Режимы нейтралей. Основные сведения о заземляющих устройствах.

На электрических станциях применяются следующие виды предварительно намеренно выполняемых соединений с землей.

Рабочее заземление — это заземление нейтралей генераторов и трансформаторов. При заземленной нейтрали изоляция фаз выбирается по фазному напряжению по отношению к земле, а при изолированной нейтрали — по линейному. Установки и сети с заземленной нейтралью получаются много дешевле, что особенно существенно для напряжений 110 кВ и выше. При заземленной нейтрали повышается безопасность эксплуатации, так как обеспечивается четкое и надежное действие релейной защиты и быстрое отключение повреждений.

Глухое заземление нейтрали обычно применяется для установок 110 кВ и выше и в сетях собственных нужд станций и подстанций для напряжений 380/220 В, которые при этом становятся сетями низкого напряжения, так как напряжение проводов фаз по отношению к земле всегда меньше 250 В, как в нормальном режиме, так и при замыкании любой фазы на землю.

Грозозащитное заземление — это заземление молниеотводов, защитных тросов, разрядников. Оно служит для отвода атмосферных индуцированных перенапряжений и прямых ударов молнии в грунт. Это заземление устраивается сосредоточенным с растеканием тока по трем-четырем направлениям.

Защитное заземление — это заземление всех металлических частей установки (корпусов, каркасов, приводов аппаратов, опорных и монтажных конструкций, ограждений и т. п.), нормально не находящихся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции.

Защитное заземление выполняется с целью повышения безопасности эксплуатации, уменьшения вероятности поражения персонала и животных электрическим током в процессе эксплуатации электрических установок.

Следует отметить, что безопасность эксплуатации будет обеспечена только при правильно выполненных конструкциях защитного заземления, применении личных средств безопасности (индивидуальных средств защиты) и безукоризненно точном выполнении ведомственных инструкций и правил техники безопасности.

В опасных условиях даже небольшие работы выполняются не менее чем двумя лицами оперативно-ремонтного персонала. Второе лицо должно находиться вблизи работающего и следить за соблюдением им необходимых мер безопасности.

Так как практически заземления различного назначения внутри объекта не могут быть выполнены изолированными друг от друга и разные системы заземления в пределах установки при замыкании на землю должны иметь одинаковый потенциал, то все системы заземления, выполняемые как местные, объединяются между собой в общую систему заземления станции. При объединении уменьшаются суммарное сопротивление заземления и общие затраты на заземляющие устройства.

Следует оговориться, что грозозащитное заземление отдельно стоящих молниеотводов (диверторов), тросов, разрядников, находящихся за оградой объекта, желательно выполнять, если это возможно, сосредоточенным и обособленным от станционных заземлений, чтобы предотвратить вынос высоких потенциален на общую систему заземления, корпуса, каркасы и опорные конструкции оборудования.

Применяется следующая терминология.

Земля — место (точки) грунта, потенциал которого равен нулю. На расстоянии примерно 20 м от заземлителя потенциал грунта практически равен нулю.

Заземлитель, или заземляющий электрод,— металлический проводник (или группа их), помещенный в грунт или на дно водоема.

Заземляющие провода и полосы — металлические проводники и полосы, служащие для соединения заземляемых частей оборудования и конструкций с заземлителей.

Замыкание на землю — случайное или аварийное соединение (токопроводов, находящихся под напряжением) с землей.

Заземление — преднамеренно выполняемое соединение с землей.

Сопротивление заземления (или сопротивление растеканию тока в грунте) — сопротивление грунта от заземлителя до земли. В системе заземления сопротивление заземляющих проводов и полос, а также сопротивление контакта между заземлителей и грунтом практически равно нулю. Сопротивление заземления равно частному от деления напряжения заземления на ток замыкания на землю.

Напряжение прикосновения — разность потенциалов между двумя точками в системе заземления, к которым одновременно прикасается человек (чаще всего между точками прикосновения ногой и рукой).

Коэффициент напряжения прикосновения — отношение напряжения прикосновения к полному напряжению заземления.

Напряжение шага — разность потенциалов между двумя точками в системе заземления, на которых могут оказаться ноги человека. По нормам шаг равен 0,8 м.

Коэффициент напряжения шага — отношение напряжения шага к полному напряжению заземления.

Контур заземления — устройство, состоящее из металлических полос с приваренными заземлителями, которое прокладывается в грунте вокруг периметра объекта.

Выравнивающая сетка — сетка из полос в грунте на территории площадки открытого РУ или под полом помещения, которая предназначается для выравнивания потенциала.

Выносное заземление — дополнительные, расходящиеся лучами полосы с заземлителями или дополнительный контур заземления с выравнивающей сеткой, располагаемые в доступном месте с хорошей проводимостью грунта (болото, почвы с талой водой, непромерзающие озера, реки, заливы моря) и надежно соединенные несколькими кабельными линиями с главным контуром заземления.

Выносное заземление выполняется при недостаточности основного контура, например при скальных грунтах, в зонах вечной мерзлоты и в других сложных условиях для уменьшения сопротивления заземления.

Повторное заземление — дополнительное заземление, выполняемое у четырехпроводных сетей 380/220 В возле приемников энергии с целью обеспечения безопасности при обрыве нулевого провода.

Зануление — металлическое соединение заземляемого объекта с заземленной нейтралью генератора или трансформатора (рис. 12-1). Зануление применяется в установках 380/220 В для оборудования, расположенного на открытых площадках и в помещениях с повышенной опасностью, и в установках 220/127 В в особо опасных условиях.

Зануление шунтирует человека, создает малое сопротивление цепи тока однофазного короткого замыкания, чем обеспечивается быстрое отключение поврежденной фазы.

Защитное отключение (в электроустановках до 1000 В) — автоматическое отключение всех фаз опасного участка с временем отключения не более 0,2 с.

Охранная зона BЛ — зона вдоль ВЛ переменного или постоянного тока в виде участка земли и воздушного пространства, ограниченная по обе стороны вертикальными плоскостями, отстоящими от крайних проводов в их неотключенном положении на расстоянии:

2 м для ВЛ до 1000 В

25 м для ВЛ 150 - 220 кВ

10 м для ВЛ выше 1000 В

до 30 м для ВЛ 330 - 500 кВ 20 кВ

15 м для ВЛ 35 кВ

40 м для ВЛ 750 кВ

20 м для ВЛ 110 кВ

30 м для ВЛ 800 кВ постоянного тока.

Рис. 12-1. Зануление корпуса электродвигателя и арматуры светильника в сети 380/220 В

1 — генератор (трансформатор); 2 предохранители (автоматический выключатель);

3 — светильник; 4 — электродвигатель; 5 — нулевой защитный проводник;

6 — нулевой рабочий проводник

Зона наведенного напряжения — зона вдоль ВЛ переменного тока 110 кВ и выше в виде участка земли и воздушного пространства, ограниченная по обе стороны вертикальными плоскостями, отстоящими от оси этой ВЛ на расстоянии менее:

100 м для ВЛ 110 кВ

200 м для ВЛ 330—500 кВ

150 м для ВЛ 150—220 кВ

250 м для ВЛ 750—1150 кВ.

Подготовка рабочего места (при ремонтных работах) — необходимые операции по отключению, проверке отсутствия напряжения, заземлению, ограждению, вывешиванию плакатов и знаков безопасности для защиты персонала на данном рабочем месте от поражения током от рабочего и наведенного напряжения, а также током испытательной установки.

Ниже приводятся основные сведения о защитных заземлениях, их расчете и устройстве, которые во многих случаях достаточны для чисто инженерной практики.

Оптимальные расчеты системы заземления с целью определения сопротивления заземления и напряжения прикосновения и шага являются весьма сложной задачей, так как необходимо учитывать местные условия реальных установок и многочисленные разнохарактерные и часто неопределенные факторы, создающие опасность для персонала.

Следует иметь в виду следующее:

Схемы и параметры электрических установок и сетей, режимы нейтралей, сопротивления и конструктивное выполнение систем заземления всегда различны.

При импульсных токах при пробое суммарный заземлитель ведет себя как сложный комплекс активных сопротивлений, индуктивностей и емкостей, эффективное сопротивление которого, будучи вначале увеличенным, снижается с течением времени.

Удельное сопротивление грунта не может быть определено точно из-за неоднородности грунта по площади и по глубине.

Большие импульсные токи сопровождаются большой напряженностью электрического поля, при которой возможны искровые пробои участков грунта вблизи заземлителей.

Резкопеременно влияние климатических условий — температуры, влажности, давления — на проводимость грунта и картину растекания тока в грунте. Мерзлые грунты представляют собой многокомпонентные сложные системы, состоящие из органоминерального скелета, воды в жидком, твердом и газообразном состоянии и водорастворимых соединений. При переходе грунта из мерзлого в талое состояние его удельное сопротивление изменяется в широких пределах.

Определить расчетом сопротивление заземления естественных заземлителей не представляется возможным.

Резкопеременно сопротивление человеческого организма, зависящее от многих физиологических причин и от окружающей среды.

Эти и другие переменные условия создают неопределенную ситуацию, поэтому точные расчеты весьма затруднительны и не дают уверенности в достоверности результатов.

По мнению многих специалистов, даже современное развитие вычислительной техники и совершенные методы математического и физического моделирования не могут отобразить действительную сущность явлений и процессов во всей их полноте.

Расчет токораспределения в сложной заземляющей сети и решение задач теории поля заземлителей связаны с рядом допущений и упрощений, которые сильно искажают реальную картину. Можно рекомендовать ограничиться в первом приближении определением числа стержневых заземлителей по упрощенным формулам, а потом при устройстве заземления в полной мере использовать естественные заземлители.

После всех монтажных работ по заземлениям в первое время эксплуатации необходимо периодически производить измерение сопротивления заземления летом и зимой при разных, условиях погоды.

Если сопротивление заземления окажется больше нормированного, необходимо будет дополнительно проложить лучевые заземлители, устроить выносной контур, применить обработку и подсолку грунта, использовать глубинные и скважинные заземлители и другие средства, выбрав из них наиболее подходящие в конкретных условиях.

Рекомендуется также в процессе основных работ по сооружению установки, используя подходящий металл, в удобных местах забивать дополнительные стержневые заземлители, заготовлять и укладывать сетки из сваренных полос в котлованы под фундаменты сооружений, что, безусловно, приведет к уменьшению общего сопротивления заземления и, следовательно, к повышению безопасности эксплуатации.

Использование всех доступных средств будет способствовать выполнению заземлений в особо сложных условиях, например при скальных грунтах, в зонах вечной мерзлоты, при устройстве заземлений передвижных установок: земснарядов, шагающих экскаваторов, оросительных систем и т. п.

Для безопасности в сложных условиях наряду с защитным заземлением находят применение защитное отключение поврежденных цепей и устройство изолирующих площадок.

При эксплуатации установок сверхвысоких и ультравысоких напряжений, кроме опасности поражения электрическим током, надо принимать во внимание вредное влияние электрического по.*я на самочувствие, работоспособность и здоровье обслуживающего персонала. Установлено, что с повышением рабочего напряжения увеличивается воздействие электрического поля на организм человека. Длительная работа персонала на подстанциях 500 кВ и выше без средств защиты отрицательно сказывается на здоровье. Глубина функциональных расстройств находится в прямой зависимости от длительности пребывания в поле. Учитывая эти обстоятельства, ОРУ на 500 кВ и выше нельзя сооружать в густонаселенных районах.

На ПС 500 и 750 кВ вблизи высоковольтных аппаратов наибольшая напряженность достигает 25 кВ/м, а на пешеходных дорожках ПС электропередачи 750 кВ Конаково — Москва — 20 кВ/м.

Измерения напряженности на Ленинградской ПС показали, что наибольшая напряженность наблюдалась под гибкой ошиновкой вблизи реактора и на высоте 1,8 м составила 20 кВ/м.

На 70 % площади ячеек ОРУ 750 кВ напряженность поля превышает 5 кВ/м, а на 30 % этой площади она выше 10 кВ/м.

Напряженность поля превышает 5 и 10 кВ/м соответственно на 50 % и 15 % общей длины маршрута обхода.

Изменение высоты подножников электрических аппаратов существенно влияет на напряженность поля в зоне работы обслуживающего персонала. Увеличение высоты подножника в 2 раза приводит к снижению напряженности примерно в 1,5 раза.

Для снижения наибольшей напряженности электрического поля до допускаемого нормами уровня 15 кВ/м на высоте 1,8 м от поверхности земли в ячейке ОРУ 750 кВ следует рекомендовать установку аппаратов на подножниках высотой 3,5—4,0 м.

Воздействие поля на человека оценивается значением тока, стекающего через человека на землю. Предельным допустимым током электрического поля через тело человека считается ток 50 мкА. При токе электрического поля, превышающем 50 мкА, применяются экранирующие костюмы, стационарные и переносные экранирующие устройства. Существуют правила применения экранирующих средств, выполнения конструкций и размещения экранирующих устройств, порядка работ в зонах электрического поля.

По действующим нормам персонал ПС может находиться неограниченно долгое время в электрическом поле напряженностью не более 5 кВ/м; допустимое время пребывания в поле напряженностью 10, 15, 20 и 25 кВ/м составляет 180, 90, 10 и 5 мин соответственно.

Пребывание в электрическом поле напряженностью более 25 кВ/м без применения специальных защитных средств запрещается. При применении средств защиты продолжительность пребывания людей в электрическом поле не ограничивается. При работах в зоне влияния электрического поля доступные для присоединения изолированные от земли детали, приспособления, раскатываемые провода, тросы и прочий инвентарь должны быть заземлены.

Все машины на резиновом ходу, используемые в зоне влияния электрического поля, должны быть снабжены металлической цепью, соединенной с шасси или кузовом. Перед въездом в зону влияния эта цепь должна быть опущена до земли.