ЗАЗЕМЛЕНИЕ. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЙ

Введение. При проектировании средств заземления приходится искать компромисс между противоречащими друг другу требованиями, поскольку заземляющая система должна:

· обеспечивать сиг­нальные и силовые цепи возврата;

· защи­щать людей и оборудование от грозовых разрядов;

· защищать людей и оборудование от неисправностей в цепях источников питания;

· снимать статические за­ряды;

· образовывать опор­ные плоскости для антенн;

· препятствовать появлению вблизи антенн высокочастотных потенциалов;

· представлять собой цепь опорного источника напря­жения.

Заземление в системах железнодорожной автоматики, телемеханики и связи (СЖАТ) выполняет ряд перечисленных функций: защита людей от поражения током электроустановок (функция биоЭМС), молниезащита электрооборудования и обеспечение протекания рабочего тока (функция техноЭМС). Отсюда заземляющее устройство (ЗУ) рассматривается, как одна из неотъемлемых частей СЖАТ, определяющая стабильность работы всей системы и электробезопасность обслуживающего персонала.

Опыт показывает, что проблемы, возникающие при вводе и в процессе эксплуатацию СЖАТ, а, соответственно, и в управлении перевозочным процессом, зачастую обусловлены сопротивлением ЗУ, превышающим нормативное значение (R_н = 4 Ом). Масштабное обновление средств железнодорожной автоматики и телемеханики в настоящее время подразумевает модернизацию ЗУ, особенно в той проводящей части, которая находится в электрическом контакте с землей (заземлитель). При проектировании СЖАТ раздел по устройству ЗУ является обязательным, но применяемые типовые решения и конструкции заземлителей не только не обеспечивают сезонную стабильность нормируемой величины сопротивления ЗУ, но и обладают высокой металлоемкостью, требуют высоких трудозатрат при монтаже и не удовлетворяют требованиям устойчивости к коррозии, а также затрудняют визуальный контроль их технического состояния и препятствуют оперативному наращиванию числа заземляющих электродов при ухудшении их электрических характеристик. Следствием является высокий уровень затрат на строительство новых, ремонт и обслуживание существующих заземлителей, число которых исчисляется сотнями тысяч.

Перечисленные выше проблемы весьма актуализируют разработку методов и средств, позволяющих повысить эффективность заземлителей в части их ресурсосберегающих свойств.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЙ

Заземление служит для канализации максимально возможных токов любого происхождения (от грозовых разрядов, коммутационных процессов, соприкосновения цепей от разных источников, коротких замыканий на корпус и т. п.) таким образом, чтобы выделенное на сопротивлении заземления падение напряжения от этих токов не превышало допустимые значения. Следовательно, если допустимые напряжения известны (например, шаговое напряжение, напряжение пробоя изоляции и др.), то, задаваясь токами канализации, можно определить нормативное сопротивление заземления.

По функциональному признаку заземляющие устройства принято подразделять на защитные (с сопротивлением 2-30 Ом), рабоче-защитные (2-30 Ом), линейно-защитные (2-20 Ом), рабочие (10-30 Ом) и измерительные (100-200 Ом).

Защитное заземление предназначено для защиты от поражения электрическим током или напряжением людей и технических средств с помощью соединения с «землей» оборудования, нормально не находящегося под напряжением. При рабочем заземлении «землю» используют в качестве одного из проводов электрической цепи. Рабоче-защитное заземление совмещает функции рабочего и защитного заземлений. Линейно-защитное заземление защищает кабели и воздушные линии. Измерительное заземление служит для подключения аппаратуры с целью определения сопротивлений заземлений.

2. О ВРЕДЕ КОНТУРА ЗАЗЕМЛЕНИЯ

При выполнении заземления необходимо придерживаться определенных условий, нарушение которых может привести к значительным материальным потерям, Так, одним из главных условий устройства заземлений в электропитающих установках, находящихся

вблизи электрифицированных железных дорог, является исключение образования контуров заземления. Контур заземления возникает тогда, когда заземление образовано в двух и более точках (рис.1). Тогда, например, тяговый ток по цепи, имеющей связь с точкой В, при нарушении у ней связи с землей имеет возможность пройти через провод электропитающей установки к точке А и далее к отсасывающему фидеру тяговой подстанции. Следствием такого непреднамеренного протекания тягового тока по проводу может быть его перегрев, возгорание изоляции и пожар в электросистеме.

Рис. 6.10. Образование контура заземления

3. ГАЛЬВАНИЧЕСКОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ КОНТУРОВ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Одним из распространенных методов разрыва контура заземления является гальваническое разделение участков схем с разными точками заземления с помощью трансформаторов. Этот метод широко применяют, например, при проектировании электропитающих панелей для систем электрической централизации стрелочных приводов и сигналов, диспетчерской и горочной централизации.

Контур заземления может возникнуть не только в результате ошибки проектирования или при неисправностях заземления, но и в случае одновременного пробоя двух разрядников, подключенных к разным заземлителям. Поэтому перед выбором схемы включения ограничителей необходимо проанализировать потенциальную возможность образования контуров заземления.

4. ОБ ИСКРОВОЙ ЗОНЕ ВОКРУГ СТЕРЖНЕВЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ

Существует влияние величины тока, стекающего с заземлителя, на его сопротивление. При определенном значении тока напряженность поля вблизи заземлителя возрастает до критического значения, при котором возникает электрический пробой грунта, развивающийся в виде разветвленных проводящих каналов. Эти каналы шунтируют участки земли, прилегающие к электроду, в результате чего размеры электрода-заземлителя как бы увеличиваются. Вследствие этого сопротивление заземления уменьшается, причем тем сильнее, чем больше величина тока, стекающего с заземлителя. Область грунта, в которой напряженность электрического поля превышает критическую величину Е_кр, принято называть искровой зоной.

Рассмотрим математическую модель образования напряжения между жилой кабеля, расположенного радиально относительно заземлителя, и «землей» с учетом образования искровой зоны. При этом будем полагать, что удельное сопротивление грунта в области искровой зоны равно нулю.

Дифференцируя потенциал электрического поля вертикального стержневого заземлителя вблизи поверхности земли, найдем зависимость напряженности поля от радиальной координаты. При этом границу искровой зоны определим из уравнения:

, (1)

где — вектор напряженности электрического поля заземлителя в точке с радиальной координатой r.

Исходя из уравнения (1) и предположения о постоянстве потенциала в области искровой зоны, находим интересующее нас распределение потенциала поля вокруг заземлителя. Используя теперь предположение о линейности электрического потенциала в жиле кабеля, получаем величину напряжения между жилой кабеля и землей как разность потенциалов кабеля и грунта в соответствующих точках. Полученный результат, учитывающий искрообразование, может быть представлен в следующем виде:

, (2)

где r - удельное сопротивление грунта; l - длина заземлителя; L - длина кабеля; I - амплитуда тока молниевого импульса; - напряжение между жилой и грунтом (на оболочке кабеля).

Формула (2) является математической моделью грозового перенапряжения в кабеле с учетом образования искровой зоны и решает задачу определения величины напряжения жила-«земля» вдоль кабеля.

При вычислении напряжения между кабелем и грунтом основной проблемой является определение электрического поля в грунте, возбуждаемого током молнии. Поскольку рассматривается вертикальный стержневой заземлитель, то можно полагать, что искровая зона симметрична относительно его оси. Полагая удельное сопротивление грунта в области искровой зоны равным нулю, приходим к задаче об определении потенциала электрического поля вне искровой зоны. В качестве граничного условия будем использовать условие постоянства потенциала на поверхности искровой зоны. Для определения потенциала электрического поля jв грунте вне области искровой зоны находим решение уравнения Лапласа с указанным граничным условием:

(3)

где s- поверхность искровой зоны.

- потенциал электрического поля на поверхности заземлителя.

Для однозначного определения потенциала j принимаем потенциал на бесконечности равным нулю. Из приведенного выше механизма формирования искровой зоны следует, что ее поверхность совпадает с эквиградиентной поверхностью, соответствующей величине напряженности электрического поля E_кр.

Произведем замещение эквиградиентной поверхности на некоторую подходящую эквипотенциальную. Тогда при рассмотрении стержневого заземлителя (замещаемого полуэллиптическим), решение уравнения (1) вблизи поверхности земли принимает следующий вид:

, (4)

где - потенциал электрического поля в точке поверхности земли, удаленной на расстояниеr' от оси электрода, l - длина заземлителя.

Приближенную границу искровой зоны по поверхности грунта определим из уравнения, полученного приравниванием производной функции j(r) величине E_кр:

, (5)

где .

Если теперь в качестве взять радиус заземлителя и учесть, что << l, то получим:

. (6)

Потенциал связан с протекающим через заземлитель током I соотношением:

, (7)

где r — удельное сопротивление грунта.

Решая уравнение (5) относительно r с учетом (6) и (7), получаем выражение для радиуса искровой зоны (вдоль поверхности земли):

, (8)

где .

Учитывая (5) и (6), получаем окончательно из формулы (1) потенциал электрического поля в грунте с учетом искровой зоны:

(9)

где - потенциал в пределах искровой зоны.

Распределение потенциала вдоль жил кабеля j _ж предполагается линейным:

j _ж (r)=a r+b, (10)

Для определения констант a и b используем условия:

(11)

где L — длина кабеля.

Таким образом, имеем:

(12)

Тогда для определения напряжения на изоляции кабеля (между жилой и грунтом) вычтем (9) из (10); получим:

(13)

Результаты расчетов по формуле (13) приведены на рис.2. Анализ полученных результатов показывает, что при наличии искровой зоны вокруг вертикального стержневого заземлителя зависимость максимума напряжения от тока молнии не только нелинейна, но в определенных условиях (в частности, при повышении удельного сопротивления грунта и повышении тока молнии) имеет экстремум. Примером тому служит семейство графиков, приведенных на рис. 2.

——— r=100 Ом×м - - - - - - r=500 Ом×м — — — r=1000 Ом×м — - - — r=4000 Ом×м

Рис. 2. Расчетные значения напряжения между жилой и землей при следующих параметрах модели: E_кр=110 кВ/м; L=50 м; l=2 м; I = 20 кА.

Представленная модель указывает на возможность управления величиной максимального перенапряжения на изоляции кабеля посредством изменения длины заземлителя. Анализ результатов вычислений показал, что при тех значениях параметров модели, при которых напряжение на оболочке достигает опасной величины (порядка 170 кВ), возможность уменьшения уровня напряжения на оболочке посредством увеличения длины заземлителя оказывается достаточно эффективной для грунтов £200 Ом×м.

Результаты имитационного моделирования показали, что чем выше удельное сопротивление грунта, тем больше экстремальная величина перенапряжения. Данный вывод согласуется с результатами наблюдений повреждений изоляции находящихся в эксплуатации кабелей. Так, на участках, имеющих скальные грунты, грозовые поражения происходят чаще, чем на участках с болотистыми грунтами. Эффект естественного ограничения напряжений объясняется нелинейным снижением сопротивления заземлителя при расширении искровой зоны вокруг вертикального электрода.

Следует отметить весьма важное обстоятельство, связанное с размером искровой зоны вокруг заземлителя. Как показали расчеты, размер искровой зоны вдоль поверхности грунта зачастую составляет несколько метров, т. е. сопоставим с длиной заземлителя. Это означает, что образование искровой зоны приводит к снижению сопротивления заземления, причем это уменьшение тем слабее зависит от длины заземлителя, чем больше размер искровой зоны. В то же время размер искровой зоны тем больше, чем больше удельное сопротивление грунта. Теперь становится понятно, почему изменение длины заземлителя не может достаточно эффективно влиять на уровень напряжения на изоляции кабелей, проложенных в высокоомных грунтах.

Литература

1. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.д. транспорта / Вл.В.Сапожников, Н.П.Ковалев, В.А.Кононов, А.М.Костроминов, Б.С.Сергеев; Под ред. Проф. Вл.В.Сапожникова. – М.: Маршрут, 2005.- 453 с.