Теоретические положения к выполнению расчета

Расчет молниезащиты и заземляющего устройства типовой подстанции 110/(6-10) кВ

Студенты специальности 14022 при выполнении академической темы в своем дипломном проекте должны выполнить расчет заземляющего устройства и молниезащиты главной понизительной подстанции проектируемого предприятия, в качестве которой обычно принимается одна из типовых подстанций 110/(6-10) кВ. Результаты этого расчета выносят на один из листов дипломного проекта. Чтобы помочь студентам выполнить эти расчеты безошибочно на кафедре разработаны программы на Delphi для расчета заземляющего устройства (Zaz(DZ)) и молниезащиты Мol(DZ) типовой подстанции 110/(6−10) кВ.

ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ПОДСТАНЦИИ

Теоретические положения к выполнению расчета

На подстанции необходимы три вида заземлений [17]: защитное, рабочее, молниезащитное.

Защитное заземление необходимо для обеспечения безопасности персонала при обслуживании электроустановки. К защитному заземлению относятся заземления металлических нетоковедущих частей установки (корпусов электрических машин и трансформаторов, каркасов шкафов, распределительных щитов и т.д.), нормально не находящихся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции. Заземление позволяет снизить напряжение прикосновения до безопасного уровня.

Рабочеезаземление предназначено для создания нормальных условий работы электроустановок. К рабочему заземлению относится заземление нейтралей трансформаторов, генераторов, дугогасительных катушек.

Молниезащитное заземление необходимо для обеспечения эффективной защиты электроустановок от грозовых перенапряжений. К молниезащитному заземлению относятся заземления молниеотводов, разрядников, ограничителей перенапряжений, опор линий, тросов, крыш закрытых распределительных устройств.

Заземляющее устройство состоит из заземлителя, находящегося в непосредственном соединении с землей, и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем.

Для всех трех видов заземлений может использоваться одно и то же заземляющее устройство, но при этом его сопротивление выбирается по наиболее жестким требованиям, т.е. по наименьшей допустимой величине. Для рабочего и защитного заземления всегда используется общий заземлитель. Причем наименьшее допустимое сопротивление обычно имеет защитное сопротивление (сопротивление рабочего заземления должно быть много меньше сопротивления нулевой последовательности [17]).

Молниеотводы также можно присоединять к общему заземлителю, если они устанавливаются на конструкциях [1]. Но при этом дополнительно от стоек конструкции ОРУ 35 кВ и выше нужно обеспечить растекание тока молнии по магистралям заземления не менее чем в двух направлениях с углом не менее 90º между соседними (рис. 1.1). Кроме того, должно быть установлено не менее одного вертикального электрода длиной 3-5 м на каждом направлении, на расстоянии не менее длины электрода от места присоединения к магистрали заземления стойки с молниеотводом. Это вызвано тем, что быстрое нарастание тока молнии создает падение напряжения на индуктивности протяженного заземлителя и удаленные его части практически не участвуют в отводе тока на землю.

Рис. 1.1. Дополнительные меры при установке молниеотводов на конструкциях

На подстанции с высшим напряжением 35 кВ при установке молниеотводов на трансформаторных порталах сопротивление устройства не должна превышать 4 Ом [7]. Если на подстанции используются отдельно стоящие молниеотводы, то они должны иметь свое обособленное заземление с сопротивлением не более 80 Ом [1].

Рассмотрим порядок расчета и конструкцию защитного заземления.

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

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

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

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

Расчет обоими способами может производиться как по допустимому сопротивлению растеканию тока заземлителя, так и по допустимому напряжению прикосновения.

В настоящее время расчет заземлителей производится в большинстве случаев по допустимому сопротивлению заземлителя. И лишь заземляющие устройства электроустановок напряжением выше 1 кВ с эффективно заземленной нейтралью в районах с большим удельным сопротивлением земли, в том числе в районах многолетней мерзлоты, ПУЭ рекомендует выполнять по допустимому напряжению прикосновения [7].

Поэтому мы рассмотрим способ коэффициентов использования, расчет выполним по допустимому сопротивлению растекания тока.

Сопротивление растеканию R_з заземляющего устройств подстанции должно быть следующим:

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

Ом;

2) в электроустановках напряжением выше 1 кВ с сетях с изолированной нейтралью

, но не более 10 Ом; (1.1)

где - расчетный ток замыкания на землю, А.

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

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

, но не более 4 Ом; (1.2)

где - ток замыкания на землю, А.

При суммарной мощности трансформаторов подстанции 100 кВА и менее заземляющее устройство должно иметь сопротивление не более 10 Ом.

За расчетный ток I_з в формулах (4.1) и (4.2) в сетях с изолированной нейтралью принимается полный ток замыкания на землю при полностью включенных присоединениях электрически связанной сети. Ток замыкания можно определить по приближенной формуле

I_З = U×(35×ℓ_К + ℓ_В )/350;

где U – линейное напряжение сети, кВ; ℓ_К и ℓ_В − общая длина электрически связанных между собой кабельных и воздушных линий, км.

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

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

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

Заземлители делятся на естественные и искусственные. Для снижения расходов на заземляющие устройства в первую очередь нужно использовать естественные заземлители [1]. В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать трубы водопровода, трубопроводы, проложенные в земле (за исключением нефтепроводов и газопроводов), свинцовые оболочки кабелей (использование алюминиевых оболочек не допускается) и т.п.

Сопротивления естественных заземлителей обычно измеряют, при этом результат измерения следует умножить на коэффициент сезонности k_с (табл. 4.2 или 4.3). При отсутствии измеренного сопротивления его можно оценить по формулам, выведенным для искусственных заземлителей аналогичной формы [11], или специальным формулам. Например, сопротивление растеканию системы трос-опоры (при числе опор с тросом более 20)

где - расчетное, т.е. наибольшее (с учетом сезонных колебаний), сопротивление заземления одной опоры, Ом; r –активное сопротивление троса на длине одного пролета, Ом; n - число тросов в опоре. Активное сопротивление стального троса r = 0,15×ℓ /S, гдеℓ –длина пролета, м; S – сечение троса, мм².

Если сопротивления естественных заземлителей недостаточно, то применяются искусственные заземлители. Искусственные заземлители - это металлические электроды, заглубленные в землю специально для устройства заземлений. На подстанциях обычно выполняются контурные заземлители, они состоят из вертикальных электродов, связанных между собой горизонтальным электродом, уложенным на глубину 0,5 – 0,7 м по контуру подстанции (рис. 4.2 и 4.3). Вокруг ЗРУ контур заземлителя укладывается на расстоянии не более 1 м от края фундамента [7]. Расстояние между оградой ОРУ и контуром заземляющего устройства должно быть не менее 2 м [7].

Рис. 1.2. Контурный заземлитель закрытой, отдельно стоящей подстанции:

1 – вертикальные электроды; 2 – горизонтальный электрод

Рис. 1.3. Контурный заземлительоткрытой подстанции: 1 – вертикальные электроды; 2 – горизонтальный электрод; 3 – ограда; 4 – выравнивающая сетка

Вертикальные электроды в контуре не следует устанавливать слишком часто, ток как при этом они экранируют друг друга, увеличивая суммарное сопротивление. Взаимное влияние электродов заземлителя друг на друга учитывается в расчете введением коэффициента использования вертикальных и горизонтального электродов, которые зависят от отношения a/ℓ, где – среднее расстояние между вертикальными электродами; p – периметр контурного заземлителя, – число вертикальных электродов, ℓ– длина вертикального электрода.

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

Размещение продольных и поперечных полос выравнивающей сетки по территории подстанции приведено в пособии Ю.И. Солуянова [20] (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Контурный заземлитель открытой подстанции: 1- забор;

2- оборудование; 3- заземляющее устройство.

В качестве вертикальных электродов используются прутки, а также уголки и отбракованные трубы. При выборе размеров вертикальных электродов исходят из условий обеспечения требуемого сопротивления при наименьшем расходе металла, механической прочности электрода во время погружении в грунт и устойчивости к коррозии. Поэтому вертикальные электроды имеют минимальные допустимые размеры, которые в последние годы регулярно меняются. В 2006 году они очередной раз увеличены: у уголка толщина полки должна быть не менее 5 мм, у трубы толщина стенки – не менее 3,5 мм, у прутка диаметр – не менее 18 мм (для оцинкованных – не менее 16 мм).

Наибольшую механическую прочность при погружении в грунт имеют трубы и уголки, наименьшую – прутки. При заглублении вертикальных электродов предварительно роют траншею глубиной 0,7 – 0,8 м. Забивку труб и уголков производят с помощью копров, вибраторов, а при их отсутствии – кувалдами. Способ забивки кувалдой очень трудоемок и требует строительства подмостков.

Все большее распространение получают вертикальные заземлители из прутков. Они наиболее устойчивы к коррозии и долговечны. Применение прутков вместо труб и уголков приводит к экономии металла (примерно 0,5 т на 100 электродов [12]). Для ручного ввертывания прутковых электродов выпускаются электрозаглубители массой 10 – 20 кг (рис. 1.5) [16]. С помощью их вворачивают электроды до 5 м. Для облегчения ввертывания к прутку можно приварить наконечник в виде буравчика.

Рис. 1.5. Механизация работ при сооружении заземляющих устройств с помощью электрозаглубителя

В 2006 году вышел технический циркуляр № 11/2006 [26], в котором установлен минимальный диаметр прутка d=18 мм. Поэтому в лабораторной работе и домашнем задании рекомендуется брать прутки диаметром 18 мм.Для их заглубления можно использовать вибромолоты (рис. 4.6).

Рис. 1.6. Вибромолоты РТС 8PHFV

В качестве горизонтального электрода [26] применяют прутки диаметром не менее 12 мм или полосовую сталь сечением не менее 150 мм², толщиной не менее 5 мм (в лабораторной работе и домашнем задании рекомендуется полоса 5∙40 мм²). Полосовая сталь укладывается на ребро во избежания нарушения контакта при возможных усадках грунта.

Соединения горизонтальных и вертикальных электродов осуществляется сваркой. Искусственные заземлители не должны иметь окраски [1].

Расчет заземляющего устройства

Для расчета заземления необходимы следующие условия.

1. Характеристика подстанции – рабочие напряжения, типы заземления нейтралей трансформаторов, мощности трансформаторов.

2. План подстанции с указанием основных размеров и размещения оборудования.

3. Климатическая зона, где будет сооружаться подстанция, удельное сопротивление грунта.

4. Сведения о естественных заземлителях.

5. Расчетный ток замыкания на землю или данные для его определения.

Расчет сопротивления растеканию заземлителя проводится путем постепенного приближения.

Порядок расчета следующий (он составлен в соответствии с [11,12]).

1. Устанавливается необходимое по ПУЭ [1] максимально допустимое сопротивление заземляющего устройства . Если заземляющее устройство является общим для электроустановок на различное напряжение, то расчетным сопротивлением заземляющего устройства является наименьшее из требуемых.

2. Определяется необходимое сопротивление искусственного заземлителя с учетом использования естественных заземлителей:

где – расчетное сопротивление заземляющего устройства; – сопротивление естественного заземлителя.

3. Выбираются форма и размеры электродов, из которых будет сооружаться групповой заземлитель.

4. На план подстанции наносится предварительная схема заземлителя (рис. 4.2 или 4.3), определяется периметр контурного заземлителя p и среднее значение расстояния между вертикальными электродами , где – предварительное число вертикальных электродов. Оптимальным считается, a = (1– 3) ℓ, где ℓ – длина вертикального электрода.

В качестве первого приближения рекомендуется принять для подстанций с высшим напряжением 110 кВ: , ℓ = 5 м;

По отношению a/ℓ (табл. 4.1) определяется коэффициент использования вертикальных электродов [6, 17].

Таблица 1.1

Коэффициенты использования вертикальных электродов

Отнош. а/ℓ	Число вертикальных электродов
	0,69 0,78 0,85	0,61 0,73 0,80	0,56 0,68 0,76	0,47 0,63 0,71	0,41 0,58 0,66	0,39 0,55 0,64	0,36 0,52 0,62	0,33 0,48 0,59

На типовых подстанциях на 110/(6-10) кВ из-за малой площади отношение а/ ℓ <1, для такого отношения а/ ℓ табличные данные отсутствуют, поэтому расчетное значение К_ИВ определяется с помощью программы, разработанной на кафедре ЭсПП (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Определение К_ИВ с помощью программы, разработанной на кафедре ЭсПП

5. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта отдельно для горизонтальных и вертикальных электродов с учетом повышающих коэффициентов , учитывающих высыхание грунта летом и промерзание его зимой:

,

где – измеренное или взятое из таблиц среднее значение удельного сопротивления грунта [11].

Повышающие коэффициенты для различных климатических зон приведены в табл. 1.2 и 1.3.

Таблица 1.2

Коэффициенты сезонности вертикальных электродов [11]

Таблица 1.3

Коэффициенты сезонности горизонтальных электродов [11]

6. Определяется сопротивление растеканию тока одного вертикального электрода (рис. 1.8)

Рис. 1.8. Параметры вертикального электрода

, (1.3)

гдеℓ – длина вертикального электрода, м; d – диаметр электрода, м; t – расстояние от поверхности грунта до середины электрода, м.

По формуле (4.3) определяют сопротивление вертикального электрода из трубы или прутка. Для уголка с шириной полки b в формулу (4.3) вместо d подставляется эквивалентный диаметр уголка .

7. Определяется примерное число вертикальных электродов при предварительно принятом коэффициенте использования вертикальных электродов :

,

где – необходимое сопротивление искусственного заземлителя.

8. Определяется сопротивление растеканию тока горизонтального электрода (рис. 1.9)

, (1.4)

где ℓ – длина горизонтального электрода, м; t – глубина его заложения, м;

d – диаметр электрода, м.

Для полосы шириной b в формулу (4.4) подставляют вместо d эквивалентный диаметр .

Рис. 1.9. Параметры горизонтального электрода

9. На плане подстанции вновь наносится схема заземлителя, по вычисленному значению определяется среднее значение и по отношению a/ℓ

(ℓ – длина вертикального электрода) уточняется коэффициент использования вертикальных (табл. 1.1) и определяется коэффициент использования горизонтального (табл. 1.4) электродов (Программа вычисляет значения и по заданным a/ℓ и ).

Таблица 1.4

Коэффициенты использования горизонтального электрода [11]

Отнош. a/ℓ	Число вертикальных электродов
	0,45 0,55 0,7	0,40 0,48 0,64	0,34 0,40 0,56	0,27 0,32 0,45	0,22 0,29 0,39	0,20 0,27 0,36	0,19 0,23 0,33	0,18 0,21 0,31

10. Определяется уточненное число вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтального электрода:

Если уточненное число вертикальных электродов более чем на 10 % отличается от примерного числа , то рекомендуется уточнить коэффициенты использования и и повторить расчет .

11. Определяется окончательное сопротивление растекания принятого группового заземлителя:

Это сопротивление должно быть R_о ≤ R_и.

В результате расчета получено стационарное сопротивление R_о, соответствующее переменному току небольшой величины. При больших импульсных токах (токах молнии) импульсное сопротивление заземлителя может существенно отличаться от стационарного сопротивления R_о. С увеличением импульсного тока и напряженности вблизи заземлителя наблюдается заметное снижение удельного сопротивления грунта вследствие искрообразования, а следовательно, и снижение импульсного сопротивления. Но из-за быстрого изменения импульсного тока имеет место существенное индуктивное падение напряжения вдоль заземлителя, ограничивающее отвод тока с удаленных частей заземлителя. В результате импульсное сопротивление заземлителя может оказаться меньше R_о (при коротких заземлителях, большом импульсном токе и высоком удельном сопротивлении грунта) или больше R_о (при протяженных заземлителях, малом импульсном токе и низком удельном сопротивлении грунта). Это учитывается импульсным коэффициентом

.

Для типовых заземлителей 0,3 – 1,05 [23].

Импульсный коэффициент необходимо учитывать при определении сопротивления обособленного заземлителя молниеотводов ( 80 Ом).

Если молниеотводы присоединяются к общему заземлителю подстанции и приняты дополнительные меры (обеспечено растекание тока в двух – четырех направлениях и установлено не менее одного вертикального электрода на каждом направлении, рис. 4.1), то определять не требуется, так как оно всегда меньше 80 Ом.