Юрий Целебровский, д.т.н., профессор, Новосибирский государственный технический университет

ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА КТПБ 110/35/6 КВ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ И СООРУЖЕНИЮ Блочные комплектные трансформаторные подстанции (КТПБ) как объекты массового проектирования и строительства требуют особого подхода к проектированию и сооружению заземляющих устройств. С одной стороны, фиксированное для каждого типа подстанции расположение оборудования обусловливает такую же фиксированную конструкцию заземляющего контура. Одинаковость конфигурации контура связана также с конструктивными требованиями параграфов 1.7.90–1.7.94 Правил устройства электроустановок (ПУЭ).

Сергей Нестеров, к.т.н., Новосибирский государственный технический университет

С другой стороны, каждая комплектная подстанция сооружается в определенной точке электрической сети и в конкретном географическом месте и в этом отношении уникальна, что определяется конкретным значением тока короткого замыкания и электрическим строением грунта, характерным для каждой выбранной площадки. Поскольку названные величины определяют нормируемые параметры заземляющего устройства, конструкция последнего должна быть индивидуальной для каждой из проектируемых подстанций, даже однотипных.
В материале Юрия Викторовича Целебровского и Сергея Валерьевича Нестерова рассматриваются пути решения задачи массового проектирования и сооружения заземляющих устройств КТПБ с учетом указанных обстоятельств.

Остановимся вначале на принципах нормирования заземляющих устройств (ЗУ) КТПБ 100/35/6 кВ. Параграф 1.7.89 ПУЭ [1] определяет: «Напряжение на заземляющем устройстве при стекании с него тока замыкания на землю не должно превышать 10 кВ. Напряжение выше 10 кВ допускается на заземляющих устройствах, с которых исключен вынос потенциалов за пределы зданий и внешних ограждений электроустановок. При напряжении на заземляющем устройстве более 5 кВ должны быть предусмотрены меры по защите отходящих кабелей связи и телемеханики и по предотвращению выноса опасных потенциалов за пределы электроустановки».
Требование предельного напряжения на ЗУ безусловно и однозначно. Некоторую неопределенность создают вопросы выноса потенциалов и мер по его предотвращению. По нашему мнению, вынос потенциала – это ситуация, когда за пределами электроустановки находятся доступные для прикосновения объекты и на них создается напряжение прикосновения выше нормируемого ГОСТ 12.1.038-82 [2]. Применительно к КТПБ с приходящими и отходящими воздушными линиями – это прежде всего концевые опоры ВЛ. На опору ВЛ 110 кВ потенциал может быть вынесен грозозащитным тросом, который в соответствии с п. 4.2.138 ПУЭ, как правило, присоединяется к заземленным конструкциям ОРУ (ПС). На опоры ВЛ 6–35 кВ потенциал выносится по металлическим оболочкам кабельных вставок, заземляемым как на ПС, так и на опоре. Заземляющие устройства опор обеспечивают только грозоупорность ВЛ и не нормируются по условиям электробезопасности.
Требование защиты от вынесенного потенциала определяет необходимость включения концевых опор в состав КТПБ путем объединения заземляющих устройств и выравнивания потенциалов у опор. При обеспечении допустимых напряжений прикосновения к концевым опорам напряжение на заземляющем устройстве может достигать 10 кВ.
Таким образом, обеспечение нормируемого напряжения на ЗУ КТПБ – это обязательное нормативное требование.
Два других требования ПУЭ пока альтернативны: «1.7.88. Заземляющие устройства электроустановок напряжением выше 1 кВ в сетях с эффективно заземленной нейтралью следует выполнять с соблюдением требований либо к их сопротивлению (1.7.90), либо к напряжению прикосновения (1.7.91)…». Эта альтернатива сохранилась с 70-х годов прошлого столетия, когда приведенная формулировка была записана в 6-м издании ПУЭ. Уже тогда понимали, что нормирование сопротивления ничего не говорит об уровне электробезопасности, определяемом напряжениями прикосновения и токами через тело человека. Но слабая расчетная база, отсутствие приборов и опыта эксплуатационного контроля ЗУ, выполненных по напряжению прикосновения, породили это альтернативное решение.
В настоящее время специализированные организации обладают достаточной теоретической базой и мощными программами для расчета сложных неэквипотенциальных заземлителей в не-однородных грунтах [3, 4]. Повсеместно освоена практика приемо-сдаточных и эксплуатационных измерений напряжений прикосновения [5]. Поэтому в настоящее время заземляющие устройства КТПБ следует проектировать и эксплуатировать только по нормам на напряжение прикосновения. Эта необходимость, кроме того, часто обусловлена малыми площадями КТПБ и большими удельными сопротивлениями грунтов.
Таким образом, заземляющее устройство КТПБ должно обеспечить нормируемые значения:

• напряжения на заземляющем устройстве,
• напряжений прикосновения к оборудованию.

Рассмотрим вначале принципы обеспечения нормируемых напряжений прикосновения. На рис. 1 представлены изменения ожидаемых напряжений прикосновения в зависимости от размеров ячейки квадратного контура 50 x 50 м² при постоянном напряжении на ЗУ, равном 5 кВ. Как и следует из теории заземлений, напряжения прикосновения на периферии ЗУ больше, нежели в его центре. Напряжения прикосновения над полосой увеличиваются с увеличением размеров ячейки, но в значительно меньшей степени, чем напряжения в центре ячейки. Над полосой крайней ячейки это увеличение самое незначительное. Тем не менее обращает на себя внимание тот факт, что при размерах ЗУ 50 x 50 м² (характерных для КТПБ с двумя трансформаторами) ожидаемые напряжения прикосновения могут превышать норму.
Традиционный путь их снижения – укладка выравнивающих сеток на рабочих местах [5] и покрытие территории КТПБ щебнем. Эти меры можно применять при проектировании КТПБ. Необходимость обеспечения нормируемого напряжения на заземляющем устройстве вызывает дополнительные конструктивные решения, которые также снижают напряжения прикосновения.
Напряжение на заземляющем устройстве U_з – это произведение сопротивления заземляющего устройства Rзу на потенциалоповышающий ток I_пп , т.е. U_з = R_зуI_пп .
Применительно к КТПБ 110 кВ потенциалоповышающий ток – это ток однофазного короткого замыкания за вычетом доли, оттекающей от подстанции по грозозащитному тросу. Расчеты показывают, что при стальных тросах эта доля может достигать 20%, а при сталеалюминиевых – 80% от тока короткого замыкания. Сопротивление ЗУ зависит прежде всего от его площади. В хорошо проводящих подстилающих слоях грунта для снижения сопротивления эффективно применение вертикальных глубинных (скважинных) заземлителей. Однако большинство грунтов России, среди которых немало многолетнемерзлых, не имеет указанного строения. Кроме того, скважинные заземлители достаточно дорогие: стоимость проходки 1 м скважины достигает 10000 рублей. Поэтому чаще снижение сопротивления ЗУ обеспечивается увеличением площади последнего (S) в соответствии с выражением:

(1)

где r_экв – эквивалентное удельное сопротивление грунта.

Таким образом, типовое заземляющее устройство КТПБ должно содержать стандартную для каждого из типов КТПБ сетку, укладываемую на территории, занятой оборудованием, и внешний контур, выходящий за территорию подстанции. Этот внешний контур должен охватывать как минимум концевые опоры ВЛ. Сетка на территории подстанции, охватывающая оборудование, может в соответствии с п. 1.7.92 ПУЭ [1] укладываться на глубине 0,3 м. Внешний контур, выходящий за пределы ограждения электроустановки, следует прокладывать на глубине не менее 1 м. Эти требования и всё вышесказанное приводят к принципиальному конструктивному решению ЗУ КТПБ, показанному на рис. 2.
Заземляющее устройство КТПБ наиболее эффективно выполнять в виде «двухслойной» конструкции [7]. Верхнюю сетку 1, укладываемую на глубину 0,3 м, будем называть «технологической». Нижний, в общем случае двухконтурный заземлитель с поперечными полосами 2 будем называть «потенциалоснижающим». Малый (внутренний) контур 2а потенциалоснижающего заземлителя охватывает территорию подстанции с внешней стороны и может включать в себя концевые опоры 6–110 кВ. Большой (внешний) контур 2б имеет размеры, определяемые расчетом, и конфигурацию применительно к местности. Например, он может быть прямоугольным, с соотношением сторон не менее чем 1:2, при этом выражение (1) остается в силе. Оба контура соединяются между собой крестообразным горизонтальным заземлителем, показанным на рисунке. Технологическая сетка и потенциалоснижающий двухконтурный заземлитель соединяются не менее чем в 4-х местах вертикальными перемычками 3а. У входов и въездов на ПС укладываются наклонные заземлители 3б, которые соединяют технологическую сетку с контуром, охватывающим подстанцию. Ранее нами было показано, что применение наклонных заземлителей у входов и въездов на подстанцию наиболее эффективно [6, 7].

Наличие подстилающего двухконтурного заземлителя не только регулирует напряжение на ЗУ, но и заметно снижает долю тока, стекающего с верхней технологической сетки. Это можно видеть на рис. 3. На рисунке показана зависимость доли стекающего с нижнего двухконтурного заземлителя тока к общему потенциалоповышающему току в зависимости от размеров нижнего контура. Видно, что «отток» тока с технологической сетки весьма высок и мало зависит от неоднородности грунта. Малый ток, стекающий с технологической сетки, уменьшает градиенты потенциала на поверхности грунта у оборудования, то есть ожидаемые напряжения прикосновения. Это можно видеть на рис. 4, 5, 6. На рисунках показаны зависимости значений коэффициентов прикосновения: a_пр = U_{пр. ожид} / U_з от размеров потенциалоснижающего заземлителя.
Над полосой технологической сетки эти значения ниже, чем в центре ячеек. В однородном грунте и грунте, повышающем свое сопротивление с глубиной, они достаточно малы. Если грунт имеет нижние слои, более проводящие, чем верхние, то значения коэффициентов прикосновения и ожидаемые напряжения прикосновения выше, чем в предыдущих случаях. Как уже говорилось ранее, в этом случае в качестве потенциалоснижающих элементов можно использовать глубинные скважинные заземлители при соответствующем технико-экономическом обосновании. Однако более эффективной мерой будет, по-видимому, засыпка территории подстанции щебнем. Это может понизить напряжение прикосновения по сравнению с ожидаемым в 10 и более раз.

Приведенные результаты показывают, что проектирование и сооружение заземляющих устройств комплектных трансформаторных подстанций наиболее целесообразно выполнять по следующему алгоритму.

• Для каждого типа КТПБ 110 кВ единожды проектируется стандартный заземлитель в виде технологической сетки, укладываемой на глубине 0,3 м, и внешнего контура, охватывающего концевые опоры и укладываемого на глубину 1 м. Внутри внешнего контура прокладывается крестообразный заземлитель, который соединяется вертикальными перемычками с технологической сеткой (см. рис. 2, 3а). Наклонные заземлители между технологической сеткой и внешним контуром (рис. 2, 3б) укладываются у всех входов и въездов на подстанцию.
• С учетом наличия грозозащитных тросов ВЛ 110 кВ по току однофазного короткого замыкания рассчитывается потенциалоповышающий ток Iпп.
• По значению Iпп и нормативному значению Uз определяется требуемое сопротивление ЗУ – RЗУ расч.
• По электрическим характеристикам грунта и RЗУ расч находится размер потенциалоснижающего контура. В зависимости от рельефа местности и окружающих сооружений выбирается конфигурация контура по условию равенства площадей расчетного и реального контуров.

• Перед началом монтажа оборудования КТПБ на площадке сооружается потенциалоснижающий заземлитель, укладываемый на глубине 1 м. Он включает (см. рис. 2): внешний контур 2б, контур вокруг ПС с концевыми опорами 2а, крестообразный горизонтальный заземлитель внутри контуров и соединительные элементы 3а и 3б.
• При монтаже оборудования подстанции на глубину 0,3 м укладывается технологическая сетка 1 и соединяется с потенциалоснижающим заземлителем при помощи соединительных элементов 3а и 3б.
• Если это предусмотрено проектом, выполняется подсыпка территории ПС щебнем или гравием.

Как видно из таблицы, параметры обоих вариантов удовлетворяют определенным нормам. Первый вариант (только технологическая сетка) обеспечивает напряжение на заземляющем устройстве ниже 10 кВ. При выносе потенциала с ПС и необходимости снижения Uз до 5 кВ выбирается второй вариант с потенциало-снижающим заземлителем. Если длительность отключения однофазных КЗ такова, что допустимые напряжения прикосновения больше, чем указанные в таблице, территория подстанции, особенно по периферии, засыпается щебнем. Общая картина распределения потенциалов на территории КТПБ показана на рис. 8.

1. Правила устройства электроустановок. Раздел 1. Общие правила. Главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9. Раздел 7. Электрооборудование специальных установок. Главы 7.5, 7.6, 7.10. – 7-е изд. – М.:Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. – 184 с.
2. 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.
3. Нестеров С.В. Применение интегральных уравнений для расчета заземлителей произвольной конфигурации в неоднородном грунте // Вторая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов / Под ред. Ю.В. Целебровского – Новосибирск: Сибирская энергетическая академия, 2005. – С. 51–58.
4. Борисов Р.К., Петров С.Р. Компьютерные программы для анализа и проектирования устройств заземления и молниезащиты // Первая Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов / Под ред. Ю.В. Целебровского – Новосибирск: Сибирская энергетическая академия, 2002. – С. 41–43.
5. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. РД 153-34.0-20.525-00. – М.: Служба передового опыта ОРГРЭС, 2000. – 64 с.
6. Нестеров С.В. Выравнивание потенциала у входов и въездов на территорию электроустановки. Совершенствование технических средств электрического транспорта: Сборник научных трудов. – Новосибирск: НГТУ, 2001. – С. 144–148.
7. Целебровский Ю.В., Вайвод Е.А., Зырянов В.И., Селиванов А.Г. Заземляющее устройство. Авторское свидетельство № 762696. Заявл. 25.12.1978 г.