Примеры расчета заземлителей

Пример 1. Расчет заземлителя в однородной земле методом коэффициентов использования по допустимому сопротивлению.

Задание. Рассчитать заземлитель подстанции 6/0,4 кВ.

Исходные данные. Подстанция понижающая, имеет два трансформатора 6/0,4 кВ с заземленными нейтралями на стороне 0,4 кВ; разме­щена в отдельно стоящем одноэтажном кирпичном здании, размеры которого в плане указаны на рис. 4, а.

Рис. 4. Схемы для расчета заземлителя подстанции:

а) план подстанции и предварительная схема заземлителя;

б) окончательная схема заземлителя

В качестве естественного заземлителя будет использована металлическая технологическая конструкция, частично погруженная в землю; ее расчетное сопротивление растеканию R_e=15 Ом.

Ток замыкания на землю неизвестен, однако известна про­тяженность линий 6 кВ – кабельных l_к.л = 70 км, воздушных l_в.л = 65 км.

Заземлитель предполагается выполнить из вертикальных стерж­невых электродов длиной l_В = 5 м, диаметром d = 12 мм, верхние концы которых соединяются с помощью горизонтального электро­да – стальной полосы суммарной длиной L_Г = 50 м, сечением 4х40 мм, уложенной в землю на глубине t₀ = 0,8 м.

Расчетные удельные сопро­тивления земли, полученные в результате измерений на участке, где предполагается сооружение заземлителя, и расчета, равны: для вертикального электрода длиной 5 м ρ_расч = 120 Ом·м; для горизонтального длиной 50 м ρ_расч =176 Ом·м.

Решение. Расчетный ток замыкания на землю на сто­роне б кВ определяем по приближенной формуле (1):

Требуемое сопротивление растеканию заземли­теля, который принимаем общим для установок 6 и 0,4 кВ, согласно требованиям ПУЭ (п.1.3 [3])

R_З = 125/I_з = 125/43 =2,9 Ом.

Требуемое сопротивление искусственного за­землителя согласно (9)

R_И = =15 · 2,9 /(15 – 2,9) = 3,бОм.

Тип заземлителя выбираем контурный, размещенный по пе­риметру подстанции. Предварительную схему эаземлителя наносим на план подстанции с ее основными размерами (рис. 4, а). При этом вертикальные электроды размещаем на расстоянии а = 5 м один от другого.

Уточняем параметры заэемлителя путем поверочного расчета. Из предварительной схемы видно, что в принятом нами заземлителе суммарная длина горизонтального электрода L_Г = 50 м, а ко­личество вертикальных электродов п = 10 шт.

Определяем расчетные сопротивления растеканию электродов – вертикального R_В и горизонтального R_Г по формулам, приведенным в табл. 3.1, пп. 4 и 6 [2]:

Имея в виду, что принятый нами заземлитель контурный и что п = 10 шт., а отношение а/l_В = 5/5 = 1, определяем по табл. 3.2 и 3.3 [2] коэффициенты использования электродов заземлителя – верти­кальных η_В = 0,56, горизонтального η_Г = 0,34.

Теперь по (12) находим сопротивление растеканию принятого на­ми группового заземлителя

.

Это сопротивление оказывается больше, чем требуемое R_И =3,6 Ом, поэтому принимаем решение увеличить в контуре заземлителя количество вертикальных электродов до 13 шт. Затем вновь по табл. 3.2 и 3.3 находим коэффициенты использования η_В и η_Г , принимая от­ношение a/l_В единице, и вычисляем R.

В этом случае η_В = 0,53 и η_Г = 0,31, а сопротивление заземлителя растеканию тока по (3.64)

.

Это сопротивление меньше требуемого, но так как разница между ними невелика 0,27 Ом и она повышает условия безопасности, при­нимаем этот результат как окончательный.

Вывод: проектируемый заземлитель – контурный, состоит из 13 вертикальных стержневых электродов длиной 5 м и диаметром 12 мм и горизонтального электрода в виде стальной полосы длиной 70 м, се­чением 4х40 мм, заглубленных в землю на 0,8 м (рис. 4, 6).

Пример 2. Расчет заземлителя в двухслойной земле методом наведенных потенциалов по допустимому сопротивлению.

Задание. Рассчитать заземлитель подстанции 110/35/6 кВ.

Исходные данные:

– подстанция понижающая, имеет два транс­форматора 110/35/6 кВ с заземленной нейтралью со сто­роны 110 кВ; для питания собственных нужд имеется трансформатор 6/0,4 кВ с заземленной нейтралью со стороны низшего напряже­ния; распределительные устройства 110 и 35 кВ открытого типа, 6 кВ – закрытого (рис. 3, а).

– территория подстанции занимает площадь S = 6300 м²;

– заземлитель предполагается выполнить из горизонтальных полосовых электродов сечением 4х40 мм и вертикальных стержневых электродов длиной I_В = 5 м, диаметром d = 12 мм; глубина заложения электродов в землю t = 0,8 м;

– расчетные удельные сопротивления верхнего и нижнего слоев земли ρ₁ = 230 Ом·м, ρ₂ =80 Ом·м; мощность верхнего слоя земли h₁ = 2,8 м;

– в качестве естественного заземлителя предполагается использо­вать систему трос – опоры двух подходящих к подстанции воздушных линий электропередачи 110 кВ на металлических опорах с длиной про­лета l = 250 м; каждая линия имеет один стальной грозозащитный трос сечением s = 50 мм²; расчетное (с учетом сезонных колебаний) сопротивление заземления одной опоры r_оп = 12 Ом; число опор с тро­сом на каждой линии больше 20; данные измерений сопротивления си­стемы трос – опоры отсутствуют;

– расчетный ток замыкания на землю на стороне 110 кВ соста­вляет 5 кА, на стороне 35 кВ – 40 А, на стороне 6 кВ – 30 А.

Решение. Сопротивление заземлителя растеканию тока R_е , согласно требованиям ПУЭ должно быть не более 0,5 Ом (п.1.3 [3]).

Сопротивление естественного заземлителя для двух линий R_е определяем по (10) и (11):

R_е = .

Требуемое сопротивление искусственного за­землителя R_И получим из (9) с учетом того, что R_З, = 0,5 Ом и R_е = 1,5 Ом:

R_И =

Составляем предварительную схему заземлителя и наносим ее на план подстанции, приняв контурный (распределенный) тип заземлителя в виде сетки из горизонтальных полосовых и вертикальных стержневых (длиной l_В = 5 м) электродов. При этом руководствуемся указаниями п. 5. Вертикальные электроды разме­щаем по периметру заземлителя (рис. 3, а).

По предварительной схеме определяем суммарную длину горизонтальных и количество вертикальных электродов: I_Г = 1310 м; п = 32 шт.

Составляем расчетную модель заземлителя в виде квадратной сетки площадью S = 6300 м². Длина одной стороны ее бу­дет = 80 м (рис. 3, б).

Количество ячеек по одной стороне модели

Принимаем т = 7.

Уточняем суммарную длину горизонтальных электродов по (17):

= 2(7 +1) · 80 =1280 м.

Длина стороны ячейки в модели (18)

=80/7= 11,4 м.

Расстояние между вертикальными электродами согласно (19)

=4 · 80/32=10 м.

Суммарная длина вертикальных электродов по (16)

L_Г = п l_В =32 ·5 =160 м.

Относительная глубина погружения в землю верти­кальных электродов по (20)

= (5 + 0,8) /80 = 0,0725.

Относительная длина по (21)

l_отн = (h₁ – t_В) / l_В = (2,8 – 0,8) /5 = 0,4.

Расчетное эквивалентное удельное сопротив­ление грунта р_Э определяем по (22). Предваритель­но находим значения р₁/р₂ и k:

р₁/р₂ =230/80 = 2,87.

Поскольку при значение k находим по (23):

= 0,43 · 0,4 + 0,272 = 0,294.

Теперь определяем р_Э по (22):

.

Находим значение Р:

In Р = 0,294 In 2,87 = 0,31; Р = 1,36 .

Следовательно, р_Э= 80 · 1,36 =108Ом·м.

Вычисляем расчетное сопротивление R рассматри­ваемого искусственного заземлителя по (13). Предварительно нахо­дим коэффициент А по (14), поскольку 0 ≤ t_отн ≤ 0,1

А = 0,444 – 0,84 t_отн = 0,444 – 0,84·0,0725 = 0,4.

Тогда

.

Это значение R практически совпадает с требующимся сопротив­лением искусственного заземлителя 0,75 Ом; некоторая разница до­пустима, тем более что в данном случае она повышает условия безопасности.

Общее сопротивление заземлителя подстанции (с учетом сопротивления естественного заземлителя)

R_З = RR_е /(R + R_е) = 0,62 · 1,5 /(0,62 + 1,5) = 0,44Ом.

Определяем потенциал заземляющего устройства в аварийный период

φ_ЗУ = I _ЗR _З = 5000·0,44=2200 В.

Этот потенциал допустим, так как он меньше 10 кВ.

Таким образом, искусственный заземлитель подстанции должен быть выполнен из горизонтальных пересекающихся полосовых элек­тродов сечением 4х40 мм общей длиной не менее 1280 м и верти­кальных стержневых в количестве не менее 32 шт. диаметром 12мм,длиной по 5 м, размещенных по периметру заземлителя по возможно­сти равномерно, т. е. на одинаковом расстоянии один от другого; глубина погружения электродов в землю 0,8 м. При этих условиях сопротивление R_И искусственного заземлителя в самое неблагоприятное время года не будет превышать 0,62Ом, а сопротивление заземлителя подстанции в целом R_З т. е. общее сопротивление искусственного и естественного заземлителей, будет не более 0,5 Ом.