x

Рис. 2.2. Распределение напряжений при замыкании на землю.

2.2 Рабочее заземление

В России в сетях 3-35кВ общепромышленного назначения, а также в сетях 0,5-2,5 кВ нефтедобычи применяют, как правило, изолированную нейтраль (воздушные и кабельные сети малой протяженности) или ее резонансное заземление через дугогасящий реактор (кабельные или смешанные сети большой протяженности).сети 110-220 кВ имеют глухое заземление части нейтралей, а сети 330 кВ и выше - нейтралей всех трансформаторов.

Изолированная нейтраль в случае однофазных замыканий на землю предотвращает появление разрушительных по величине токов короткого замыкания и позволяет не прерывать работу сети в течение времени, необходимого для обнаружения места возникновения замыкания на землю и его ликвидации. Это избавляет от необходимости немедленного отключения сети при каждом однофазном замыкании на землю, вызванном, например, ударами молнии, птицами и т.д.

Электрическая прочность изоляционных конструкций и воздушных промежутков в сетях 3-35 кВ выбирается обычно с четырех-, двенадцатикратным запасом по отношению к амплитуде фазного напряжения. При небольшой протяженности сети и малом рабочем напряжении ток однофазного замыкания на землю составляет порядка единиц ампер. Дуга такого тока в месте перекрытия гаснет в момент его перехода через нулевое значение и сеть восстанавливает свою нормальную работу.

При перекрытии одной из фаз (рис.2.3, фаза А) напряжение на неповрежденных фазах относительно земли, как следует из векторной диаграммы рис.2.4, повышается в v3 раз:

?В = ?В + ?В = ?В - ?А |?В| = 2Еф cos30є = v3 Еф

?С = ?С + ?С = ?С - ?А |?C| = 2Еф cos30є = v3 Еф

Ток замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью (в схеме рис.2.3 рубильник Р отключен) определяется из векторной суммы токов:

?А + ?В + ?С + ?З = 0 (2.1)

Пренебрегая малым по величине падением напряжения на дуге UА=0, полагая IA=0 из (2.1) имеем:

?З = - ( ?В + ?С ) = - (?В jCфВ + ?С jCфС ) (2.2)

ЕА IА СфА

ЕВ IB

СфВ

ЕС IC СфС

Р

Lр

Рис.2.3. Упрощенная эквивалентная схема однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью или резонансно-заземленной нейтралью.

Если емкости фаз В и С равны (СфВ = СфС = Сф) и пренебречь активными потерями, то из (2.2) в соответствие с рис. 2.4 получим:

IЗ = v3 Еф 2 Сф соs 30 = 3 Сф Еф

Как отмечалось, при малых значениях IЗ дуга гаснет в момент перехода тока через нуль. Более высокие значения тока замыкания на землю, которые имеют место в протяженных кабельных или смешанных сетях 3-35 кВ, приводит к усилению ионизации и более медленному восстановлению электрической прочности промежутка вследствие остаточной проводимости воздуха. При этом наблюдаются повторные зажигания дуги, которая под действием электродинамических сил и тепловых потоков воздуха растягивается и в конце концов гаснет. Однако возрастает вероятность ее негашения, перебрасывания на соседние фазы и возникновения двух- или трехфазных коротких замыканий. По этой причине, если величина IЗ превышает некоторое критическое значение Iзк, то необходимо переходить к заземлению нейтрали через дугогасящие реакторы (рис.2.3, рубильник Р включен).

 ?А

М_B

М_L М_B + М_C

М_C

?_B

?_C ?₀ = -?_А

?_С = ?_С + ?₀ ?_B = ?_B + ?₀

Рис.2.4 Векторная диаграмма токов и напряжений для схемы рис.2.3 при замыкании А на землю.

По требованиям правил устройства электроустановок (ПУЭ) компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться, если IЗ более значений IЗК, приведенных в таблице 2.1

Таблица 2.1

Значения токов IЗК, при которых требуется компенсация токов замыкания на землю.

Вид сети	Номинальное напряжение сети, кВ
	3	6	10	15	20	22	24	27	35
Воздушная сеть с железобетонными и металлическими опорами	10	10	10	10	10	-	-	-	-
Кабельная сеть	30	30	20	15	15	-	-	-	-
Воздушная сеть с деревянными опорами	-	-	-	15	15	-	-	-	-
Любая сеть	-	-	-	-	-	-	-	-	10
Сеть генераторного напряжения	-	5	5	5	5	5	5	5	-

При замыкании на землю одной из фазы в сети с дугогасящим реактором (например, фазы А), как и в сети с изолированной нейтралью, напряжение смещения нейтрали U0 становится равным по величине и обратным по знаку аварийной фазы (рис.2.4). под действием этого напряжения в дугогасящем реакторе течет ток:

IL= U0/ jщ Lр (*)

При этом вместо соотношения (2.) имеем:

?А + ?В + ?С + ?L + ?З = 0

Принимая по-прежнему IА ? 0; IЗ ? 0, условие полной компенсации реактивных составляющих тока IВ + IС и I :

щ Lр = 1/3щ Cф или 3щІLр Cф = 1 (2.3)

При этом в месте замыкания на землю с помощью дугогасящего реактора удается снизить суммарный ток однофазного замыкания на землю на один-два порядка. Остаточный ток в месте замыкания обусловлен следующими причинами:

*Пренебрегаем активными потерями в обмотке дугогасящего реактора

· неточной компенсацией реактивной составляющей тока по формуле (2.3);

· активными составляющими токов через сопротивление Rр реактора

Iрa = Uф Rр /(щ Lр)І и утечку G на изоляции фазных проводов 3UфG;

· высшими гармониками токов.

Кроме существенного уменьшения тока через место замыкания на землю, сильно снижается также скорость восстановления напряжения на изоляции после прохождения остаточного тока через нуль. В результате электрическая прочность изоляции восстанавливается быстрее, чем приложенное к ней напряжение, и, как правило, дуга гаснет

Глухое заземление нейтрали трансформаторов применяется в сетях 110 кВ и выше. При таком заземлении токи в месте короткого замыкания достигают десятков килоампер. Действующее значение периодической составляющей токов КЗ в начальный момент времени зависит от вида КЗ и определяется по формулам:

при трехфазном КЗ в одной точке:

при двухфазном КЗ без земли:

при двухфазном КЗ на землю в одной точке:



при однофазном КЗ на землю:

где Е - ЭДС прямой последовательности эквивалентного генератора, полученная после преобразования схемы сети к простейшей эквивалентной схеме; Z1э, Z2э, Z0э - эквивалентные сверхпереходные сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности сети относительно точки КЗ.

Токи к.з. в сетях 110 кВ и выше с учётом их переходной составляющей достигают десятков килоампер. При таких токах возникают весьма большие (до тысяч килограмм на 1м длины) электродинамические силы взаимодействия между шинопроводами различных фаз, между соседними шинами в пакете одной фазы, а также между вводами и витками обмоток электрических машин, силовых и измерительных трансформаторов, реакторов и другой аппаратуры. Ток КЗ в течение нескольких секунд нагревает проводники до температур порядка 200 - 300 0C, вследствие чего возникает опасность механического и термического повреждения токоведущих проводников.

В большинстве случаев Zэ Zэ и в соответствии с (2.4.) и (2.5.) токи двухфазного КЗ оказываются меньше, чем трёхфазного. Желательно, чтобы Zсэ превышало Z2э и в соответствии с (2.4.) и (2.7.) Iкз(1) Iкз(3). Для этого на мощных подстанциях в ряде случаев приходится разземлять часть нейтрали трансформаторов и оставлять один трансформатор с глухозаземлённой нейтралью. При этом расчётным случаем для выбора оборудования является трёхфазное КЗ. Тем не менее для выбора заземляющих устройств и определения влияния ЛЭП на линии связи расчётным является случай однофазного КЗ. Поэтому необходимо обеспечить отключение всех видов КЗ в течение долей секунды и максимум - несколько секунд. Большие трудности возникают при отключении таких токов современными выключателями. Они оказываются дорогостоящими и требующими частые ремонты.

Однако увеличение Zсэ приводит к дополнительному повышению напряжения на здоровых фазах и в изолированной нейтрали трансформаторов при несимметричных к.з. Как показано в [8], напряжения на неповреждённых фазах при однофазном к.з. равны

В сетях высокого напряжения при расчёте U1ф пренебрегают активными потерями. При этом Z1э Z1э ; Zэ Zэ ; Zсэ Z0э *) . Кроме того, X1э Xэ и

X0э aX1 . При этих условиях

и коэффициент замыкания на землю при однофазном к.з.

Зависимость К1 = f (a) приведена на рис.2.5. Как видно из рис. 2.5, при изменении a от 0 до К1 изменяется от до .

Размещено на http://www.allbest.ru/

В случае двухфазного к.з. на землю путём аналогичных преобразований получим соответствующим коэффициент

Зависимость К2 = f (a) также приведена на рис.2.5., из которого видно, что при изменении a от 0 до К2 изменяется от 0 до 1,5.

В сетях 110 кВ и выше обеспечивается a 3. Такая сеть называется сетью с эффективно заземлённой нейтралью. При a 3 коэффициенты заземлений К1 и К2 равны: К1 =1,25; К2 =1,29. При неблагоприятных случаях кратности повышения напряжения на здоровых (здоровой) фазах (фазе) будет несколько выше, чем К1 и К2 по причине влияния активных сопротивлений и превышения

Eэ над U1ф (особенно при близко расположенных электростанциях). С учётом этих обстоятельств напряжение гашения вентильных разрядников и характеристики нелинейных ограничителей перенапряжений выбираются исходя из напряжения U 1,4Uф.

2.3 Защитное заземление

Для человека, находящегося вблизи действующей электроустановки, главную опасность представляют величина и длительность тока, протекающего через его тело при соприкосновении с частями электроустановки. Этот ток также зависит от разности потенциалов, приложенных к телу человека, мощности источника, рода тока и сопротивления тела человека (табл.2.2.).

Для защиты человека от появления опасных потенциалов на металлических конструкциях электрооборудования при повреждении изоляции (опоры, корпуса трансформаторов, аппаратов, электрических машин и т.п.) применяют защитное заземление. Однако такое заземление само по себе не исключает возможности поражения человека. При однополюсных замыканий на землю через заземляющие устройства течёт аварийный ток и возникают напряжение прикосновения и шаговое напряжение, которые могут быть опасными для человека.

В первом приближении, если пренебречь влиянием прикосновения человека на ток через заземляющее устройство, то напряжение прикосновения Uпр и шага Uш можно определить по эквивалентным схемам рис. 2.6. В этих схемах роль эквивалентных э.д.с. Епр и Еш играют разности потенциалов между точками прикосновения человека, когда отсутствует шунтирующее влияние сопротивления его тела, равного Rт 1000 Ом. Если пренебречь также взаимным экранированием ступней, что даёт некоторое завышение опасности воздействия, то Епр и Еш можно определить по формулам:

В этих формулах RСТ и Rоб - сопротивления ступни и обуви соответственно.

По данным [18, 19] при оценке RСТ ступни могут быть заменены круглыми металлическими пластинами радиусом rСТ = 8см, находящимися на грунте с удельным сопротивлением верхних слоёв земли 3П.

Поэтому формулы (2.8.) приобретают вид:

Как видно из формул (2.8.) и (2.9.), снижение Uпр и Uш до безопасной величины может быть обеспечено путём снижения Епр и Еш , либо увеличением RСТ . Применение специальных изолирующих ботов значительно повышает безопасность. При сырой погоде с некоторым запасом принимаем Rоб 0 и поэтому соотношения (2.8.) и (2.9.) приобретают вид:

Таким образом, для снижения Uпр и Uш до безопасных величин необходимо снизить Епр и Еш, а также 3П. Искусственное уменьшение Епр и Еш достигается путём обеспечения небольших величин сопротивления заземления электроустановки, которое, как будет показано ниже, зависит от эквивалентного удельного сопротивления грунта и конструкции заземлителя.

Уменьшение сопротивления заземления достигается увеличением количества горизонтальных и вертикальных металлических элементов, закладываемых в грунт, причём целесообразно располагать эти элементы в виде сетки со стороны ячейки порядка нескольких метров, что улучшает распределение потенциала точек на поверхности земли и снижает Епр и Еш . Снижение вероятности поражения персонала электрическим током обеспечивает также укладка в местах установки оборудования выравнивающих проводников в виде частой сетки, присоединённой к основному контуру заземления электроустановки. Кроме того, в местах установки электрооборудования следует посыпать площадку плохопроводящим покрытием (слой щебня, щебня с асфальтом и т.д.), что способствует увеличению эквивалентного сопротивления верхних слоёв земли 3П и уменьшению тока через тело человека.

Заземляющие устройства электроустановок выше 1 кВ сети с эффективно заземлённой нейтралью следует выполнять с соблюдением требований либо к их сопротивлению, либо к напряжению прикосновения, а также с соблюдением требований к конструктивному выполнению и ограничению напряжения на заземляющем устройстве.

Напряжение на заземляющем устройстве при стекании с него тока заземления на землю не должно превышать 10 кВ. Напряжение выше 10 кВ допускается на заземляющих устройствах, с которых исключён вынос потенциалов за пределы зданий и внешних ограждений электроустановки. При напряжениях на заземляющем устройстве более 5 и до 10 кВ должны быть предусмотрены меры по защите изоляции отходящих кабелей связи и телемеханики и по предотвращению выноса опасных потенциалов за пределы электроустановки.

Заземляющее устройство, которое выполняется с соблюдением требований к его сопротивлению, должно иметь в любое время года сопротивление не более 0,5 Ом, с учётом сопротивления естественных заземлителей.

В целях выравнивания электрического потенциала и присоединения электрооборудования к заземлителю на территории, занятой оборудованием, следует прокладывать продольные и поперечные горизонтальные заземлители и соединить их между собой в заземляющую сетку.

Продольные заземлители должны быть проложены вдоль осей электрооборудования со стороны обслуживания на глубине 0,5-0,7 м от поверхности Земли и на расстоянии 0,8-1,0 м от фундаментов или оснований оборудования. Допускается увеличение расстояний от фундаментов или оснований оборудования до 1,5 м с прокладкой одного заземлителя для двух рядов оборудования, если стороны обслуживания обращены одна к другой, а расстояние между фундаментами или основаниями двух рядов не превышает 3,0 м.

Поперечные заземлители следует прокладывать в удобных местах между оборудованием на глубине 0,5-0,7 м от поверхности земли. Расстояние между ними рекомендуется принимать увеличивающимся от периферии к центру заземляющей сетки. При этом первое и последующие расстояния, начиная от периферии, не должны превышать соответственно 4,0; 5,0; 6,0; 7,5; 9,0; 11,0; 13,5; 16,0 и 20,0 м. Размеры ячеек заземляющей сетки, примыкающих к местам присоединения нейтралей силовых трансформаторов и короткозамыкателей к заземляющему устройству, не должны превышать 6х6 м2.

Горизонтальные заземлители следует прокладывать по краю территории, занимаемой заземляющим устройством так, чтобы они в совокупности образовали замкнутый контур.

Если контур заземляющего устройства располагается в пределах внешнего ограждения электроустановки, то у входов и въездов на её территорию следует выравнивать потенциал путём установки двух вертикальных заземлителей у внешнего горизонтального заземлителя напротив входов и въездов. Вертикальные заземлители должны быть длиной 3-5 м, а расстояние между ними равно ширине входа или въезда.

Заземляющее устройство, которое выполняется с соблюдением требований, предъявляемых к напряжению прикосновения, должно обеспечивать в любое время года при стекании с него тока замыкания на землю значения напряжений прикосновения, не превышающие нормированных. Сопротивление заземляющего устройства определяется по допустимому напряжению на заземляющем устройстве и току замыкания на землю.

При определении допустимого напряжения прикосновения за время воздействия следует принимать сумму времени действия защиты и времени отключения выключателя. Если определяется время воздействия на персонал, производящий оперативные переключения на своих рабочих местах, то следует принимать время действия резервной защиты, в остальных случаях - основной защиты.

Размещение продольных и поперечных горизонтальных заземлителей должно определяться требованиями ограничения напряжений прикосновения до нормированных значений и удобством присоединения заземляемого оборудования. Расстояние между продольными и поперечными горизонтал0ьными искусственными заземлителями не должны превышать 30 м, а глубина их заложения в грунт должна быть не менее 0,3 м. У рабочих мест допускается прокладка заземлителей на меньшей глубине, если необходимость этого подтверждается расчетом, а само выполнение не снижает удобства обслуживания электроустановки и срока службы заземлителей. Для снижения напряжения прикосновения у рабочих мест в обоснованных случаях может быть выполнена подсыпка щебня слоем толщиной 0,1-0,2 м.

При выполнении заземляющего устройства с соблюдением требований, предъявляемых к его сопротивлению или к напряжению прикосновения, дополнительно следует: заземляющие проводники, присоединяющие оборудование или конструкции к заземлителю, в земле прокладывать на глубине не менее 0,3 м; вблизи мест расположения заземляемых нейтралей силовых трансформаторов, короткозамыкателей прокладывать продольные и поперечные горизонтальные заземлители (в четырех направлениях).

При выходе заземляющего устройства за пределы ограждения электроустановки горизонтальные заземлители, находящиеся вне территории электроустановки, следует прокладывать на глубине не менее 1 м. Внешний контур заземляющего устройства в этом случае рекомендуется выполнять в виде многоугольника с тупым или скругленными углами.

Внешнюю ограду электроустановок не рекомендуется присоединять к заземляющему устройству. Если от электроустановки отходят ВЛ 110 кВ и выше, то ограду заземлить с помощью вертикальных заземлителей длиной 2-3 м, установленных у стоек ограды. Установка таких заземлителей не требуется для ограды с металлическими стойками и с теми стойками из железобетона, арматура которых электрически соединена с металлическими звеньями ограды.

Для исключения электрической связи внешней ограды с заземляющим устройством расстояние от ограды до элементов заземляющего устройства, расположенных вдоль нее с внутренней, с внешней или обеих сторон, должно быть не менее 2 м. Выходящие за пределы ограды горизонтальные заземлители, трубы и кабели с металлической оболочкой и другие металлические коммуникации должны быть продолжены посредине между стойками ограды на глубине не менее 0,5 м. В местах примыкания внешней ограды к зданиям и сооружения, а также в местах примыкания к внешней ограде внутренних металлических ограждений должны быть выполнены кирпичные или деревянные вставки не менее 1 м.

Не следует устанавливать на внешней ограде электроприемники до 1 кВ, которые питаются непосредственно от понизительных трансформаторов, расположенных на территории электроустановки. При размещении электроприемников на внешней ограде их питание должно осуществляться через разделительные трансформаторы. Линия, соединяющая вторичную обмотку разделительного трансформатора с электроприемником, расположенным на ограде, должна быть изолирована от земли на расчетное значение напряжения на заземляющем устройстве.

Если выполнение хотя бы одного из указанных мероприятий невозможно, то металлические части ограды следует присоединить к заземляющему устройству и выровнять потенциалы так, чтоб напряжение прикосновения с внешней и внутренней сторон ограды не превышало допустимых значений. При выполнении заземляющего устройства по допустимому сопротивлению должен быть продолжен с внешней стороны на расстояние 1 м от нее и на глубине 1 м горизонтальный заземлитель. Этот заземлитель следует присоединять к заземляющему устройству не менее чем в четырех точках.

По требованиям ГОСТа и ПУЭ сопротивление заземляющего устройства от сезона года не должно превышать значений, приведенных в табл.2.3.

В заключении отметим, что при обеспечении допустимого напряжения прикосновения и тока через тело человека в качестве расчетного времени воздействия принимается сумма времени действия релейной защиты и полного времени отключения выключателя, автомата или других коммутационных аппаратов (см.табл.2.2).

2.4 Правила эксплуатации заземляющих устройств

При эксплуатации заземляющих устройств коррозия, обрывы заземляющих проводников и другие причины могут привести к резкому увеличению сопротивления заземлителя. Оно может сопровождаться человеческими жертвами и ухудшением технических характеристик и надежности работы электротехнического оборудования. Рассмотрим некоторые эксплутационные требования ПУЭ к заземляющим устройствам.

Т а б л и ц а 2.3

Допустимое сопротивление Rз (Ом) при протекании тока промышленной частоты [ 17 ]

Объект	В е л и ч и н а з, (Ом*м)
	До 100	100-500	500-1000	1000-5000	Более 5000
Подстанции 110 кВ и выше	0,5	0,50,75	0,751,1	1,13,7	0,5*(0,87+з/770)
Подстанция 3-35 кВ	250/Iз, но не более 10 Ом	250/ Iз+375/Iз	375/ Iз+550/Iз	550/ Iз+1850/Iз	250/ Iз*(0,87+з/770)
Опоры линии	10	15	20	30	6*10-3 з
Отдельно стоящие молниеотводы	10 - 15
Стержневые молниеотводы, установленные на порталах	4 - 5
Примечания: 1. Iз - наибольший ток, протекающий через заземляющее устройство. 2. Если имеется связь с ЗУ установки напряжением до 1000 В, то Rз уменьшится в 2 раза.

биосфера электромагнитный кабель замыкание

При сдаче в эксплуатацию заземляющих устройств электроустановок после монтажа должны быть представлены протоколы приемосдаточных испытаний этих устройств. Испытания должны производиться в соответствии с требованиями действующих «Норм испытания электрооборудования», утвержденных Главтехуправлением Минтопэенрго.

Каждый элемент установки, подлежащий заземлению, должен быть присоединен к заземлителю или к заземляющей магистрали посредством отдельного заземляющего проводника. Последовательное включение в заземляющий проводник нескольких частей установки запрещается. Это вызвано тем, что при изъятии какого-либо элемента установки для его ремонта или замены произойдет разрыв цепи заземления для его ремонта или замены произойдет разрыв цепи заземления, вследствие чего один или несколько элементов установки окажутся незаземленными.

Заземление или зануление оборудования, подвергающегося частому демонтажу или установленного на движущихся частях, подверженных сотрясением, вибрациям, должно выполняться гибкими проводами.

Способы присоединения заземляющих проводников к заземляемым конструкциям, корпусам аппаратов, машин, к заземлителям, а также способы соединения заземляющих проводников между собой должны обеспечивать надежный контакт. Неудовлетворительное соединение может привести к нарушению функций, выполняемых устройством. Наибольшую надежность соединения обеспечивает сварка. Болтовое соединение применяется только в тех местах, где необходимо отсоединение от заземляющего устройства, например, за период ремонта или испытания.

Заземляющие проводники должны быть предохранены от коррозии, причем такая защита должна применяться не только для открыто проложенных заземляющих проводников, но и для заземляющих проводников, проложенных скрыто. В местах с особо агрессивной средой для проводников, проложенных скрыто, в качестве защиты оболочки. Для открыто проложенных проводников в качестве защиты от коррозии применяется окраска, одновременно используется как отличительная.

Присоединение сварочных агрегатов и других передвижных электроустановок к заземляющим проводникам допускается при их достаточном сечении. При использовании заземляющих проводников недостаточного сечения, например, для питания сварочных агрегатов с большими токами могут иметь перегорание заземляющих проводников, значительное падение напряжения в цепи заземляющего устройства и появление напряжения по отношению к земле на заземленных частях электрооборудования. Это напряжение, как правило, не опасно, но может служить причиной неприятных ощущений у работающего. Кроме того, использование заземляющих проводников РУ в качестве обратного рабочего провода для сварочных агрегатов и других передвижных установок может привести к ответвлению тока на металлические оболочки близлежащих контрольных кабелей, их повреждению и ложной работе релейной защиты. Ложная работа релейной защиты может быть обусловлена и появлением разности потенциалов между заземленными точками цепей защит при работе сварочных агрегатов и других передвижных установок.

Для контроля заземляющего устройства должны проводиться измерение его сопротивления и не реже, чем 1 раз в 10 лет, выборочная проверка со вскрытием грунта для осмотра элементов заземления, проверка наличия и состояния цепей между заземлителями и заземляемыми элементами, соединений естественных заземлителей с заземляющими устройством.

Измерение сопротивления заземляющих устройств С этой целью применяются различные приборы, например, прибор МС-8. должно проводиться:

после монтажа, переустройства и капитального ремонта этих устройств электростанций, подстанций и линий электропередачи;

при обнаружении на опорах ВЛ 110 кВ и выше следов перекрытий или разрушений изоляторов электрической дугой;

на подстанциях 35 кВ и ниже открытого типа - не реже 1 раз в 10 лет; в сетях 35 кВ и ниже у опор с разрядниками, ИП и разъединителями - не реже 1 раз в 5 лет; выборочно у 2% железобетонных и металлических опор в населенной местности, на участках ВЛ с наиболее агрессивными, оползневыми, или плохо проводящими грунтами - не реже, чем 1 раз в 10 лет. Все перечисленные измерения должны проводиться в периоды наибольшего просыхания грунта.

2.5 Расчет сопротивления растеканию заземляющих устройств

Основным параметром заземляющего устройства (ЗУ) является его сопротивление растеканию, равное отношение напряжения на заземлителе к току, стекающему с заземлителя в землю. Полное сопротивление ЗУ слагается из сопротивления растеканию R и сопротивления заземляющих проводников. При протекании тока промышленной частоты можно пренебречь индуктивным и активным падением напряжения вдоль металлических соединительных проводников небольшой протяженности. Величина R зависит от конструкции, геометрических размеров и удельного сопротивления грунта, в котором находится заземлитель.

Удельное сопротивление грунта з зависит от состава, влажности и температуры почвы, поэтому оно подвержено сезонным колебаниям. Наиболее стабильное значение R имеют заземлители, находящиеся ниже уровня вод и глубины промерзания.

При ориентировочных оценках сопротивления можно воспользоваться средними значениями удельных сопротивлений различных грунтов, приведенными в табл.2.4.

При более точных расчетах сопротивления растеканию заземлителей удельное сопротивление грунтов определяют специальными методами непосредственных измерений, например, метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ). Анализ электрических параметров земли проводят путем интерпретации (истолкования) кривых ВЭЗ. Для этого экспериментально полученные кривые сравнивают с набором стандартных кривых, приведенных, например в [18], делают заключение об электрической структуре земли и находят эквивалентное удельное сопротивление грунта.

Сущность ВЭЗ сводится к следующему. В землю с помощью двух электродов А и В от источника питания подается электрический ток (рис.2.7). Тогда электроды могут рассматриваться как точечные, начиная с расстояний, приблизительно в 5 раз превышающих протяженность их заглубленной части.

Т а б л и ц а 2.4.

Характеристика грунтов

Тип грунта	Пределы изменения з, Ом*м
Морская вода Речная вода Торф, чернозем, глина Лесс, супеси, суглинок Песок, песок с галькой Сухие пески Сухой песок с глубиной пласта более 10 м, скальный грунт Мерзлый или многолетнемерзлый грунт	1-10 10-50 20-60 100-300 300-500 500-1000 10000 10000-50000

Ток протекает от одного точечного электрода (А) к другому (В) и пронизывает различные слои земли. При этом ближе к электродам и к поверхности земли плотность тока возрастает, а с глубиной она уменьшается и стремится к нулю. Линии тока и эквипотенциальные поверхности показаны на рис.2.7. Если поместить в пределах поля два электрода М и N, то разность потенциалов между ними ?U будет связана с током I и удельным сопротивлением з формулой

,

где К - коэффициент, зависящий в случае однородности грунта только от взаимного расположения электродов и имеющий размерность длины Величины К и з не зависит от контактных или переходных сопротивлений электродов, но результаты измерений могут быть искажены из-за наличия сторонних полей, что необходимо учитывать при полевых измерениях.. Если грунт неоднороден, то путем измерений I и U также можно определить 3. Однако, в этом случае коэффициент К будет зависеть от характера залегания пород, удельных сопротивлений этих пород, разноса электродов А, В, М и A. Найденное таким образом 3 принять называть кажущимся удельным сопротивлением к.

К однородной среде сопротивление к остаётся одним и тем же при любых расстояниях между электродами. В неоднородной среде к существенно зависит от их расположения. Зависимость к от расстояния между электродами называется кривой ВЭЗ и позволяет судить о строении исследуемого грунта.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.7. Расположение электродов при ВЭЗ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.8. Симметричная (а) и несимметричная (б) схемы измерения удельного сопротивления грунта методом ВЭЗ

Для измерения 3 в энергосистемах широкое распространение получили приборы типа МС-08. С их помощью измерения производятся по симметричной (рис. 2.8, а) или несимметричной (рис. 2.8, б) схемам.

Для симметричной схемы:

Откуда . Таким образом, для симметричной схемы

Аналогично для несимметричной схемы

При известной величине 3 сопротивление растеканию R? рассчитывают различными путями, например, методами электростатической аналогии, зеркального изображения и средних потенциалов (см., например, [6, 18, 19]). Здесь лишь приведены формулы для определения R? для рода вертикальных, горизонтальных и смешанных заземлителей.

Для одиночного вертикального заземлителя длиной l и радиусом r0 , верхний конец которого находится на уровне поверхности земли, сопротивление растеканию равно



е)

Рис. 2. 9. Расположение вертикальных заземлителей.

,

где L - суммарная длина проводников горизонтального заземления; h - глубина заложения заземлителей; r0 - их радиус; Аг - поправка, учитывающая взаимное коронирование проводников горизонтального заземлителя (табл. 2.6).

Таблица 2.6.

Значения Аг для некоторых видов заземлителей.

Расположение заземлителей	Аг	Заземлитель	Аг
Рис. 2.10, а Рис. 2.10, а Рис. 2.10, а Рис. 2.10, а Рис. 2.10, а Рис. 2.10, а	0,48 0,36 0,87 2,13 5,27 3,81	Рис. 2.10, а Рис. 2.10, а Рис. 2.10, а	a/b = 1,0 a/b = 1,5 a/b = 2 a/b = 3 a/b = 4	1,7 1,8 1,9 2,1 2,3
			a/b = 1,0 a/b = 1,5 a/b = 2 a/b = 3 a/b = 4	3,1 3,2 3,3 3,3 3,4
			a/b = 1,0 a/b = 1,5 a/b = 2 a/b = 3 a/b = 4	5,0 5,2 5,4 6,0 6,5

Сопротивление растеканию сложного заземлителя, включающего вертикальные и горизонтальные электроды, можно приближенно рассчитать по формуле:

,

где L - суммарная длина горизонтальных заземляющих электродов-полос; n, l - число и длина вертикальных электродов; S - площадь заземлителя; АГВ - коэффициент, значения которого приведены ниже.

	0	0,05	0,1	0,2	0,5
АГВ	0,44	0,4	0,37	0,33	0,26

Более точно величину R~ для сложного заземлителя подстанций и станций рассчитывают с помощью ЭВМ.

В ряде случаев в районах с высоким значением удельного сопротивления грунтов целесообразно использовать глубинные заземлители, представляющие собой вертикальные стержни, погруженные до уровня грунтовых вод. Их глубина достигает десятков метров, а по высоте грунт имеет неоднородности (различные слои имеют различные сз).

Сопротивление растеканию заземлителю может быть определено по формуле:

,

где сэк - эквивалентное удельное сопротивление грунта.

,

где сi - удельное сопротивление i-го слоя; li - мощность (высота) i-го слоя; - длина заземлителя (рис. 2.11).

2.6 Поведение заземляющих устройств при импульсных токах

Сопротивление заземления при импульсных токах Rи может быть как больше, так и меньше сопротивления растеканию R~. Они связываются соотношением

Rи = бн R~,

где бн - коэффициент импульса заземлителя.

Величина бн зависит от формы кривой протекающего через заземлитель тока, его амплитуды, удельного сопротивления грунта сз и протяженности заземлителей. Случай бн < 1 имеет место при образовании зоны повышенной проводимости грунта вблизи заземлителя при протекании больших токов, случай бн > 1 - из-за влияния индуктивности протяженных заземлителей при небольших длинах фронта импульсов. Более подробно объясним эти обстоятельства.

l₁ с₁

l l₂ с₂

l₃ с₃

Рис. 2.11. К определению эквивалентного удельного сопротивления многослойного грунта.

При растекании с заземлителя большого импульсного тока с плотностью j в грунте с удельным сопротивлением сз образуется электрическое поле с напряженностью E = jсз. С увеличением Е проявляются полупроводниковые свойства грунта, приводящие к снижению сз. Поэтому по мере роста j в грунте его удельное сопротивление падает. Если плотность тока продолжает нарастать, то Е поля вблизи заземлителя достигает значения пробивной напряженности Епр и возникает искрообразование в грунте. Это существенно снижает падение напряжения вблизи заземлителя. При дальнейшем увеличении искровой разряд переходит в дуговой. Как видно из рис. 2.12, вблизи заземлителя, через который протекает большой ток, возникают четыре зоны:

1. дуговая;

2. искровая;

3. полупроводниковая;

4. «постоянной» проводимости.

В итоге падает эквивалентное удельное сопротивление грунта, а следовательно, импульсное сопротивление заземлителя.

При большой длине заземлителя он может быть замещен схемой, включающей индуктивность L, активное сопротивление R, проводимость G и емкость C на единицу длины.



2

3

1

4

Рис. 2.12. Схема процессов в грунте при протекании через заземлитель больших импульсных токов: 1 - дуговая зона; 2 - искровая зона; 3 - полупроводниковая зона; 4 - зона «постоянной проводимости».

Величина R значительно меньше сопротивления заземлителя, а емкость С может иметь заметное влияние лишь при высоких значения удельного сопротивления грунта и весьма кратковременных процессах. При сз < 5000 Ом·м, даже при импульсах с длиной фронта несколько микросекунд, емкость электродов относительно уровня нулевого потенциала С и, следовательно, емкостные токи пренебрежительно малы по сравнению с токами проводимости. В этом случае схема замещения протяженного заземлителя упрощается (рис. 2.13).

На фронте импульса индуктивность L заземлителя препятствует проникновению тока к удаленным его участкам, которые практически не влияют на отвод тока в землю. На сравнительно медленном спаде волны распределение напряжения вдоль заземлителя выравнивается, а сопротивление его уменьшается и стремиться к значению сопротивления растекания R~. Длительность переходного процесса в заземлителе оценивается постоянной времени

,

где l - длина заземлителя.

L L L

I_м д д д

Рис. 2.13. Упрощенная схема замещенного протяженного заземлителя.

В заземлителях для отвода тока молнии в землю наибольшее значение имеет величина сопротивления заземления в момент максимума тока молнии фф. Если фф >> T, то заземлители можно рассматривать как сосредоточенные. Если фф соизмерима с Т, то в таких заземлителях необходимо учитывать их протяженность.

При длине заземлителей l > 10 м бн можно высчитать с погрешностью не более 10% по формуле:



В табл. 2.7 приведены значения бн для некоторых заземлителей и при амплитудах токов (с длительностью фронта фф = 3 ч 6 мкс).

2.7 Вынос потенциала с контуров заземления электроустановок

Опасный вынос потенциала может иметь место при контакте токоведущих контактов сети высокого напряжения с проводниками сетей более низкого напряжения. При однофазном коротком замыкании через заземляющее устройство подстанции может протекать ток, достигающий десятки килоампер. Такой ток на сопротивлении заземления подстанции вызывает падение напряжения Uз до нескольких киловольт по отношению к удаленной точке. Как отмечалось выше, для уменьшения напряжения шага Uш и прикосновения Uпр заземляющее устройство подстанции выполняют в виде сетки, чтобы обеспечить условия:

; .

Основную опасность может представлять вынос высокого напряжения за пределы контура заземления подстанции по заземленным оболочкам кабеля связи, силовых кабелей, железнодорожным рельсам, трубопроводам. Рекомендуется иметь изоляционные стыки в местах выхода протяженных проводников за пределы контура заземления распредустройства.

Как отмечено в [14], особую опасность могут создавать провода линий связи, заходящих на подстанцию сетей с глухим заземлением нейтрали. На таких подстанциях по требованиям правил электробезопасности все металлические корпуса аппаратуры заземляются через общий контур распредустройства и поэтому они в момент КЗ имеют потенциал, равный потенциалу заземляющего устройства.

а).

l

б).

l

в).

D

г).

d

l

a

д).

d l

d = 0,35 м

Рис. 2.14. Виды заземлителей.

Таблица 2.7.

Значения коэффициента импульса для ЗУ различной конфигурации.

Вид заземлителя	Удельное сопротивление грунта, Ом·м	Длина заземлителя l (диаметр кольца Д), м	бн при амплитуде тока, кА
			5	10	20	40
Горизонтальный заземлитель (рис. 2.14, а)	100	5	0,8	0,75	0,65	0,50
		10	1,05	1,00	0,90	0,80
		20	1,2	1,15	1,05	0,95
	500	5	0,60	0,55	0,45	0,30
		10	0,80	0,75	0,60	0,45
		20	0,95	0,90	0,75	0,60
	1000	10	0,60	0,55	0,45	0,35
		20	0,80	0,75	0,60	0,50
		40	1,0	0,95	0,85	0,75
		60	1,2	1,15	1,10	0,95
Вертикальный заземлитель (рис. 2.14, б)	100	2-3	0,9	0,85	0,75	0,60
	500	2-3	0,7	0,60	0,45	0,30
	1000	2-3	0,55	0,45	0,30	-
Кольцевой заземлитель (рис. 2.14, в)	100	4	-	-	0,6	0,45
		8	-	-	0,75	0,65
		12	-	-	0,8	0,7
	500	8	-	-	0,5	0,45
		12	-	-	0,60	0,50
	100	8	-	-	0,4	0,3
		12	-	-	0,45	0,4
Сборный железобетонный подножник (a = 1,8 м; d = 0,4 м) (рис. 2.14, г)	3000	3,3	0,9	0,6	0,3	-
Свайный фундамент (рис. 2.14, д)	3000	5,5	0,7	0,5	0,3	-

В то же время провода линий связи имеют практически нулевое напряжение по отношению к удаленной земле. По перечисленным причинам возникает опасность одновременного прикосновения к корпусу и проводу линии связи. Поэтому между всеми проводами линии связи и контура заземления подстанции предусматривают разрядники типа РБ. При возникновении КЗ эти разрядники срабатывают и защищают обслуживающий персонал. Однако при это возникает возможность выноса высокого напряжения с заземляющего контура подстанции через разрядники по проводам линий связи на значительное расстояние. Такое напряжение может оказаться опасным для обслуживающего персонала соседнего узла связи и абонентов.

Как показано в [11], в целях защиты от опасного гальванического влияния вследствие выноса высокого напряжения рекомендуется:

- устанавливать на выходящих за пределы подстанции фидерах связи изолирующие трансформаторы;

- включать комплекты разрядников и защитных промежутков на проходе воздушной или кабельной линий связи к подстанции;

- на соседнем узле связи дополнительно к п. 2 подключать разрядники между проводами линий связи и заземляющим устройством этого узла.

3. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ОТ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВЛИЯНИЙ

3.1 Требования к защитным устройствам и способы защиты

Развитие новых технологий в микроэлектронике привело к повсеместному использованию в схемах контроля, управления, сбора и обработки различной информации высокопроизводительных, экономичных и малогабаритных интегральных микросхем. Однако по мере усложнения этих схем и миниатюризации их элементов постоянно наблюдалось снижение их стойкости к внешним электромагнитным воздействиям, что требовало повышения надежности защиты. Применяющиеся ранее методы защиты от электромагнитных помех, вполне оправдавшие себя в работе со старой элементной базой, оказывались непригодными при переходе на современную элементную базу, и приходилось не только совершенствовать устройства защиты (разрядники, фильтры и т.п.), но и искать новые принципы построения защиты от внешних электромагнитных влияний. Например, схемы на электронных лампах имели уровень допустимых импульсных воздействий порядка нескольких сотен вольт, причем пробой межэлектродного промежутка внутри лампы чаще всего не приводил к ее повреждению, а лишь создавал сбои при работе. Схемы на полупроводниковых транзисторах имеют уровень допустимых напряжений уже порядка нескольких десятков вольт, причем после воздействия импульса, превышающего допустимый уровень, происходит, как правило, повреждение транзистора, требующее поиска поврежденного элемента и его замены. Для элементов интегральной микроэлектроники уровень допустимых напряжений может снижаться до единиц вольт, причем после повреждения хотя бы одного из многочисленных элементов вся интегральная чаще всего оказывается полностью непригодной для дальнейшей работы.

Одновременно со снижением уровня допустимых перенапряжений уменьшается и значения допустимых значений зарядов, проходящих при импульсных воздействиях через элементы схемы, а также и выделяемой при импульсах энергии, что требует ограничения не только амплитуды, но и длительности воздействующих импульсов. Для некоторых микросхем параметры разрушающего воздействия столь малы, что даже прикосновение руки человека, сопровождающееся разрядом электростатического заряда паразитной емкости тела человека относительно земли через электроды схемы, является для нее губительным (ГОСТ 29191-91).

Подробная классификация источников опасных и мешающих влияний на электронную аппарату, а также характерные значения интенсивности их полей приведены в главе 1. Однако при оценке реальных воздействий на различную аппаратуру приходится учитывать не только исходные параметры полей, создаваемых внешними их источниками, но и параметры каналов прохождения помех к чувствительным элементам аппаратуры. Чаще всего влияния проникают через присоединенные к аппаратуре линии передач информации и линии электропитания и характеристики этих линий во многом определяют степень опасности помех. В других случаях поля проникают непосредственно к месту размещения чувствительности элементов, проходя сквозь несовершенные экраны, и наводят напряжения и токи в монтажных проводниках. Наличие специальных средств защиты (экранирования, фильтров, ограничителей амплитуд импульсов напряжения и т.п.) также существенно изменяет условия работы аппаратуры при наличии помех.

Типичные значения предельных воздействий, допустимых для различных видов электронной аппаратуры приведены в табл.3.1.

Т а б л и ц а 3.1.

Разрушающая импульсные воздействия на электронную аппаратуру (при длительности импульса 50 мкс)

Тип оборудования	Электрическая прочность, кВ
Сети электропитания	1-3
Схемы с дискретными элементами (резисторами, конденсатора и т.д.)	0,5-5
Биполярная техника	0,05-0,2
Интегральные схемы	0,01-,02

Таким образом, основным фактором, определяющим требования к способам защиты и защитным устройствам, является элементная база защищаемого оборудования. Второй фактор - интенсивность потока опасных электромагнитных воздействий, которая оценивается обобщенно по характерным местам установки защищаемого оборудования.

В зависимости от наличия ниже перечисленных признаков условия эксплуатации ТС подразделяются на следующие классы:

КЛАСС 0

ТС установлены в специальном помещении;

Все введенные извне кабели снабжены от перенапряжений;

ТС подсоединены к эффективной системе заземления, на которой не оказывают существенного влияния энергетические установки и молниевые разряды, или снабжены автономными средствами электропитания.

КЛАСС 1

Все введенные извне кабели снабжены защитой от перенапряжений;

ТС подсоединены к заземляющей магистрали, на которую не оказывают существенного влияния энергетические установки и молниевые заряды. Электропитание электронного оборудования отдельно от электропитания другого оборудования;

Операции переключения могут создавать напряжения помех внутри помещения.

КЛАСС 2

Кабели, содержащие цепи электронного и электротехнического оборудования, разделены;

ТС подсоединены с помощью разделенных заземляющих шин и системе заземления энергетического оборудования, которая может подвергаться влиянию напряжений помех, образованных как самим оборудованием, так и молниевыми разрядами;

Электропитание ТС развязано от других питающих цепей, как правило, специальным питающим трансформаторами.

КЛАСС 3

Кабели, содержащие цепи электронного и электротехнического оборудования, проложены параллельно;

ТС подсоединены к общей с энергетическим оборудованием системе заземления, которая может подвергаться существенному влиянию помех, образованных как самим оборудованием, так и молниевыми разрядами;

Токи от коротких замыканий, операций переключения и молниевых разрядов могут образовывать в системе заземления напряжения помех с относительно большой амплитудой;

Защищенное электронное оборудование и менее чувствительное электрическое оборудование подсоединены к одной и той же сети электропитания;

Кабели межсоединений могут частично прокладываться за пределами здания с заземляющими шинами;

Оборудование содержит коммутирующие индуктивные нагрузки, не снабженные помехоподавляющими средствами.

КЛАСС 4

Многопроводные кабели содержат цепи электронного и электротехнического оборудования;

ТС подсоединены к системе заземления энергетического оборудования, которая может подвергаться влиянию помех, образованных самим оборудованием, так и молниевыми разрядами;

Токи от коротких замыканий, операций переключения в сетях электропитания и молниевых разрядов могут образовываться в системе заземления импульсных помех с относительно большими амплитудами;

Сеть электропитания может для электронного и электротехнического оборудования;

Кабели выходят за пределы здания, в том числе к высоковольтному оборудованию;

Отсутствует специально спроектированная заземляющая система для электронного оборудования.

КЛАСС 5

ТС подключены к наземным энергетическим линиям малонаселенных района;

Все кабели и линии снабжены первичной защитой от перенапряжений;

Электронное оборудование не имеет распределенной заземляющей системы;

Напряжение импульсов помех, вызванных короткими замыканиями и молниевыми разрядами, может быть экстремально высоки, если не применены средства защиты.

Требования к уровню испытательных воздействий изменяются в зависимости от места работы аппаратуры согласно табл.3.2.

Предполагается, что в условиях эксплуатации наибольшие амплитуды воздействующих на ТС импульсов перенапряжений при выполнении сформулированных для данного класса условий не будут превосходить указанных в последнем столбце таблицы значений испытательного напряжения. Для класса 0 ожидаемые в условиях эксплуатации амплитуды не превышают 25В.

Таблица 3.2.

Амплитуда импульса напряжения 1/50 мкс на ненагруженном выходе испытательного генератора при испытаниях электротехнических, радиоэлектронных и электронных изделий, оборудования и аппаратуры (технических средств - ТС) при испытаниях на устойчивость к микросекундным импульсным помехам энергии (ГОСТ Р 50007-92)

Класс условий эксплуатации генератора в режиме холостого хода	Величина амплитуды импульса напряжения испытательного
0	Испытания не обязательны
1	0,5 кВ
2	1 кВ
3	2 кВ
4	4 кВ
5	По согласованию между потребителем и производителем и производителем

Из табл.3.2. видно, что наибольшее влияние на ожидаемую величину импульсных перенапряжений оказывают способ подводки питания к электронным схемам установки, способ их заземления, расположение контрольных и силовых кабелей; а также присутствие поблизости от этих кабелей высоковольтного оборудования.

3.2 Оценка величины тока или напряжения, наведенных внешним электромагнитным полем при медленных его изменениях

Часто размеры устройства, на котором создается наводка внешним электромагнитным полем, можно считать малым по сравнению с длиной электромагнитной волны влияющего поля. Более точно это условие формулируется следующим образом: наибольший габаритный размер металлической конструкции, улавливающий наводку, не превышает одной шестой наименьшей длины волны возможного излучения. В этих случаях можно найти величину, наведенного тока или напряжения, рассматривая электрическую и магнитную составляющие поля отдельно, причем часто удается ограничиться рассмотрением только одного электрического или только магнитного поля. Кроме того, допустимо считать эти поля квазистатическим, т.е. не учитывать их волновую природу.

Рассмотрим влияние квазистатического магнитного поля на электрический контур (рис.3.1). Обозначение: L - индуктивность замкнутой петли, образованной проводниками контура; R - активное сопротивление контура; Ln - диаметр проводников, образующих контур; r - эквивалентный радиус контура; S - площадь контура.

H U E

R

Рис.3.1. К расчету напряжения Рис.3.2. К расчету напряжения помехи, помехи, наведенной медленно наведенной медленно изменяющимся изменяющимся электрическим магнитным полем в одиночном витке полем в протяженном проводнике