 |
Заземляющие системы
промышленных предприятий
Особенности нормирования, проектирования, эксплуатации
Надежное и бесперебойное функционирование электроустановок во многом определяется правильно выполненной системой заземления.
 Особенностью заземления подстанций 6–110 кВ и выше, примыкающих к промышленным предприятиям, является естественное объединение заземляющего устройства (ЗУ) подстанции с общей заземляющей системой предприятия. Это объединение происходит по оболочкам кабелей, трубопроводам водоснабжения, рельсам, нулевым рабочим и защитным проводникам системы 0,4 кВ и т.д. Оно накладывает свои отпечатки как на параметры заземления, так и на методы проектирования и эксплуатации ЗУ. Об особенностях систем заземления на промпредприятиях – в материале Юрия Викторовича Целебровского.
Юрий Целебровский,
д.т.н., профессор Новосибирского государственного технического университета
ПОДСТАНЦИИ 110 кВ И ВЫШЕ
В настоящее время определились, по крайней мере, 4 группы функций заземляющих систем:
1. Обеспечение эффективного заземления нейтрали электрической сети напряжением 110 кВ и выше, резистивного или резонансного заземления нейтрали сети напряжением 6–35 кВ, глухого заземления нейтрали сетей напряжением ниже 1 кВ. Эти функции заземления принято называть рабочими.
2. Обеспечение безопасных напряжений прикосновения к оборудованию подстанции и промышленного предприятия в нормальном режиме работы электроустановок и при несимметричных замыканиях (в том числе КЗ) на землю. Такое заземление принято называть защитным.
3. Обеспечение эффективной работы средств защиты от внешних и внутренних перенапряжений (молниеотводов, разрядников, ОПН).
4. Обеспечение надежной работы цепей и устройств РЗиА, связи, телемеханики, АСУ ТП как самой электроустановки, так и автоматики и телеуправления технологических процессов промышленного предприятия при нормальных и особенно аварийных режимах электрической станции или подстанции. Эту функцию можно назвать «помехозащитной» или обозначить термином «обеспечение электромагнитной совместимости» (ЭМС). Функция обеспечения ЭМС приобретает в последнее время всё большее значение, поэтому ниже мы остановимся на ней подробнее.
Параметры ЗУ
На подстанции (ПС) напряжением 110 кВ и выше эти параметры должны соответствовать требованиям главы 1.7 Правил устройства электроустановок (ПУЭ). В обязательном порядке следует придерживаться двух требований:
- напряжение на заземляющем устройстве (ЗУ) не должно превышать 5 кВ;
- проектирование и эксплуатация ЗУ должны вестись исходя из норм на напряжение прикосновения [1]. При этом не только на территории подстанции, но и на всей территории промышленного предприятия напряжения прикосновения должны быть ниже допустимых (табл.1).
Нормирование ЗУ рассматриваемых подстанций по сопротивлению не имеет смысла, поскольку:
- сопротивление заземляющей системы промышленного предприятия всегда мало (< 0,5 Ом);
- его значение в условиях промышленной застройки измерить практически невозможно;
- малое сопротивление еще не обеспечивает безопасности при выносе потенциала с подстанции.
Таблица 1
Предельно допустимые значения напряжений прикосновения при аварийном режиме производственных электроустановок с частотой тока 50 Гц, напряжением выше 1000 В,
в сети с эффективным заземлением нейтрали
по ГОСТ 12.1.038-82
| Продолжительность воздействия, t, с | Предельно допустимое значение напряжения прикосновения, U, В |
| До 0,1 | 500 |
| 0,2 | 400 |
| 0, 5 | 200 |
| 0,7 | 130 |
| 1,0 | 100 |
| Свыше 1,0 до 5,0 | 65 |
Проектирование ЗУ
Оно не представляет принципиальных трудностей, кроме вопроса о параметрах естественного заземления предприятия. Если предприятие уже существует и питается по временной схеме, то параметры его естественного заземления можно определить на стадии предпроектных изысканий. Если предприятие еще строится, то можно определить удельное сопротивление грунта r и по нему и площади предприятия S оценить предполагаемое сопротивление будущего естественного заземлителя:
Эксплуатация ЗУ
Эксплуатация ЗУ рассматриваемых подстанций состоит в периодической проверке параметров ЗУ в соответствии с Методическими указаниями [2] и включает в себя:
- определение реальной схемы заземляющего устройства;
- определение напряжения на заземляющем устройстве;
- измерение металлосвязей между ЗУ ПС и другими объектами предприятия;
- измерение напряжений прикосновения на территории ПС и на территории предприятия в местах выноса потенциала;
- определение коррозионного состояния заземлителей и заземляющих проводников.
В последнее время, в связи с широким внедрением микропроцессорной техники в технологические процессы как подстанции, так и самого промышленного предприятия, заземляющая система во многом определяет возможность ЭМС высоковольтного оборудования подстанции с низковольтной техникой. Уже сейчас наблюдаются сбои в работе этих устройств, ложные срабатывания, отказы, вплоть до полного выхода из строя. Связано это в первую очередь с воздействием всевозможных помех, создаваемых силовым оборудованием мощного энергообъекта, на аппаратуру, оперирующую маломощными сигналами.
Большинство эксплуатируемых в настоящее время подстанций имеют заземляющее устройство, спроектированное достаточно давно, когда в области расчетов ЗУ было еще много неопределенности да и требования, предъявляемые к ним, были другими.
Рассмотрим роль ЗУ в обеспечении ЭМС ТС и ПС. На рис. 1 приведены некоторые возможные воздействия, приводящие к попаданию на вход технического устройства повышенных потенциалов или недопустимых токов. Можно рассмотреть несколько типичных случаев.
Рис.1. Роль ЗУ в снижении уровня помех
Нормальный режим функционирования ПС:
а) За счет несимметрии сети и несимметрии нагрузки с ЗУ постоянно стекает ток, создавая на нем определенное напряжение, воздействующее на линии и кабели, выходящие за территорию ПС, вызывая протекание по ним токов промышленной частоты, достигающих единиц ампер. В результате в аппаратуре связи и телесигнализации возникают шумы, иногда – отказы.
б) Коммутации силового оборудования приводят к появлению мощных высокочастотных процессов на шинах ВН за счет перераспределения зарядов. При этом генерируется сильное электромагнитное поле, наводящее помехи в кабелях, проложенных поблизости от шин. Спектр этих помех очень широк и достигает сотен МГц. На рис. 2 представлены осциллограммы помех, достигающих сотен вольт в нормальном режиме работы электроустановки.
Действенная мера борьбы с подобными явлениями – экранирование кабеля – наиболее эффективна при заземлении экрана кабеля с двух концов: у источника сигнала и у его приемника. Но заземление экрана с двух сторон приводит к появлению низкоомной связи между двумя точками на территории энергообъекта. При коротком замыкании на землю поблизости от места заземления экрана по последнему потечет ток. Если сопротивление по магистралям заземления будет велико, то ток, протекающий по экрану, достигнет опасных значений и кабель может сгореть. Таким образом, необходимо снижать продольное сопротивление элементов ЗУ, что может быть достигнуто за счет прокладки большего количества горизонтальных заземлителей либо за счет увеличения их сечения.
Рис. 2. Примеры зафиксированных ВЧ-помех при коммутациях на ОРУ 500 кВ
Режим несимметричного короткого замыкания (чаще всего однофазного) может быть рассмотрен с двух позиций:
а) Высокочастотный переходный процесс – ВЧ-составляющая тока КЗ растекается в ограниченной зоне по ЗУ, так как сказывается высокое продольное сопротивление элементов ЗУ на ВЧ. В месте КЗ появляется высокий потенциал, в том числе и на кабелях, заземленных поблизости. Этот вид помех называется кондуктивной ВЧ-помехой. Снижение такой помехи возможно за счет уменьшения импульсного сопротивления заземления аппарата. Для этого необходима прокладка большего количества горизонтальных заземлителей и установка вертикальных заземлителей вблизи аппарата.
б) Установившийся режим КЗ – ток при этом растекается по всему ЗУ. За счет падения напряжения на элементах ЗУ возникает разность потенциалов по ЗУ – наибольший потенциал возникает в месте КЗ, снижаясь по направлению к периферии ПС. Это напряжение прикладывается к изоляции кабелей и к изоляции входов подключенных к кабелям устройств. Выравнивание потенциалов по ЗУ производится за счет снижения сопротивлений металлосвязи – прокладки большего количества горизонтальных заземлителей.
Удар молнии. Ток молнии растекается по ЗУ в ограниченной зоне – сказывается высокое продольное сопротивление элементов ЗУ на высокой частоте. Высокий потенциал (сотни кВ), возникающий на молниеотводе, может пробить грунт до кабельного лотка, если лоток расположен в непосредственной близости от молниеотвода. Снизить потенциал можно уменьшением импульсного сопротивления заземления молниеотвода, для чего необходима прокладка большего количества горизонтальных заземлителей и установка вертикальных заземлителей вблизи него.
Таким образом, зачастую недопустимые воздействия на аппаратуру, установленную на высоковольтных ПС, возникают из-за несоответствия ЗУ требованиям, которым оно должно удовлетворять по условиям ЭМС.
Реконструкция ЗУ
Реконструкция заземляющих устройств проводится:
- при реконструкции предприятия или подстанции;
- при заметных коррозионных повреждениях искусственных заземлителей и заземляющих проводников;
- при сбоях в работе автоматики, связи, телеуправления, связанных с повреждениями в высоковольтной электрической сети;
- при поражении людей и животных напряжениями прикосновения или шага.
Предпроектные изыскания при реконструкции должны включать в себя полный контроль заземляющей системы. Параметры, определенные при этом, наряду с реальной схемой существующей заземляющей системы, кладутся в основу расчета модернизированной конструкции заземляющего устройства подстанции и заземляющей системы в целом.
ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ 6–35 КВ
Обеспечение безопасности при замыкании
Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ – явление довольно частое и небезопасное. Достаточно сказать, что более половины всех несчастных случаев со смертельным исходом происходит как раз при замыканиях на землю. При этом строгое исполнение требований ПУЭ еще не обеспечивает безопасность этих сетей.
Параграф 1.7.96 седьмого издания ПУЭ предписывает следующие значения сопротивления заземляющего устройства электроустановок 6–35 кВ:
R Ј 250 / I, но не более 10 Ом.
Отметим главное: структура формулы говорит о том, что цифра, указанная в числителе, является по своей размерности напряжением, а по сути – напряжением на заземляющем устройстве.
В сетях напряжением выше 1 кВ, не требующих компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю, применение указанного выражения для расчета нормативного значения сопротивления практически не имеет смысла. Нормируемые максимальные значения некомпенсированных емкостных токов (п. 1.2.16), составляющие по ПУЭ в электрических сетях от 10 до 30 А, а практически (в связи с широким применением железобетонных опор) не превышающие 10 А, всегда дают вычисленные по формуле значения выше, чем верхние допустимые пределы 2, 4, 8 Ом (п. 1.7.101) и 10 Ом (п. 1.7.96).
В сетях с компенсацией емкостного тока необходимость снижения сопротивления ниже указанных пределов может возникнуть для заземляющих устройств, к которым подключены компенсирующие аппараты (п. 1.7.96). При этом для электроустановок, питающих сети до 1 кВ, с линейными напряжениями 660, 380 и 220 В суммарный номинальный ток этих компенсирующих аппаратов должен превышать соответственно 50, 25 и 12,5 А.
Опыт эксплуатации показывает, что рассмотренные базовые требования обеспечивают электробезопасность в электроустановках при однофазных замыканиях на землю. Однако следует четко понимать, что те же электроустановки оказываются практически не защищенными при переходе однофазных замыканий в двойные (вторая фаза замкнулась на землю в другом месте). Ток через землю в этом случае возрастает до сотен ампер, и прикосновение к заземленным частям оборудования может оказаться смертельным.
Переход однофазного замыкания в двойное – это явление весьма распространенное, и хотя официальная статистика порой не раскрывает истинных причин поражения, в практике случаи поражения при двойных замыканиях известны. Развитие электрических сетей увеличивает вероятность поражения при двойных замыканиях на землю, и нормирование заземляющих устройств с учетом этого режима становится всё более актуальной задачей.
Сопротивление ЗУ
При определении нормативных значений сопротивлений заземляющих устройств в районах с большим удельным сопротивлением земли возникают определенные трудности, связанные с различными подходами к увеличению нормативных значений для электроустановок напряжением до 1 кВ и выше 1 кВ. Поскольку в соответствии с п. 1.7.55 ПУЭ заземляющее устройство, используемое для заземления электроустановок различных напряжений, должно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к заземлению этих электроустановок, то в зависимости от удельного сопротивления грунта минимальными (принимаемыми за норму) значениями могут оказаться как значения для электроустановки до 1 кВ, так и значения для электроустановки выше 1 кВ. Рассмотрим эту ситуацию подробнее. Напомним вначале суть требований.
Для электроустановок напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью (п. 1.7.101): «... При удельном сопротивлении r земли более 100 Ом·м допускается увеличивать указанные выше нормы (2, 4, 8 Ом соответственно для линейных напряжений 660, 380, 220 В) в 0,01r раз, но не более десятикратного».
Для электроустановок выше 1 кВ: «... для земли с удельным сопротивлением более 500 Ом·м ... допускается повысить требуемые ... значения сопротивлений заземляющих устройств в 0,002r раз... При этом увеличение... должно быть не более десятикратного».
Рассмотрим совместное применение этих требований на примере заземляющего устройства подстанции напряжением 6–35 /0,4 кВ в сети без компенсации емкостного тока замыкания на землю.
В грунтах с удельным сопротивлением до 100 Ом·м значение максимального сопротивления определяется п. 1.7.101 и не должно превышать 4 Ом. Далее, с повышением удельного сопротивления в соответствии с тем же параграфом указанное значение можно увеличивать, и оно в зависимости от значения r будет составлять 4 x 0,01r = 0,04r. Однако использовать возможность увеличения нормируемого сопротивления до десятикратного значения сразу не представляется возможным. Здесь вступает в действие верхний предел 10 Ом, установленный п. 1.7.96 для электроустановок выше 1 кВ.
Смысл этого предела в указанном параграфе не оговаривается. Однако он становится ясным при рассмотрении требований к грозозащитным заземлителям. При присоединении тросовых молниеотводов ВЛ 35 кВ к заземленным конструкциям ОРУ (что всегда возможно при удельном сопротивлении грунта до 750 Ом·м) сопротивление заземлителя ближайшей к ОРУ опоры ВЛ 35 кВ не должно превышать 10 Ом (п. 4.2.138). Минимальное значение 10 Ом мы находим и при нормировании грозозащитных заземлителей опор ВЛ (п. 2.5.129). Таким образом, верхний предел сопротивления заземления подстанции 6...35 кВ – 10 Ом установлен по условиям грозозащиты и в грунтах с удельным сопротивлением до 500 Ом·м не может быть превышен.
Приведенные рассуждения позволяют заключить, что допускаемое для электроустановки напряжением до 1 кВ увеличение сопротивления возможно только в пределах удельного сопротивления от 100 до 250 Ом·м. При указанном верхнем значении r сопротивление достигает 10 Ом и в этом допустимом пределе должно сохраняться до 500 Ом·м.
Выше 500 Ом·м вступает в силу п. 1.7.108 ПУЭ и сопротивление заземляющего устройства в зависимости от удельного сопротивления грунта растет по закону: 10 x 0,002 = 0,02r.
Однако и здесь возможности, определенные п. 1.7.108 ПУЭ, нельзя использовать полностью, так как при удельном сопротивлении грунта в 2000 Ом·м достигается значение 40 Ом, которое нельзя превышать по п. 1.7.101 ПУЭ. При удельном сопротивлении грунта выше 2000 Ом·м сопротивление заземления рассматриваемой подстанции в любом случае не должно превышать 40 Ом.
В результате нормативные значения сопротивлений в зависимости от удельного значения грунта должны быть такими, какие указаны в табл. 2.
Таблица 2
Нормативные значения сопротивления заземляющего устройства подстанции 6–35/0,4 кВ
Данные таблицы представлены в графической форме на рис. 3.
Аналогично можно проанализировать и нормы для электроустановок, линейные напряжения в которых составляют 660 и 220 В.
Выше уже говорилось, что ПУЭ не содержат нормативов, обеспечивающих электробезопасность при двойных замыканиях на землю. Необходимость такого нормирования требует серьезного технико-экономического и социального обоснования. Кроме этого, существует ряд других вопросов, требующих явного дополнения и исправления ПУЭ. Подробно об этом говорилось на Второй российской конференции по заземляющим устройствам [3].
Здесь вкратце перечислим те положения, по которым необходимо внести изменения в ПУЭ:
- нормирование напряжения на заземляющем устройстве;
- обеспечение электробезопасности при выносе потенциала;
- нормирование заземляющих устройств подстанций в кабельных сетях.
Вносить изменения необходимо как можно быстрее, ведь заземляющие устройства обеспечивают безопасность и надежное функционирование электроустановок.
Литература
1. ГОСТ 12.1.038-82 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов // Система стандартов безопасности труда. Часть 3. – М.: ИПК Издательство стандартов, 1996. – С. 237– 243.
2. Методы контроля заземляющих устройств. Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования /АО «Фирма ОРГРЭС». – М.: Изд. ЗАО «Энергосервис», 1998. – 493 с.
3. Целебровский Ю.В., Зоричев А.Л. Вторая российская конференция по заземляющим устройствам. Развитие теории и практики продолжается // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 2(32).
| 
|
