Глава 2 Режимы работы нейтрали в системах электроснабжения 2. 1 Режим работы нейтрали в установках напряжением выше 1 к. В
Электротехнические установки напряжением выше 1 к. В согласно «Правилам устройства электроустановок» (ПУЭ) разделяются на установки с большими токами замыкания на землю (сила тока однофазного замыкания на землю превышает 500 А) и установки с малыми токами замыкания на землю (сила тока однофазного замыкания на землю меньше или равна 500 А). В установках с большими токами замыкания на землю нейтрали присоединены к зазем ляющим устройствам непосредственно или через малые сопротивления. Такие установки назы ваются установками с глухозаземленной нейтралью.
В установках, имеющих малые токи замыкания на землю, нейтрали присоединены к за земляющим устройствам через элементы с большими сопротивлениями. Такие установки назы ваются установками с изолированной нейтралью. В установках с глухозаземленной нейтралью всякое замыкание на землю является ко ротким замыканием и сопровождается большим током.
В установках с изолированной нейтралью замыкание одной из фаз на землю не является коротким замыканием (КЗ). Прохождение тока через место замыкания обусловлено проводимостями (в основном, емкостными) фаз относительно земли. Выбор режима нейтрали в установках напряжением выше 1 к. В производится при учете следующих факторов: экономических, возможности перехода однофазного замыкания в меж дуфазное, влияние на отключающую способность выключателей, возможности повреждения оборудования током замыкания на землю, релейной защиты и др. В электрических сетях РАО ЕЭС России приняты следующие режимы работы нейтрали:
электрические сети с номинальными напряжениями 6. . . 35 к. В работают с малыми токами замыкания на землю; при небольших емкостных токах замыкания на землю – с изолированными нейтралями; при определенных превышениях значений емкостных токов – с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор. Если в одной из фаз трехфазной системы, работающей с изолированной нейтралью, про изошло амыкание на землю, то напряжение ее з по отношению к земле станет равным нулю, а напряжение остальных фаз по отношению к земле станет
равным линейному, т. е. увеличится в раз. Ток замыкания на землю будет небольшим, поскольку вследствие изоляции нейтрали отсутствует замкнутый контур для его прохождения. Ток замыкания на землю в системе с изолированной нейтралью будет небольшим и не вызовет аварийного отключения линии. Таким образом, изоляция нейтрали источника питания обеспечивает надежность электроснабжения, так как не отражается на работе потребителей.
Однако в сетях с большими емкостными токами на землю (особенно в кабельных сетях) в месте замыкания возникает перемежающаяся дуга, которая периодически гаснет и вновь за жигается, что наводит в контуре с активными, индуктивными и емкостными элементами э. д. с, превышающие номинальные напряжения в 2, 5. . . 3 раза. Такие напряжения в системе при одно фазном замыкании на землю недопустимы. Чтобы предотвратить возникновение перемещающихся дуг между нейтралью и землей включают индуктивную катушку с регулируемым сопротивлением.
Повышение напряжения по отношению к земле в неповрежденных фазах при наличии слабых мест в изоляции этих фаз может вызвать междуфазное короткое замыкание. Кроме то го, напряжение в неповрежденных фазах повышается в 3 раз, следовательно, требуется вы полнять изоляцию всех фаз на линейное напряжение, что приводит к удорожанию машин и ап паратов. оэтому, хотя и разрешается работа П сети с изолированной нейтралью при замыкании фазы на землю, его требуется немедленно обнаружить и устранить. Электрические сети с номинальным напряжением 110 к. В и выше работают с большими токами замыкания на землю (с эффективно заземленными нейтралями).
2. 2 Режим работы нейтрали в установках напряжением до 1 к. В Электроустановки напряжением до 1 к. В работают как с глухо заземленной (четырехпроводные сети), так и с изолированной (трехпроводные сети) нейтралью.
В наиболее распространенных четырехпроводных сетях напряжением до 380 В, общих для силовых и осветительных электроприемников, нейтраль и нейтральный провод обязательно заземляются. Это вызвано тем, что контроль изоляции нейтрального провода относительно земли практически неосуществим. Нейтральный провод, не имеющий заземления, с неустраненными скрытыми дефектами изоляции представляет собой пожарную опасность, так как при однофазном замыкании на землю образуется петля для протекания тока КЗ через нейтральный провод (рис. 2. 1). При относительно малом сечении нейтрального провода этот ток может вызвать значительный его перегрев и возгорание.
Рис. 2. 1 Схема четырехпроводной сети напряжением до 1 к. В с заземленной нейтралью трансформатора и занулением оборудования
• Рис. 2. 2 Принципиальная схема трехпроводной сети напряжением до 1 к. В с изолированной нейтралью трансформатора: • 1 - вторичная обмотка трансформатора; 2 схема контроля изоляции; 3 – заземление
В четырехпроводных сетях необходимо также осуществить заземление всего оборудова ния на заземленную нейтраль. Безопасность при этом обеспечивается немедленным автомати ческим отключением аварийного участка при протекании большого тока металлического КЗ. В трехпроводных сетях (рис. 2. 2) трехфазные двигатели, печи, сварочные аппараты и другие трехфазные электроприемники включаются только на линейное напряжение. Однофаз ные электроприемники соединяют по схеме треугольника, распределяя их равномерно по сто ронам треугольника напряжений. Рассмотренные выше преимущества и недостатки трехпро водных сетей напряжением 6. . . 35 к. В с изолированной нейтралью распространяются и при на пряжении до 1 к. В.
Однако в сетях напряжением до 1 к. В перемежающиеся дуги при однофазном замыкании на землю не возникают и поэтому не требуется установка дугогасящих катушек. Од нако емкостные токи при замыканиях на землю представляют опасность для персонала при со прикосновении с фазой. Безопасные значения токов могут быть только в малоразветвленных сетях с хорошим состоянием изоляции. Таким образом, в установках напряжением до 1 к. В допустимы обе системы: при малоразветвленных сетях имеет преимущества система с изолированной нейтралью, при сильно раз ветвленных сетях целесообразно работать с заземленной нейтралью. В электроустановках напряжением 500 и 660 В нейтраль, как правило, изолирована.
2. 3 Заземляющие устройства • Назначение и конструкция заземляющих устройств. Все металлические части электроустановок, нормально не находящиеся под напряжением, но могущие оказаться под напряжением изза повреждения изоляции, должны надежно соединяться с землей.
Такое заземление называется защитным, так как его целью является защита обслуживающего персонала от опасных напряжений прикосновения. Заземление обязательно для всех установок напряжением 500 В и выше, а в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках — при напряжении выше 36 В переменного тока.
В электрических установках заземляются: корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, вторичные обмотки измерительных трансформаторов, приводы электрических аппаратов, каркасы распределительных щитов, пультов, шкафов, металлические конструкции распределительных устройств, металлические корпуса кабельных муфт, металлические оболочки и броня кабелей, проводов, металлические конструкции зданий и сооружений и другие металлические конструкции, связанные с установкой электрооборудования.
Заземление, предназначенное для создания нормальных условий работы аппарата или электроустановки, называется рабочим заземлением. К рабочему заземлению относится заземление нейтралей трансформаторов, генераторов, дугогасительных катушек. Без рабочего заземления аппарат не может выполнить своих функций или нарушается режим работы электроустановки. Для защиты оборудования от повреждения ударом молнии применяется грозозащита с помощью разрядников, искровых промежутков стержневых и тросовых молниеотводов, которые присоединяются к заземлителям. Такое заземление называется грозозащитным.
Обычно для выполнения всех трех типов заземления используют одно заземляющее устройство. Для выполнения заземления используют естественные и искусственные заземлители. В качестве естественных заземлителей применяют водопроводные трубы, оболочки кабелей, фундаменты и металлические части зданий, фундаменты опор, надежно соединенные с землей, а также системы трос — опора. В качестве искусственных заземлителей применяют металлические стержни, уголки, полосы, погруженные в почву для надежного контакта с землей.
Количество заземлителей (труб, уголков, стержней) определяется расчетом в зависимости от необходимого сопротивления заземляющего устройства или допустимого напряжения прикосновения. Размещение искусственных заземлителей производится таким образом, чтобы достичь равномерного распределения электрического потенциала на площади, занятой электрооборудованием. Для этой цели на территории ОРУ прокладываются заземляющие полосы на глубине 0, 5— 0, 7 м вдоль рядов оборудования и в поперечном направлении, образуя заземляющую сетку, к которой присоединяется заземляемое оборудование.
На рис. 2. 3 показаны план расположения контура заземления на открытом распределительном устройстве, а также кривые изменения потенциалов по территории ОРУ. При пробое изоляции в каком либо аппарате его корпус и заземляющий контур окажутся под некоторым потенциалом Uз = Iз. rз. Растекание тока Iз с электродов заземления приводит к постепенному уменьшению потенциала
Рис. 2. 3 Распределение потенциала по поверхности земли в поле заземлителя почвы вокруг них. Рис. 2. 4 Примерный монтаж заземлителя в почве.
Внутри контура заземления потенциалы выравниваются, поэтому, прикасаясь к поврежденному оборудованию, человек попадает под небольшую разность потенциалов Uпр (напряжение прикосновения), которое составляет некоторую долю потенциала на заземлителе: Uпр = kп. Uз (2. 1)
где kп — коэффициент напряжения прикосновения, значение которого зависит от условий растекания тока с заземлителя и человека. Шаговое напряжение, т. е. разность потенциалов между двумя точками поверхности, расположенными на расстоянии 0, 8 м, внутри контура невелико (Uшаг 1). За пределами контура кривая распределения потенциалов более крутая, поэтому шаговое напряжение увеличивается (Uшаг 2). При больших токах замыкания на землю для уменьшения Uшаг по краям контура у входов и выходов укладываются дополнительные стальные полосы. Задачей защитного заземления является снижение до безопасной величины напряжений Uз, Uпр , Uшаг.
Рис. 2. 5 Заземлитель на ТП
В установках с незаземленными и эффективно заземленными нейтралями требования к расчету защитного заземления принципиально отличаются. В установках с незаземленными или резонансно заземленными нейтралями (сети 6, 10, 35 к. В) ограничивается величина потенциала на заземлителе (Uз), т. е. нормируется сопротивление заземляющего устройства Rз. Это объясняется тем, что замыкание фазы на землю вызывает протекание сравнительно небольшого емкостного тока и этот режим может быть длительным. Вероятность попадания под напряжение в момент прикосновения к заземленным частям увеличивается.
В установках с эффективно заземленной нейтралью (сети 110 к. В и выше) замыкание фазы на землю является коротким замыканием и быстро отключается релейной защитой, в результате чего уменьшается вероятность попадания под напряжения Uпр, Uшаг. Токи однофазного к. з. весьма значительны, поэтому резко возрастают потенциалы на заземлителе. В этих установках нормируется величина Uпр, которая определяется в зависимости от длительности протекания тока через тело человека. Напряжение Uшаг не нормируется, так как путь тока нога — нога для человека менее опасен, чем путь рука — ноги.
• Рис. 2. 6 Заземлитель внутренней установки ЗР 10 НУЗ
• 2. 4 Расчет заземляющих устройств а) Расчет заземляющих устройств в установках с незаземленной или резонансно заземленной нейтралью • В установках 6— 35 к. В с незаземленной или резонансно заземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства в любое время года должно быть:
где Iз — расчетный ток замыкания на землю, А. • Если в нейтраль включен заземляющий реактор, то за расчетный ток для заземляющих устройств, к которым он присоединен, принимают ток, равный 125% его номинального тока. Для заземляющих устройств, к которым реактор не присоединен, за расчетный ток принимают нескомпенсированный емкостный ток, возникающий при отключении самого мощного заземляющего реактора. • Сопротивление заземляющего устройства для установок 6— 35 к. В не должно превышать 10 Ом (согласно ПУЭ).
• В установках до 1000 В с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства в любое время года должно быть: (2. 3) где Iз — расчетный ток замыкания на землю, А. • Значение Rз не должно превышать 10 Ом при мощности источника до 100 к. В. А и 4 Ом — при большей мощности (согласно ПУЭ).
• В (2. 2) и (2. 3) в числителе допустимые напряжения на заземлителе 250 и 125 В. Следует напомнить, что человек, прикасаясь к заземленному оборудованию, попадает не под напряжение Uз, а под некоторое меньшее напряжение Uпр. Расчет производится в следующем порядке: • 1. Определяют расчетный ток Iз и по (2. 2) или (2. 3) R 3 (при совмещении заземляющих устройств различных напряжений принимается меньшее из требуемых значений).
2. Определяют сопротивления естественных заземлителей Rе. Использование естественных заземлителей позволяет упростить конструкцию заземляющего устройства, уменьшить количество искусственных заземлителей, а иногда совсем не применять их. Сопротивление естественных заземлителей определяют путем замера в конкретной установке. Значения их приблизительно могут быть такими: стальная водопроводная труба 2— 4 Ом; металлическая оболочка кабеля 2— 3 Ом; система трос — опора 2, 5— 3 Ом. Сопротивление фундаментов опор открытого РУ определяется расчетом.
Если Rе< Rз, то вертикальных заземлителей не требуется, на территории прокладывается горизонтальный заземлитель (обычно полоса), который не менее чем в двух точках связывается с естественным заземлителем. Если Rе >Rз, то необходимо сооружение искусственных заземлителей, сопротивление которых должно быть равно: (2. 4)
В качестве искусственных заземлителей применяют вертикальные заземлители — стержни длиной 3— 5 м, диаметром 12— 20 мм и горизонтальные заземлители — стальные полосы 40× 4 мм. 3. Определяют расчетное удельное сопротивление грунта: расч = kс. , (2. 5) где — удельное сопротивление грунта, измеренное при нормальной влажности. Некоторые значения приведены в табл. 2. 1; kс — коэффициент сезонности, учитывающий промерзание и просыхание грунта.
Таблица 2. 1 Удельное сопротивление грунтов Удельное Грунт сопротивление, Удельное Грунт Ом, м сопротивление, Ом, м Песок 400— 1000 и более Торф 20 Супесок 150— 400 Чернозем 10— 50 Суглинок Глина Садовая земля 40— 150 8— 70 40 Мергель, известняк Скалистый грунт 1000— 2000— 4000
4. Определяют предварительно конфигурацию заземлителя с учетом его размещения на отведенной территории, причем расстояние между вертикальными заземлителями принимается не менее их длины. По плану заземляющего устройства определяются предварительное количество вертикальных заземлителей и длина горизонтальных заземлителей. 5. Определяют сопротивление, Ом, одного вертикального заземлителя (стержня): (2. 6)
где расч — расчетное удельное сопротивление грунта, Ом. м; l — длина стержня, м; d — диаметр стержня, м; t — глубина заложения, равная расстоянию от поверхности земли до середины заземлителя, м. 6. Определяют количество вертикальных заземлителей: (2. 7)
где в — коэффициент использования вертикальных заземлителей, зависящий от расстояния между ними а, их длины и количества (табл. 2. 2). Таблица 2. 2 Коэффициенты использования вертикальных заземлителей, размещенных по контуру без учета влияния полосы связи
Отношение расстояния между заземлителями Число электро довnв в к их длине a/l 1 между заземлителями к Число электро довnв в 20 0, 61— их длине a/l 4 0, 66— 0, 72 2 0, 66 6 0, 58— 0, 65 40 0, 55— 0, 61 10 0, 52— 0, 58 60 0, 52— 0, 58 20 0, 44— 0, 50 3 4 0, 84— 0, 86 40 0, 38— 0, 44 6 0, 78— 0, 82 60 2 0, 36— 0, 42 10 0, 74— 4 0, 76— 0, 80 20 0, 78 0, 68— 0, 73 0 0, 71— 0, 75 40 0, 64— 0, 69 10 0, 66— 0, 71 60 0, 62— 0, 67
Таблица 2. 3 Коэффициент использования соединительной полосы в контуре из вертикальных электродов г Отношение Число вертикальных заземлителей расстояния между заземлителям 4 6 8 10 20 30 50 1 0, 45 0, 40 0, 36 0, 34 0, 27 0, 24 0, 21 2 0, 55 0, 48 0, 43 0, 40 0, 32 0, 30 0, 28 3 0, 70 0, 64 0, 60 0, 56 0, 45 0, 41 0, 37 и к их длине a/l
7. Определяют сопротивление горизонтальных заземлителей (соединительной полосы контура), Ом: (2. 8) где l —длина полосы, м; b — ширина полосы, м; t — глубина заложения, м; расч — расчетное сопротивление земли для горизонтальных заземлителей. С учетом коэффициента использования сопротивление полосы (2. 9)
где г — коэффициент использования по табл. 2. 3 8. Определяют необходимое сопротивление вертикальных заземлителей с учетом использования соединительной полосы: (2. 10)
9. Определяют уточненное количество вертикальных заземлителей: (2. 11) где в — уточненное значение коэффициента использования. На основе результатов расчета уточняют конфигурацию заземляющего устройства.
б) Расчет заземляющих устройств в установках 110 к. В и выше с эффективно заземленной нейтралью Согласно ПУЭ (1966 г. ) расчет заземляющих устройств в установках 110 к. В и выше производится по допустимому сопротивлению заземления Rз = 0, 5 Ом. Это приводило к неоправданному перерасходу проводникового материала и трудозатрат при сооружении заземляющих устройств для подстанций небольшой площадью, не имеющих естественных заземлителей.
Опыт эксплуатации распределительных устройств 110 к. В и выше позволяет перейти к нормированию напряжения прикосновения, а не величины Rз (2. 2, 2. 3). Обоснованием этого служат следующие соображения. В момент прикосновения человека к заземленному оборудованию, находящемуся под потенциалом (см. рис. 2. 7), часть сопротивления заземлителя шунтируется сопротивлением тела человека Rч и сопротивлением растеканию тока от ступней в землю Rс. На тело человека фактически будет действовать напряжение: Uч = Uпр 2 Uс, (2. 12) где Uс = Iч. Rс — падение напряжения в сопротивлении растеканию с двух ступней человека в землю.
Рис. 2. 7 К расчету сложных заземлителей а — заземляющее устройство подстанции; б — расчетная модель. Если принять ступню за диск радиусом 8 см, то (2. 13) где в, с — удельное сопротивление верхнего слоя земли, Ом. м; r — радиус ступни, м.
Ток, протекающий через человека, (2. 14) Опасность поражения зависитот тока и его длительности протекания через тело человека.
2. 5 Требования к заземляющим установкам а) Электроустановки выше 1000 В с большими токами замыкания на землю. Согласно ПУЭ сопротивление заземляющего устройства в этих электроустановках не должно превышать 0, 5 Ом. Однако одно лишь ограничение сопротивления заземляющего устройства не обеспечивает приемлемых напряжений прикосновения и шага при токах замыкания на землю в несколько килоампер. Например, при токе к. з. 6 к. А на заземляющем устройстве будет напряжение 3 к. В. Поэтому дополнительно к ограничению сопротивления заземляющего устройства ПУЭ предписывают также выполнение следующих мероприятий:
а) быстродействующее отключение при замыканиях на землю; б) выравнивание потенциалов в пределах территории, на которой находится электроустановка, и на ее границах. Для выравнивания потенциалов на территории электроустановки на глубине 0, 5— 0, 7 м должна закладываться сетка из выравнивающих проводников (рис. 2. 8). Продольные проводники закладываются параллельно осям оборудования на расстоянии 0, 8— 1 м от фундаментов или оснований оборудования и соединяются на всей площади поперечными проводниками с шагом не более 6 м. Для улучшения выравнивания на границе контура крайние проводники сетки, с которых происходит большее стекание тока в землю, укладываются на глубине порядка 1 м.
Рис. 2. 8. Выравнивание потенциалов с помощью дополнительных выравнивающих проводников при контурном заземлителе.
Выравнивание потенциалов должно осуществляться также у входов и въездов на территорию электроустановки путем укладки двух дополнительных полос с постепенным заглублением на расстояниях 1 и 2 м от заземлителя на глубине 1 и 1, 5 м соответственно. При размещении электроустановки на достаточной площади расстояние от границ заземлителя до ограды электроустановки должно быть не менее 3 м и ограда в этом случае не должна заземляться. В местах, часто посещаемых персоналом, и местах входов и въездов целесообразно устраивать дорожки с покрытием асфальтом или гравием, имеющим малую проводимость.
В целях исключения выноса потенциала за пределы территории электроустановки с большим током замыкания на землю запрещается питание приемников, находящихся вне территории электроустановки, от трансформаторов с заземленной нейтралью при напряжениях 380— 220 или 220— 127 В, находящихся в пределах территории электроустановки. В случае необходимости питание таких приемников должно осуществляться от трансформаторов с изолированной нейтралью.
Если заземлитель не размещается внутри ограждаемой территории, он может быть расширен и вынесен за пределы электроустановок с обязательным выравниванием потенциалов на границах контура путем постепенного заглубления крайних проводников сети. При этом металлические части забора и арматура стоек железобетонного забора должны быть присоединены к заземлителю.
При расположении электроустановок с большим током замыкания на землю у цехов предприятий должны выполняться следующие мероприятия: 1. Все прилегающие здания должны включаться в общий контур заземления. 2. Должны приниматься меры к выравниванию потенциалов внутри цехов. 3. Вокруг зданий на расстоянии 1 м от стен на глубине 2 м должен быть проложен проводник, соединенный с заземляющими проводниками внутри здания, а у входов и въездов в здания должно
быть выполнено выравнивание потенциалов путем прокладки дополнительных полос с постепенным заглублением. 4. Вокруг здания следует устраивать асфальтированные отмостки шириной 1— 1, 5 м. Так как токи к. з. на землю в рассматриваемых установках значительны, должна быть обеспечена термическая стойкость заземляющих проводников. Сечения заземляющих проводников должны быть выбраны такими, чтобы при прохождении по ним расчетных токов к. з. на землю температура их за время срабатывания основной защиты не превысила допустимой. В соответствии с общим правилом минимальные сечения проводников, мм 2, по допустимому нагреву током к. з. определяются по формуле
(2. 15) где расчетный ток через проводник, A; приведенное время прохождения тока к. з. на землю, с; С — постоянная (для стали С = 74, для голой меди С = 195, для кабелей с медными жилами С = 182, для голого алюминия и кабелей с алюминиевыми жилами С = 112).
В качестве расчетного тока принимается установившийся наибольший ток через заземляющий проводник при замыкании на рассматриваемом устройстве или к. з. на землю вне его для возможной в эксплуатации схемы сети с учетом распределения тока к. з. на землю между заземленными нейтралями сети. б) Электроустановки выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю. В соответствии с требованиями ПУЭ в электроустановках без компенсации емкостных токов сопротивление заземляющего устройства при прохождении через него расчетного тока в любое время года должно удовлетворять условию
(2. 16) где расчетный ток через заземляющее устройство; расчетное напряжение на заземляющем устройстве по отношению к земле. Расчетным током является полный ток замыкания на землю при полностью включенных присоединениях электрически связанной сети. Емкостный ток замыкания на землю может быть определен по выражению (2. 17)
где U — междуфазное напряжение сети, к. В; — общая длина электрически связанных между собой кабельных линий, км; общая длина электрически связанных между собой воздушных линий, км. В качестве принимается значение 250 В, если заземляющее устройство используется только для электроустановок выше 1000 В, и 125 В, если заземляющее устройство одновременно используется для электроустановок до 1000 В. Сопротивление заземляющего устройства для этих сетей должно быть не более 10 Ом. В сетях с компенсацией емкостных токов сопротивление заземляющего устройства рассчитывается по формуле (2. 16). При этом в качестве расчетного тока следует принимать:
а) для заземляющих устройств, к которым присоединены компенсирующие аппараты — ток, равный 125% номинального тока этих аппаратов; б) для заземляющих устройств, к которым не присоединены компенсирующие аппараты, — наибольший остаточный ток замыкания на землю, который может иметь место в сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов, но не менее 30 А. С целью облегчения устройства заземлений ПУЭ допускают во всех электроустановках с малыми токами замыкания на землю заземляющие устройства рассчитывать по формуле (2. 16), принимая в качестве расчетного ток срабатывания релейной защиты или ток плавления предохранителей, если эта защита обеспечивает отключение замыканий на землю. При этом наименьший в условиях эксплуатации
ток замыкания на землю должен быть не менее полуторакратного тока срабатывания релейной защиты или трехкратного номинального тока предохранителей. в) Электроустановки до 1000 В с глухим заземлением нейтрали. Сопротивление заземления нейтрали определяется двумя условиями: • а) снижением опасных последствий при пробое изоляции между обмотками высшего и низшего напряжений трансформатора; • б) предотвращением недопустимого повышения напряжения фазных проводов по отношению к земле и заземленных частей электроустановок низкого напряжения при замыканиях на землю в этих электроустановках.
Согласно ПУЭ сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 4 Ом. Исключение составляют электроустановки, в которых суммарная мощность установленных генераторов и трансформаторов не превышает 100 к. ВА. В этих случаях заземляющие устройства могут иметь сопротивление не более 10 Ом. Части электроустановок, подлежащие заземлению, должны иметь надежную металлическую связь с нейтралью источника питания, выполняемую посредством заземляющих проводников или нулевого провода. При воздушных линиях металлическая связь с нейтралью источника питания осуществляется при помощи специального нулевого провода, прокладываемого на опорах так же, как и фазные провода. При этом через каждые 250 м, а также на концах линий и ответвлений длиной более 200 м должны устраиваться повторные заземления нулевого провода.
Сопротивление заземляющих устройств каждого из повторных заземлений должно быть не более 10 Ом. В сетях с суммарной мощностью питающих генераторов и трансформаторов 100 к. ВА и менее, для которых допущено сопротивление основного заземляющего устройства 10 Ом, сопротивление заземляющих устройств каждого из повторных заземлений должно быть не более 30 Ом при числе их не менее 3. Для обеспечения автоматического отключения участка с однофазным замыканием, заземляющие проводники должны быть выбраны таким образом, чтобы при замыкании на корпус или нулевой провод возникал ток к. з. , превышающий:
а) в 3 раза номинальный ток плавкой вставки ближайшего предохранителя; б) в 3 раза номинальный ток замедленного расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратнозависимую от тока характеристику. Полная проводимость заземляющих проводников во всех случаях должна составлять не менее 50% проводимости фазного проводника. Условия в отношении тока замыкания на землю должны проверяться испытаниями или измерениями для ввода электроустановки в эксплуатацию, а также периодически в процессе ее эксплуатации.
В целях удовлетворения указанных требований в отношении тока замыкания на землю заземляющие проводники рекомендуется прокладывать совместно или в непосредственной близости с фазными. Не допускается использование свинцовых оболочек кабелей в качестве заземляющих проводников. В условиях проектирования для проверки обеспечения отключения замыканий между фазным и нулевым проводником ток однофазного к. з. определяется по приближенной формуле
(2. 18) где фазное напряжение сети; полное сопротивление нулевй последовательности трансформатора; полное сопротивление петли фаза — нуль при совместной подвеске нулевого и фазных проводов линии. Удельное реактивное сопротивление петли проводах из цветных металлов принимается равным 0, 6 Ом/км; при стальных проводах внешнее удельное реактивное сопротивление петли принимается равным 0, 6 Ом/км, а внутреннее
реактивное и активное сопротивления определяются для тока, фактически проходящего по проводам в условиях однофазного замыкания; в качестве первого приближения их можно определять по току замыкания, превышающему ток срабатывания защиты в указанную кратность раз. В установках постоянного тока заземление выполняется на тех же основаниях, что и в установках переменного тока. Особенностью прохождения постоянного тока в земле является электролитическая коррозия подземных сооружений (водопровод и другие трубопроводы,
оболочки кабелей, конструкции зданий). Опасность коррозии существует в установках с длительным прохождением рабочего тока через заземлитель (рабочее заземление одного полюса) или существованием токов утечки (электролизные установки). Поэтому при устройстве заземлений в установках постоянного тока не следует использовать в качестве заземляющих устройств подземные сооружения, коррозия которых приводит к большим убыткам. Заземлители установок постоянного тока не должны объединяться с заземлителями других систем. Элементы заземлителей должны быть достаточной толщины для предотвращения быстрого разрушения.
Если электроустановки постоянного тока связаны с электроустановками переменного тока (преобразователи), то могут быть применены общие заземляющие устройства. В сетях постоянного тока повторные заземления нулевого провода должны осуществляться при помощи отдельных искусственных заземлителей, которые не должны иметь металлических соединений с подземными трубопроводами.
г) Электроустановки до 1000 В с изолированной нейтралью Сопротивление заземляющего устройства согласно ПУЭ не должно превышать 4 Ом, а в электроустановках с суммарной мощностью параллельно работающих генераторов и трансформаторов 100 к. ВА и ниже оно не должно быть больше 10 Ом. В месте установки трансформаторов при совместном использовании заземляющего устройства для сетей до 1000 В и выше сопротивление заземляющего устройства должно удовлетворять формуле (2. 16) при расчетном напряжении на заземляющем устройстве В. Это требование предусматривает снижение
опасных последствий при повреждении трансформаторов с замыканием между обмотками высшего и низшего напряжений. При этом, если при повреждении не произойдет отключения от действия защиты высшей стороны, через пробивной предохранитель и заземляющее устройство будет проходить ток замыкания на землю сети высшего напряжения. При однофазных замыканиях в сетях до 1000 В в месте замыкания проходит ток, обусловленный активной и емкостной проводимостями фаз на землю. Наибольшее напряжение прикосновения, равное напряжению на заземлителе относительно точки нулевого потенциала, составляет несколько десятков вольт: (2. 19)
где ток замыкания на землю; сопротивление заземляющего устройства, не превышающее согласно ПУЭ 4 10 Ом. Поэтому в коротких сетях с малой проводимостью на землю неоспоримы преимущества сетей с изолированной нейтралью. Пример 2. 1 Требуется рассчитать заземление подстанции 110/10 к. В со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне ПО к. В 3, 2 к. А; наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 10 к. В 42 А; грунт в месте сооружения подстанции — суглинок; климатическая зона 2; дополнительно в качестве заземления используется система тросы — опоры с сопротивлением заземления 1, 2 Ом.
Решение ; 1. Для стороны 110 к. В требуется сопротивление заземления 0, 5 Ом. Для стороны 10 к. В по формуле (2. 16): Ом, где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство используется также для установок подстанции до 1000 В. Таким образом, в качестве расчетного принимается сопротивление Ом. 2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования системы тросы — опоры: Ом
3. Рекомендуемое для предварительных расчетов удельное сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя — суглинка по приведенным выше данным составляет 100 Ом·м. Повышающие коэффициенты для климатической зоны 2 принимаются равными 4, 5 для горизонтальных протяженных электродов при глубине заложения 0, 8 ми 1, 8 для вертикальных стержневых электродов длиной 2— 3 м при глубине заложения их вершины 0, 5— 0, 8 м. Расчетные удельные сопротивления: для горизонтальных электродов Ом·м; для вертикальных электродов = 1, 8 · 100 = 180 Ом·м; 4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода — уголка № 50 длиной 2, 5 м при погружении ниже уровня земли на 0, 7 м по формуле:
, где d=dy, э=0, 95 b=0, 95· 0, 05 = 0, 0475 м; = 57, 2 Ом. 5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования Ки, в = 0, 6: 6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов — полос 40× 4 мм 2 приваренных к верхним концам уголков. Коэффициент использования соединительной полосы в контуре при числе уголков порядка 100 и отношении a/l = 2 равен = 24. Сопротивление растеканию полосы по формуле: Ом.
7. Уточненное сопротивление вертикальных электродов Ом. 8. Уточненное вертикальных число электродов определяется при коэффициенте использования 0, 52: Окончательно принимается 117 уголков. Дополнительно к контуру на территории подстанции устраивается сетка из продольных полос, расположенных на расстоянии 0, 8— 1 м от оборудования, с поперечными связями через каждые 6 м. Дополнительно для выравнивания потенциалов у входов и въездов, а также по краям контура прокладываются углубленные полосы. Эти неучтенные горизонтальные электроды уменьшают общее сопротивление заземления; проводимость их идет в запас. 9. Проверяется термическая стойкость полосы 40× 4 мм 2. Минимальное сечение полосы из условий термической стойкости при к. з. на землю по формуле (12. 5) приведенном времени прохождения тока к. з. tn = 1, 1 с Таким образом, полоса 40× 4 мм 2 условию термической стойкости удовлетворяет.
По результатам примера 12. 1 можно видеть, что при достаточно большом количестве вертикальных электродов горизонтальные электроды, соединяющие верхние концы вертикальных, весьма слабо влияют на результирующее расчетное сопротивление контура заземления. При этом также обнаруживается дефект существующей методики расчета для случаев, когда требуется достаточно малое сопротивление контура. В выполненном примерном расчете этот дефект выявился в том, что учет дополнительной проводимости контура от горизонтальной соединительной полосы привел не к уменьшению потребного количества вертикальных электродов, а наоборот, к его увеличению примерно на 5%. На основании этого можно рекомендовать в подобных случаях рассчитывать необходимое количество вертикальных электродов без учета дополнительной проводимости соединительных и других горизонтальных полос, полагая, что их проводимость будет идти в запас надежности.
Контрольные вопросы 1. Какие режимы работы нейтрали приняты в электрических сетях РАО ЕЭС? 2. По каким факторам осуществляется выбор режима нейтрали в установках напряжением выше 1 к. В? 3. Почему необходимо выполнить защитное заземление? 4. Виды заземляющих установок? 5. Чем отличается естественное заземление от искусственного? 6. Что применяется в качестве естественного заземления? 7. Что такое шаговое напряжение? 8. Перечислите основные требования к заземляющим установкам?
Скачать презентацию Глава 2 Режимы работы нейтрали в системах электроснабжения
глава 2.pptx