книги из ГПНТБ / Рябкова Е.Я. Расчет заземляющих устройств (Заземления в установках высокого напряжения) учеб. пособие

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Е. Я. РЯБКОВА

РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

(Заземления в установках высокого напряжения)

*

Г л а в а І

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЗАЗЕМЛЕНИЙ

1.Назначение и виды заземлений. Сопротивление заземлителя

Заземлением какой-либо части электрической установки называется преднамеренное соединение ее с заземляющим устройством с целью сохранения на ней в общем случае достаточно низкого потенциала.

Различают три вида заземлений: рабочее заземление, защитное заземление для безопасности людей и заземление грозозащиты оборудования установки.

Назначением рабочего заземления является обеспечение нормальной работы установки или ее элементов в выбран­ ном для них режиме. К рабочему заземлению относится за­ земление нейтралей силовых трансформаторов, генераторов, дугогасящих аппаратов (катушек Петерсена), измеритель­ ных трансформаторов напряжения, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях передач, заземление фазы при использовании земли в качестве рабочего провода и пр.

установку, путем заземления металлических частей установ­ ки, которые нормально не находятся под напряжением, но могут оказаться под напряжением при перекрытии или про­ бое изоляции.

Заземление грозозащиты служит для отвода тока молнии в землю от защитных разрядников и молниеотводов (стерж­ невых или тросовых).

Рабочее и защитное заземления должны выполнять свое назначение в течение всего года, тогда как заземление грозо­ защиты лишь в грозовой сезон.

Для осуществления любого вида заземления требуется заземляющее устройство, состоящее из заземлителя, распола-

3

'гаемого в земле, и заземляющего проводника, соединяющего заземляемый элемент установки с заземлителем.

Заземлитель может состоять из одного или многих вер­ тикальных и горизонтальных электродов и характеризуется величиной сопротивления, которое окружающая земля ока­ зывает току, стекающему с него от поверхности электрода до уровня нулевого потенциала. Сопротивление заземлителя определяется отношением потенциала на заземлителе к сте­ кающему с него току.

Рис. 1-1. К расчету сопротивления полушарового электрода, напряжения прикосновения и шага

Наиболее просто рассчитывается сопротивление заземли­ теля полушаровой формы. Условно предположим, что такой заземлитель присоединен к баку трансформатора и отводит в землю ток 50 гц в случае перекрытия или пробоя изоля­ ции (рис. 1-1).

Сопротивление элементарного слоя земли между экви­ потенциальными поверхностями (полусферами) с радиусами г и r + dr, в грунте с удельным сопротивлением р:

dR = р d r

2Jtr1

4

и все сопротивление растекания тока с заземлителя — полу­ шара радиусом г0 составит

где / — ток замыкания на землю установки, стекающий с за­

ипр= - и ~ и х.

При этом пренебрегаем незначительным искажением поля

Rr

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

Приближенно

5

сит от длины шага и расстояния человека до заземлителя. Во всех случаях напряжение на теле человека Нт при шаге будет меньше, чем при прикосновении, так как всегда

Для обеспечения полной безопасности обслуживающего персонала заземляющее з'стройство электрической установ­ ки следует проектировать таким образом, чтобы напряжение на теле человека от Unp и Um в любых условиях не превос­ ходило допустимых или безопасных для человека величин. Достигнуть этого можно снижением величины сопротивле­ ния заземлителя, выравниванием кривой распределения по­ тенциала заземлителя по поверхности земли вблизи зазем­

пульсного тока молнии, в общем случае, отличается от со­ противления заземлителя при токе 50 гц. Отличие вызывает­

При напряженности поля, достигающей критической вели­ чины, возникает пробой грзшта, развивающийся в виде раз­ ветвленных проводящих каналов. Эти каналы шунтируют участки земли, прилегающие к электроду, размеры которого как бы увеличиваются (рис. 1-2). В результате этого со­ противление заземлителя уменьшается и тем сильнее, чем больше размер искровой зоны, т. е. чем больше ток и удель­ ное сопротивление грунта.

Расчет импульсного сопротивления сосредоточенного за­ землителя (относительно небольшой протяженности) стро­ ится на основе приближенного представления о равномер­ ном развитии идеально проводящей искровой зоны, ограни­ чиваемой поверхностью с напряженностью Е-^-Ещ,, где Ещ,—

6

пробивная напряженность грунта. При этом сопротивление заземлителя рассчитывается как сопротивление электрода с фиктивными размерами, определяемыми искровой зоной.

Рис. 1-2. К расчету импульсного сопротив­ ления полушарового электрода

Рассмотрим для примера расчет импульсного сопротивле­ ния того же полушарового электрода радиуса г0, что и вы­ ше, при амплитуде импульсного тока I с длиной фронта Тф.

Границей искровой зоны, в соответствии с принятым пред­ положением, будет полушаровая поверхность радиуса Гф, у которой при токе I будет напряженность

Таким образом, сопротивление электрода при большом токе, приводящем к развитию искровой зоны, не зависит от геометрического размера г0, а определяется амплитудой тока I, удельным сопротивлением грунта р и пробивной на­ пряженностью Епр.

По формуле (5) можно оценить' импульсное сопротив­ ление некоторых естественных заземлителей, например^ подножников ■опор, а также величину так называемого «самозаземления», которое имеет место при непосредствен­ ном ударе молнии в поверхность земли, с вводом тока в зем­

7

лю при предельно малом геометрическом размере г0. При увеличении радиуса г0 полушарового электрода ток начала пробоев в земле / пр увеличивается, а горизонтальный учас­ ток кривой сопротивления Ru понижается (рис. 1-3).

Большая скорость нарастания импульсного тока молнии на фронте волны может приводить к увеличению импульс­ ного сопротивления заземлителя некоторой длины / из-за влияния его индуктивности.

В общем случае схема замещения заземлителя при им­ пульсном токе состоит из параметров на единицу длины: индуктивности L, активного продольного сопротивления г, проводимости g и емкости С на землю. Активное продоль­ ное сопротивление обычно на 1 — 2 порядка меньше сопро­ тивления заземлителя и поэтому практически не играет ро­ ли. Для наиболее частых грунтов с удельным сопротивле­ нием р<5000 омм емкостные токи пренебрежимо малы по сравнению с токами проводимости. Поэтому схема заме­ щения заземлителя некоторой длины I при импульсном токе молнии (рис. 1-4) состоит из индуктивности L и постоянной величины проводимости g на единицу длины (при неучете искрового процесса в земле).

8

В первые моменты времени после подключения к заземлителю источника тока индуктивность препятствует проник­ новению тока к удаленным участкам заземлителя, и они сла­ бо участвуют в отводе тока в землю. Постепенно распреде­ ление напряжения вдоль заземлителя выравнивается, и со­ противление его уменьшается, стремясь к своей предельной величине R.

Рис. 1-4. Схема замещения заземлителя длиною I при импульсном токе в грунте с удельным сопротивлением р<5000 омм

Длительность переходного процесса в заземлителе зави­ сит от постоянной времени

пропорциональной индуктивности и проводимости всего за-

Для расчета грозозащиты интересно значение сопротив­ ления заземлителя в момент максимума тока молнии, т. е. при времени '/=Тф. Если Тф^> Т, то к интересующему нас моменту времени переходный процесс в заземлителе закон­ чится, и заземлитель в электрическом смысле становится сосредоточенным. Если же, напротив, Тф соизмеримо с Т, то в момент максимума тока импульсное сопротивление Z^>R и, следовательно, заземлитель, в том же смысле, яв­ ляется протяженным.

Таким образом, заземлитель длины I, индуктивность ко­ торого не играет существенной роли при данных условиях грунта и длины фронта волны, определяющих отношение

ТФ

— , принято называть сосредоточенным, если же она при­

водит к увеличению его сопротивления, то протяженным.

9