Расчет заземляющих устройств в установках 110 кВ и выше с эффективно-заземленной нейтралью

Согласно ПУЭ расчет заземляющих устройств в установках 110 кВ и выше производится по допустимому сопротивлению заземления R_З = 0,5 Ом. Это приводит к неоправданному перерасходу проводникового материала и трудозатрат при сооружении заземляющих устройств для подстанций небольшой площадью, не имеющих естественных заземлителей. Опыт эксплуатации распределительных устройств 110 кВ и выше позволяет перейти к нормированию напряжения прикосновения, а не величины R₃. Обоснованием этого служат следующие соображения. В момент прикосновения человека к заземленному оборудованию, находящемуся под потенциалом (см. рис. 1), часть сопротивления заземлителя шунтируется сопротивлением тела человека , и сопротивлением растеканию тока от ступней в землю R _с. На тело человека фактически будет действовать напряжение

где — падение напряжения в сопротивлении растеканию с двух ступней человека в землю.

Если принять ступню за диск радиусом 8 см, то

где — удельное сопротивление верхнего слоя земли, Ом м;

r — радиус ступни, м.

Ток, протекающий через человека,

Опасность поражения зависит от тока и его длительности протекания через тело человека. Согласно принятым в Советском Союзе нормам допустимый ток определяется:

Длительность воздействия, с..........0,1 0,2 0,5 0,7 1,0

Допустимый ток, мА.................... 500 250 100 75 65

Зная допустимый ток, можно найти допустимое напряжение прикосновения:

Подставляя значения и , получаем:

Так, например, если = 1000 Ом, удельное сопротивление верхнего слоя почвы = 1000 Ом м, время воздействия тока 0,5 с, то, найдя = 100 мА = 0,1 А, определяем:

Отсюда видно, что чем больше , тем большее напряжение прикосновения можно допустить. Приняв некоторую среднюю величину , можно рекомендовать для расчетов допустимые напряжения прикосновения:

Длительность воздействия, с..... до 0,1 0,2 0,5 0,7 1,0 Более 1 до 3

Наибольшее допустимое напряжение

прикосновения, В.......... 500 400 200 130 100 65

За расчетную длительность воздействия принято:

где — время действия релейной защиты.

Для рабочих мест, где персонал прикасается к заземленным частям при оперативных переключениях, принимается время действия резервной защиты, для остальных мест — время действия основной защиты; — полное время отключения выключателя.

Заземляющее устройство, выполненное по нормам напряжения прикосновения, должно обеспечить в любое время года ограничение до нормированного значения в пределах всей территории подстанции, а напряжение на заземляющем устройстве должно быть не выше 10 кВ. Если , необходимо принять меры по защите изоляции отходящих кабелей и предотвращению выноса высокого потенциала за пределы электроустановки.

Рис. 4. К расчету сложных заземлителей.

а — заземляющее устройство подстанции; б— расчетная модель

Заземляющее устройство для установок 110 кВ и выше выполняется из вертикальных заземлителей, соединительных полос, полос, проложенных вдоль рядов оборудования, и выравнивающие полос, проложенных в поперечном направлении и создающих заземляющую сетку с переменным шагом (рис. 4, а). Расстояние между полосами должно быть не более 30 м.

Сложный заземлитель заменяется расчетной квадратной моделью (рис. 4, б) при условии равенства их площадей S, общей длины горизонтальных проводников, глубины их заложения t, числа и длины вертикальных заземлителей и глубины их заложения. В реальных условиях удельное сопротивление грунта неодинаково по глубине. Как правило, верхние слои имеют большее удельное сопротивление, а нижние, увлажненные слои — меньшее сопротивление. В расчетах многослойный грунт представляется двухслойным: верхний толщиной с удельным сопротивлением , нижний с удельным сопротивлением . Величины , , принимаются на основе замеров с учетом сезонного коэффициента .

Расчет производится в следующем порядке:

1. Зная наибольшее допустимое напряжение прикосновения, определяем напряжение на заземлителе:

где — коэффициент напряжения прикосновения; для сложных заземлителей определяется по формуле:

где —длина вертикального заземлителя, м;

—длина горизонтальных заземлителей, м;

а — расстояние между вертикальными заземлителями, м;

S— площадь заземляющего устройства, м²;

М — параметр, зависящий от следующим образом:

...................... 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 10

М............................ 0,36 0,50 0,62 0,69 0,72 0,75 0,77 0,79 0,80 0,82

— коэффициент, определяемый по сопротивлению тела человека и сопротивлению растекания тока от ступней R_с:

В расчетах принимают = 1000 Ом; = 1,5 ,.

2. Так как , то сопротивление заземляющего устройства должно быть, Ом:

где — расчетный ток однофазного к. з. в рассматриваемой установке.

3. Определяют общее сопротивление естественных заземлителей, Ом:

где – сопротивление растекания тока кабелей;

– сопротивление растеканию тока фундаментов;

– сопротивление растеканию тока системы трос – опоры (см.табл.7).

Если , то сооружается только сетка из горизонтальных полос, если , то необходимо сооружение искусственного заземлителя, сопротивление которого определяется по (табл.8).

4. Определяют общее сопротивление сложного заземлителя. Преобразование в расчетную модель (рис. 4, б), Ом:

где при

при

где – эквивалентное удельное сопротивление земли, (табл. 1);

– общая длина вертикальных заземлителей; м

Таблица 8 - Относительное эквивалентное удельное сопротивление для сеток с вертикальными заземлителями

		Относительная толщина слоя
0,025	0,05	0,1	0,2	0,4	0,8	0,95
	1 – 4
		1,02	1,03	1,05	1,1	1,13	1,3	1,4
		1,03	1,07	1,1	1,13	1,15	1,32	1,5
		1,05	1,17	1,13	1,15	1,2	1,38	1,6
		1,05	1,1	1,15	1,22	1,35	1,86	2,4
		1,22	1,26	1,35	1,43	1,54	2,12	2,7
		1,33	1,41	1,5	1,65	1,83	2,6	3,5
		1,1	1,2	1,28	1,38	1,62	2,5	3,7
		1,3	1,4	1,5	1,6	1,8	2,75	5,5
		1,52	1,7	1,88	2,08	2,33	3,52	6,0
0,125	0,5 - 4	0,95	0,9	0,8	0,7	0,62	0,54	0,52
0,25	0,5 - 4	0,97	0,93	0,85	0,78	0,71	0,65	0,64
0,5	0,5 - 4	0,99	0,96	0,92	0,88	0,83	0,79	0,77

Полученное значение должно быть меньше или .

Если сопротивление заземлителя превышает требуемые величины, то необходимо увеличение площади S, длины , числа вертикальных заземлителей и их длины. Все это приводит к дополнительным расходам и на подстанциях трудно осуществимо. Эффективной мерой уменьшения опасности прикосновения является подсыпка гравия или щебня слоем 0,15-0,2 м по все территории ОРУ. Удельное сопротивление верхнего слоя при этом резко возрастает (5000 – 10000 Ом м), что снижает ток, проходящий через человека так как возрастает сопротивление растеканию тока со ступней . В расчете соответственно уменьшается и увеличивается допустимое сопротивление заземляющего устройства.

Пример 3.

Рассчитать заземляющее устройство для КТП 110/6 кВ площадью 12 20 ; (с учетом промерзания); 2 м; ; t = 5 м; 5; = 0,12 c; = 0,08 c; ток замыкания на землю при однофазном к.з. на рассматриваемой подстанции 1,9 кА. Естественных заземлителей нет.

Решение.

Для = 0,12 + 0,08 = 0,2 с находим

коэффициент напряжения прикосновения

здесь M = 0,806 при = 500/60 = 8,3;

по плану (рис. 4, a).

напряжение на заземляющем устройстве

что в пределах допустимого (меньше 10 кВ).

сопротивление заземляющего устройства:

Действительный план заземляющего устройства (рис. 4, а) преобразуем в расчетную квадратную модель (рис. 4, б) со стороной

Число ячеек по стороне квадрата

принимаем

Длина полос в расчетной модели

Длина сторон ячейки

Число вертикальных заземлителей по периметру контура при условии

принимаем

Общая длина вертикальных заземлителей

Относительная глубина

тогда при

По табл. 8 для

Определяем ,

тогда

Общее сопротивление сложного заземлителя:

что больше

Найдем напряжение прикосновения:

что больше допустимого значения 400 В.

Необходимо принять меры для достижения путем расширения заземляющего устройства за территорию подстанции или путем использования естественных заземлителей.

Допустим, что на подстанции могут быть использованы естественные заземлители системы трос – опоры 110 кВ общим сопротивлением 2 Ом. Тогда необходимое сопротивление искусственных заземлителей равно

Таким образом, сопротивление заземляющего контура подстанции удовлетворяют требованию

Общее сопротивление заземляющего устройства подстанции с учетом естественных заземлителей

тогда напряжение прикосновения

что меньше допустимого значения 400 В.

Возможен другой путь уменьшения . Применим подсыпку слоем гравия толщиной 0,2 м по всей территории подстанции. Удельное сопротивление верхнего слоя почвы (гравия) в этом случае будет тогда

Подсыпка гравием не влияет на растекание тока с заземляющего устройства. Так как глубина заложения заземлителей 0,7 м больше толщины слоя гравия, поэтому соотношение и величина M остаются неизменными.

Напряжение на заземляющем устройстве

сопротивление заземляющего устройства:

что больше = 2,044 Ом.

Напряжение прикосновения

что меньше допустимого значения 400 В.

Из расчета видно, как эффективна подсыпка гравием территории ОРУ.

Определим максимально допустимый ток однофазного к.з. на данной подстанции:

При больших токах к.з. необходимо снижение величины за счет учащения сетки полос или дополнительных вертикальных электродов.

Таблица 9. Индивидуальные задания

Вариант	ЛЭП, км	ТП – кВ	Грунт		t, м	Вид ЗУ	Клим. зона	Искусственные заземлители, размер, мм
		В	Г

				Песок 800	18 8	0,5	К	IV	Стальной уголок 50 10 L=2,5 м	Полоса 40
		-		Супесь 300	15 10	0,6	Р	III
	-			Щебень 200	10 8	0,7	К	II
				Суглинок 100	12 10	0,7	Р	I
		-		Чернозем 50	10 10	0,6	К	II	Круглая сталь d = 12 L = 5 м	Пруток d= 10
	-			Глина	18 10	0,5	Р	III
				Торф	16 8	0,5	К	IV
				Песок 800	15 8	0,6	Р	IV	Стальной уголок 60 60 L= 3 м	Пруток d= 12
		-		Супесь 300	12 8	0,7	К	III
	-			Щебень 200	10 9	0,7	Р	II
				Суглинок 100	20 10	0,6	К	I
				Чернозем 50	15 12	0,5	Р	I	Труба стальная d = 60 L = 2,5 м	Полоса 40
		-		Глина	15 8	0,5	К	II
	-			Торф	12 6	0,6	Р	III
		-		Песок 800	10 10	0,7	К	IV
	-			Супесь 300	15 12	0,7	Р	IV	Стальной уголок 75 75 L= 3 м	Полоса 40
				Щебень 200	16 10	0,6	К	III
		-		Суглинок 100	10 8	0,5	Р	II
	-	2,5		Чернозем 50	12 10	0,5	К	I
				Глина	18 10	0,6	Р	I	Круглая сталь d = 15 L = 6 м	Пруток d= 12
				Торф	18 8	0,7	К	IV
				Песок 800	16 10	0,7	Р	III
				Супесь 300	12 8	0,6	К	II
				Щебень 200	15 12	0,5	Р	I	Круглая сталь d = 16 L = 5 м	Полоса 40
				Суглинок 100	12 10	0,5	К	I