопротивление для вертикальных заземлителей;

При расчете число слоев земли должно быть ограничено только теми слоями, которые контактируют с вертикальным электродом.

Задаваясь рядом значений длин заземлителя l и их диаметров согласно табл. 2 добиваются максимального приближения расчетной величины к допустимому значению .

Таблица 2. Зависимость диаметра скважинного заземлителя от длины

Показатель	Длина трубы скважинного заземлителя, м
	50	100	200	300	400	500	600
Диаметр скважины, м	0,07	0,11	0,11	0,11	0,13	0,13	0,13

5.2. Геометрические размеры выносного заземлителя озерного типа определяются по параметру

, (21)

Размеры а и b озерного заземлителя определяют с учетом влияния линий связи по формуле

, (22)

где - сопротивление линии связи; - эквивалентное удельное сопротивление воды и донных слоев грунта; - сторона эквивалентного квадрата сеточного контура в озере; - эквивалентный радиус по поверхности водоема, где - площадь поверхности водоема.

Рис. 5. Схема устройства озерного заземлителя.

2.3.3 Выбор математической модели для определения показателей надежности заземляющего устройства

Как указывалось ранее, надежность электроэнергетических систем и, в том числе, электрических сетей энергосистем и систем электроснабжения потребителей, являющихся составными частями электроэнергетических систем, может быть определена как свойство, заключающееся в их способности обеспечивать надежное функционирование электроприемников и потребителей в целом в нормальных, ремонтных, аварийных и послеаварийных режимах (гл. 2.1).

Такой подход к пониманию надежности позволяет выбрать показатели надежности, расчет которых позволил бы в дальнейшем принимать их в качестве критерия при сравнении вариантов выполнения заземляющих устройств или даже нормируемой величины.

Снижение надежности работы заземляющего устройства может произойти по различным причинам, которыми могут служить: механическое разрушение конструкции заземлителя из-за несогласованных с энергослужбой действий работников строительных подразделений предприятия или физико-геологических явлений грунта (наледи, пучения, проседания почвы и т. д.); коррозия металла; изменение влажности, температуры грунта и пр. Как видно из перечисленных причин снижения надежности заземляющего устройства, их природа носит, в большинстве случаев, вероятностный характер. Поэтому логично было бы формировать показатели надежности заземляющих устройств на основе оценки вероятности ситуаций, опасных для людей, например, вероятность отказов, приводящих к снижению безопасности, их интенсивность.

Одним из основных показателей надежности заземляющего устройства является вероятность поражения персонала напряжением прикосновения (). Известно, что можно определить по формуле

, ()

где I - ток, стекающий с заземлителя; R - сопротивление растеканию заземлителя; - коэффициент прикосновения; - коэффициент, характеризующий часть приложенного к человеку напряжения .

Из вышеуказанной формулы явно видно, что опасное для жизни персонала напряжение прикосновение может возникнуть лишь при стечении многих обстоятельств, а именно:

- замыкание в таком месте электрической системы и при таких условиях, при которых ток, стекающий в землю с рассматриваемого заземлителя, достигает максимальной величины.

- неблагоприятное состояние земли, например большая влажность верхнего слоя, удельное сопротивление которого определяет сопротивление растеканию тока от ступней в землю.

- присутствие человека в таком месте, в такое время и в таком положении, что он оказывается под опасным напряжением.

- отсутствие дополнительных сопротивлений (обуви, рукавиц), включенных последовательно с сопротивлением человека и ограничивающих ток через него.

- длительность растекания тока в землю и длительность воздействия, достаточные, чтобы вызвать травмирование при рассматриваемой величине тока.

Вероятность появления потоков токов рассчитывается по выражению

, ()

где n - количество коротких замыканий в сети за время t;- параметр потока отказов, определяемый из данных по повреждаемости элементов энергосистемы.

Вероятность того, что ток, нагружающий заземлитель, превысит определенное значение Iн

, ()

где f(I) - дифференциальная функция распределения.

Вероятность того, что эквивалентное сопротивление будет больше определенного значения , также можно определить, исходя из функции распределения величины

. ()

Вероятность отказа заземляющей системы при условии протекания через нее тока

, ()

где Imin, Imax - минимальное и максимальное значение тока, нагружающего заземляющую систему; P(I)- вероятность появления тока больше заданного значения; P() - вероятность появления эквивалентного удельного сопротивления грунта больше заданного значения.

Рассчитав вероятность PТ, можно вычислить вероятность появления “n” отказов за время t

. ()

Сопоставив несколько вероятностей определим вероятность поражения человека:

, ()

где P - вероятность отказа системы; - вероятность того, что в момент прикосновения человек не использовал вспомогательные защитные средства (перчатки, боты); - вероятность прикосновения человека к заземленному оборудованию.

Следует заметить, что вероятность поражения человека зависит не только от стечения вышеперечисленных обстоятельств, но ещё и от человеческого фактора, такого как квалификация человека и профессиональная пригодность. Согласно [40] в комплекс мероприятий, посредством которых можно в значительной мере предотвратить опасность поражения эязктрическим током, долина входить также периодическая информация о безопасных приемах труда и квалификационный отбор работников, диагностика их профессиональной пригодности по научно- обоснованным рекомендациям.

Актуальность совершенствования профессионального отбора становился очевидной в связи с интенсивным ростом энерговооруженности народного хозяйства и использования электрической энергии с самими различными параметрами. Все это сопровождается увеличением числа лиц, контактирующих непосредственно с электрооборудованием, от профессиональных умений и навыков которых зависит не только производительность труда, но и его безопасность. Только в процессе профессионального отбора можно с исчерпывающей полнотой выявить комплекс необходимых психофизиологических качеств для выполнения раобты в тех или иных условиях, сопоставить их с требованиями проофессии и на этой основе принять решение о пригодности личности к данной работе. При этом должны определиться не только качества, от которых зависит выполнение работы, но и качества, повышающие сопротивляемость организма вредным влияниям профессии, что важно на Крайнем Севере и других районах с чрезвычайно неблагоприятными природно-климатическими условиями.

Проблема надежности системы человек-электроустановка-среда может быть рассмотрена с учетом надежности технической системы и надежности человека - оператора. Однако известно, что надежность даже специально отобранного и обученного персонала, управляющего идеально согласованной с его характеристикой системой не стабильна, а случайным образом изменяется в пределах ограниченного отрезка времени. В условиях четкого и бесперебойного функционирования энергетических систем, комплекса устройств энергетической системы недопустимы колебания уровня надежности и эффективности работы операторов или технического персонала, занятого управлением сложного технологического процесса или же ремонтно-восстановительной деятельностью. Необходим постоянный контроль за рабочим состоянием человека, которое обусловливает тот или иной уровень надежности, адекватно зависящей от целого ряда факторов, среди которых преобладающими являются психофизиологические качества личности. Их проявление строго подчинено биоритмическим колебаниям, происходящим в организме человека. Именно эта необычайная способность жизнедеятельности организма человека может быть положена в основу прогнозирования его надежности и работоспособности с учетом сложности и ответственности производственного процесса. Имеются и другие более сложные аналитические методы оценки качественной характеристики эргатических систем с участием в них человека, однако их использование сопряжено с определенными трудностями построения математической модели системы человек-электроустановка-среда.

КОНЕЦ НОВОГО

Поскольку в качестве отказа заземляющих устройств условились принимать, в частности такое событие, как появление опасных напряжений шага и прикосновения, то также в качестве параметра надежности заземляющих устройств можно принять вероятность возникновения опасного напряжения прикосновения в определённой точки заземляющей сети.

При определении закона распределения напряжений прикосновений на действующих подстанциях целесообразно использовать формулу

, ()

где - взаимное сопротивление между точками измерения напряжения.

Основным преимуществом последней формулы является уменьшение числа параметров, определяющих закон распределения . Это значительно упрощает сбор необходимого статистического материала и его обработку.

Прологарифмировав (2.8)

(2.3)

и использовав характеристическую функцию случайных величин Х, представляющую собой математическое ожидание величины , получаем

(2.4)

Одним из свойств является то, что характеристическая функция суммы случайных величин равна произведению всех слагаемых. Поэтому необходимо определить закон распределения логарифмов , и , затем найти их характеристические функции, а затем перемножением характеристическую функцию логарифма . Распределение логарифма напряжения прикосновения находят с помощью формулы обращения Фурье:

, (2.5)

после чего можно получить искомый закон распределения . Для решения этой задачи необходимо знать законы распределения основных определяющих параметров. Коэффициент зависит от типа покрытия подстанции и его состояния. Пренебрежение сопротивлением обуви, контактов человек-обувь и обувь-грунт позволяет использовать для его определения формулу

, (2.6)

где Rч - сопротивление тела человека, принимаемое равным 1000 Ом;

- сопротивление растеканию тока с ног человека в грунт.

Последнее сопротивление получают в результате статистической обработки на ЭВМ результатов непосредственных измерений. Затем по известным определяют статистические характеристики .

Для определения закона распределения на территории подстанции выделяют опасные зоны, то есть места, где во время оперативных переключений возможно присутствие оперативного персонала (площадки у калитки, приводов разъединителей, выключателей, трансформаторов, различные переходы и т.д.). на подстанциях 110 кВ можно выделить от 10 до 30 таких зон. Хотя их площадь составляет около 1-2% от общей площади подстанции, но именно в этих местах наиболее вероятно поражение обслуживающего персонала. Эти зоны покрывают равномерной сеткой и в ее узлах измеряют коэффициенты.