Заземляющие устройства

Заземляющее устройство энергообъекта занимает важнейшее место не только в обеспечении нормальной работы первичного оборудования и электробезопасности на подстанциях и электростанциях, но и в обеспечении ЭМС микропроцессорной аппаратуры, размещенной на объектах электроэнергетики.
Статья наших московских авторов посвящена вопросам определения низкочастотных характеристик заземляющих устройств подстанций и  электростанций.

ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ПОДСТАНЦИЙ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Вопросы измерения параметров

Михаил Матвеев, к.ф.-м.н., директор
Михаил Кузнецов, к.ф.-м.н., технический директор
Алексей Ковалев, главный инженер проекта
ООО «ЭЗОП», г. Москва

В документах, регламентирующих методы определения параметров заземляющего устройства (ЗУ) на энергообъектах, ряд вопросов до сих пор остается не до конца проясненным. Более того, некоторые методики оказываются спорными, а действующие НТД не всегда соответствуют современным требованиям.

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЯЗИ ЭЛЕКТРОАППАРАТОВ И КОНСТРУКЦИЙ С ЗУ

При коротких замыканиях (КЗ) в сетях выше 1 кВ на энергообъектах в общем случае подпитка тока КЗ будет осуществляться как от системы, так и от трансформаторов (автотранс-форматоров). Распределение потенциалов по ЗУ при этом будет иметь вид, показанный на рис. 1.

Рис. 1. Распределение потенциалов при КЗ на ПС

Между электроаппаратом (ЭА) или конструкцией, на которой произошло КЗ, и другими точками на ЗУ объекта будут возникать разности потенциалов. Если ЭА/конструкция имеет удовлетворительную металлосвязь с ЗУ, то такие разности будут относительно небольшими (десятки–сотни вольт). Если же связь с ЗУ неудовлетворительная, то разности потенциалов могут достигать нескольких единиц и даже десятков киловольт (в самом худшем случае, когда ЭА не связан с ЗУ, потенциал на нем при однофазном КЗ на землю будет стремиться к величине номинального фазного напряжения сети).

Распределение по ЗУ потенциалов в результате КЗ не должно приводить к пробою изоляции кабелей вторичных цепей и повреждению вторичной микропроцессорной (МП) аппаратуры, подключенной к этим цепям. Для этого разность потенциалов, прикладываемая к изоляции кабелей вторичных цепей и входам МП аппаратуры, не должна превышать прочность изоляции. Прочность изоляции вторичных цепей может составлять 1,2 кВ (согласно ГОСТ 50571-4-44-2011) или 2 кВ (для кабелей КВВГэ согласно [1]) или иметь другое значение в зависимости от типа кабеля. Прочность изоляции входов аппаратуры составляет, как правило, не менее 2 кВ. Для определенности в дальнейшем будем рассматривать величину 2 кВ.

Для обеспечения целостности изоляции кабелей вторичных цепей и безаварийной работы МП-аппаратуры при возникновении КЗ, разность потенциалов между любыми точками на всем протяжении прокладки кабелей вторичных цепей не должна превышать 2 кВ (если используются кабели КВВГэ).

На практике наиболее удобным способом определения соответствия той или иной величины (получаемой в ходе измерений или расчетов) некоторому условию является ее сравнение с некоей допустимой величиной, критерием.

Эта величина, характеризующая качество металлосвязи ЭА/конструкций с ЗУ, должна зависеть от величины тока КЗ в высоковольтной сети.

В то же время для ЭА, к которым подходят вторичные цепи, указанный критерий должен быть таким, чтобы определять именно ту разность потенциалов, которая в результате КЗ будет приложена к изоляции кабелей вторичных цепей и входам аппаратуры. Поэтому для практического применения требуется критерий, который для значений сопротивлений связи с ЗУ, полученных при определенной схеме измерения, позволит определять разности потенциалов между ЭА (одной из точек, куда подходят вторичные цепи) и вторичной микропроцессорной аппаратурой (другой точкой, к которой вторичные цепи подключены).

Для конструкций, к которым не подходят вторичные цепи, такой критерий может оказаться слишком жестким, и критерием надежности связи с ЗУ будет значение напряжения прикосновения. Однако поскольку в НТД нет в настоящее время различия в критерии для тех конструкций, к которым подходят вторичные цепи, и тех конструкций, к которым они не подходят, в этой статье мы не будем заострять внимание на этом и ограничимся рассмотрением только первого случая.

Методики измерения

Методика определения сопротивления связи с ЗУ описана в РД 153-34.0-20.525-00 ([2]) и СТО 56947007-29.130.15.105-2011 ([3]). При этом последний документ не отменяет первый, однако если [2] распространяется на все объекты электроэнергетики, то [3] – только на объекты ЕНЭС.

В [2] методика измерения описана только для трансформаторов, величина критерия не зависит ни от чего и составляет 0,2 Ом. Поэтому в дальнейшем этот документ рассматриваться не будет. В [3] методика распространяется на все ЭА и конструкции, а величина критерия связи с ЗУ зависит только от величины тока КЗ и описывается формулой: R(Ом) < 2 кВ / I_кз (кА).

Теперь рассмотрим методику определения сопротивления связи ЭА с ЗУ, описанную в п. 8.2 [3] (в документе эта методика обозначена как «измерение сопротивления металлосвязи»). Схема измерения приведена на рис. 2. При этом в качестве опорной точки рекомендуется выбрать металлоконструкцию или заземляющий проводник электроустановки со значением сопротивления связи с ЗУ не более 0,05 Ом. В качестве таких металлоконструкций или электроустановок предлагается использовать металлические основания ЗРУ, трансформаторы (Т), автотрансформаторы (АТ) или другие ЭА, имеющие удовлетворительную металлосвязь с точкой заземления нейтралей силовых Т (АТ).

Рис. 2. Схема измерения сопротивления связи ЭА с ЗУ согласно [3]

Если теперь рассмотреть эпюры напряжения на ЗУ, то мы увидим, что получаемые результаты (см. рис. 3, схема измерения V1), в случае реализации указанной выше схемы измерений, не будут соответствовать разностям потенциалов при КЗ, возникающих между концами кабелей вторичных цепей. При использовании схемы измерения, описанной в п. 8.2 [3], в качестве результата будем получать разность потенциалов между ЭА и опорной точкой (в данном случае АТ), а не между ЭА и МП-аппаратурой в ОПУ. Получаемые в ходе реализации описанной выше схемы измерений данные не дают нам интересующей информации, поскольку ЭА и, например, АТ не связаны между собой вторичными цепями. В общем случае ЭА и металлоконструкции/электроустановки, рекомендуемые для использования в качестве опорной точки, либо не связаны между собой вторичными цепями, либо не являются источниками тока подпитки КЗ.

Рис. 3. Схемы измерения сопротивления связи (согласно пп. 8.2, 8.8 [3])

На рис. 3 представлена эпюра напряжения на ЗУ. Получаемые в ходе измерений значения напряжения U₁ значительно превосходят значения напряжений U'₂ и U''₂, которые прикладываются к изоляции кабелей вторичных цепей и входам МП-аппаратуры при КЗ. В некоторых случаях возможно более чем двукратное превышение разностей потенциалов по сравнению со схемой «определения распределения потенциалов по элементам ЗУ при КЗ», описанной в том же документе [3] в п. 8.8. Тогда может оказаться, что величина сопротивления связи с ЗУ отдельных ЭА, измеренная в соответствии со схемой на рис. 2, будет превышать предельно допустимый критерий, полученный из выражения R(Ом) < 2 кВ / I_кз (кА). При этом имитация КЗ, выполненная согласно п. 8.8 [3], покажет, что распределение потенциалов по ЗУ в результате КЗ на выбранных ЭА не будет представлять опасности для изоляции кабелей вторичных цепей и вторичной аппаратуры.

Таким образом, измерения сопротивления связи покажут необходимость улучшать ЗУ большого числа ЭА/конструкций, тогда как имитация КЗ не выявит такой необходимости.

Реальные измерения

Рассмотрим результаты практических измерений, полученные на ОРУ 110 кВ одной из ПС ЕНЭС, ЗУ которой было обследовано с применением различных методов. АТ 220/110 кВ расположены на расстоянии 150–200 метров от ОПУ и на расстоянии 70–100 метров от ОРУ 110 кВ. Величина суммарного тока КЗ в сети 110 кВ равна 20 кА, при этом величина тока подпитки КЗ от АТ составляет 10 кА.

Измеренные согласно методике, описанной в пункте 8.2 [3], значения сопротивлений связи ЭА с ЗУ лежат в диапазоне от 0,11 до 0,13 Ом в зависимости от места расположения ЭА и конструкций.

Полученные по методике, предложенной в п. 8.8 [3], в ходе имитации КЗ с подпиткой от автотрансформатора значения сопротивлений лежат в диапазоне 0,06–0,07 Ом. Значения сопротивлений в случае имитации КЗ с подпиткой от системы лежат в диапазоне 0,05–0,06 Ом.

В результате имитации КЗ по методике, описанной в п. 8.8 [3], разность потенциалов между ЭА и ОПУ составляет от 1,1 до 1,3 кВ (что меньше максимально допустимых 2 кВ). Но величина критерия удовлетворительной связи с ЗУ ЭА/конструкций в соответствии с выражением R(Ом) < 2 кВ / I_кз (кА) из пункта 8.2 [3] составляет 0,1 Ом. То есть это означает, что все без исключения ЭА не имеют удовлетворительной связи с ЗУ (ведь сопротивление связи лежит в диапазоне 0,11–0,13 Ом).

Получается противоречие: с одной стороны, все ЭА имеют неудовлетворительную металлосвязь с ЗУ, а с другой – в результате КЗ разности потенциалов, прикладываемые к изоляции кабелей и входам МП-аппаратуры, не превысят допустимого значения (2 кВ).

Но это не единственный недостаток предлагаемого в п. 8.2 [3] критерия: в некоторых случаях может оказаться, что критерий занижен. ЭА или конструкция, для которых сопротивление связи будет удовлетворять критерию, могут тем не менее оказаться недостаточно эффективно связаны с ЗУ, так что при КЗ разность потенциалов между такими ЭА или конструкциями и ОПУ может превышать 2 кВ. Такие ситуации возможны, когда ОРУ (или любой обследуемый электроаппарат) и опорная точка (например, трансформатор) находятся намного ближе друг к другу, чем к зданию с аппаратурой (ОПУ, РЩ, ГЩУ и т.п.).

Аналогичная ситуация может наблюдаться и на ПС с любой конфигурацией, когда обследуемый ЭА/конструкция находится вблизи (5–15 метров) опорной точки (например, трансформатора).

Также подобные случаи будут фиксироваться при наличии большого числа естественных заземлителей (например, брони кабелей 6 или 10 кВ), уходящих за пределы ПС на объект с большим по площади ЗУ (например, на близко расположенное промышленное предприятие), особенно при удельном сопротивлении грунта 100–500 Ом·м и выше. На таких тупиковых ПС большая часть подпитки тока КЗ будет осуществляться от системы. В результате сопротивление связи как для ЭА на ОРУ, так и для здания ОПУ окажется ниже критерия, однако разность потенциалов между ЭА и ОПУ при КЗ может оказаться выше 2 кВ.

Примерный вид модели ЗУ такой ПС приведен на рис. 4. При использовании в расчете значения удельного сопротивления грунта 300 Ом·м сопротивление связи между ЭА на ОРУ (110 кВ и выше) и трансформатором будет на 15–20% ниже сопротивления, полученного при имитации КЗ (на том же ЭА) с подпиткой тока КЗ только от системы. В этом случае при токе КЗ 20 кА сопротивление связи ЭА с ЗУ (так же как и ОПУ с ЗУ) будет удовлетворять критерию п. 8.2 [3], однако разность потенциалов между ЭА и ОПУ при КЗ на этом ЭА будет превышать 2 кВ.

Рис. 4. Модель ЗУ ПС (110 кВ и выше), кабели 6 или 10 кВ с которой уходят на расположенный вблизи промышленный объект

Решение проблемы

Для устранения описанного выше противоречия предлагается два варианта: первый – изменить подход к определению величины критерия «удовлетворительности» сопротивления связи, второй – изменить непосредственно методику измерения сопротивления связи.

В первом случае предлагается, не меняя схему измерения сопротивления связи ЭА с ЗУ, изменить сам критерий. Для этого после проведения измерений сопротивлений связи в соответствии с п. 8.2 [3] для всех требуемых (в соответствии с техническим заданием) ЭА и конструкций в пределах одного РУ надо выполнить имитацию КЗ как с подпиткой от системы, так и с подпиткой от трансформаторов в соответствии с п. 8.8 [3] для части ЭА. Проведение указанных измерений является обязательным для любой ПС, и предлагаемый вариант не предполагает проведение дополнительных измерений. В результате для всех ЭА/конструкций получаем значения сопротивления связи, а для некоторых из них – несколько значений сопротивлений, полученных при имитации КЗ. При этом необходимо следовать определенным правилам при выборе ЭА для проведения имитации КЗ. Это не должны быть ЭА с явно завышенным сопротивлением связи, поскольку для таких ЭА разность потенциалов при КЗ заведомо превысит 2 кВ. Выбираемые ЭА должны иметь сопротивление связи, лежащее вблизи верхней границы диапазона сопротивлений, полученных для данного РУ. Как правило, это ЭА, расположенные на краях ОРУ и т.п.

Величину критерия определяют пересчетом, исходя из сопоставления результатов измерений сопротивления связи и результатов измерений имитации КЗ. Например, для случая, когда на ПС имеется несколько трансформаторов (обозначим буквой n число трансформаторов, от которых возможна подпитка тока КЗ на выбранном ОРУ) и подпитка тока КЗ происходит как от системы, так и от трансформаторов, формула для определения критерия будет следующей:

где I_C и I_T–k – токи подпитки КЗ от системы и от k-го трансформатора (автотрансформатора) соответственно (кА);
R_{C_i} и R_{T-k_i} – сопротивления, полученные при имитации КЗ с подпиткой от системы и k-го трансформатора (автотрансформатора) соответственно для i-го электроаппарата (Ом);
R_{CB_i} – сопротивление связи для i-го электроаппарата (Ом);
U_доп – допустимое напряжение, которое может быть приложено к изоляции кабелей (например, 2 кВ).

«Min» означает, что выбирается минимальное значение из набора значений, соответствующих разным ЭА.

Говоря о методике определения критерия связи ЭА с ЗУ, необходимо отметить также, что выбор критерия будет различным для различных групп цепей. Естественно, если цепи проходят между каким-либо зданием с МП-аппаратурой и РУ определенного класса напряжения, то для таких цепей критерий качества связи будет отличаться от критерия для цепей, проходящих на РУ другого класса напряжения. Но даже в случае, когда разные цепи выходят на одно РУ, критерий для них может быть разным, если они идут из разных зданий. Поэтому при выборе критериев необходимо сразу разбить все цепи на соответствующие группы.

Возвращаясь к описанному выше первому примеру ПС, видно, что при КЗ разность потенциалов между ЭА и ОПУ превысит 2 кВ в случае, если для какого-либо ЭА сопротивления, полученные при имитации КЗ, будут составлять > 0,1 Ом как для подпитки от системы, так и для подпитки от трансформаторов. В этом случае сопротивление связи с ЗУ, измеренное согласно п. 8.2 [3], будет составлять ~0,22 Ом и выше (и именно это значение будет критерием). Конечно, такое определение критерия является чуть более трудоемким, однако не составляющим большого труда для квалифицированного инженера, и самое главное – снимающим противоречие, заложенное в [3].

Альтернативой указанному выше способу определения величины критерия «удовлетворительности» сопротивления связи с ЗУ является изменение схемы измерения сопротивления связи. При этом предлагается использовать одну из известных схем, применяемых при имитации КЗ.

Так, для случаев ПС, на которых доля подпитки тока КЗ от системы значительно преобладает над долей подпитки от трансформаторов, рекомендуется использовать схему, когда генератор и амперметр включены между тестируемым ЭА/конструкцией и измерительным зондом, вынесенным за пределы ПС (схема имитации КЗ с подпиткой от системы). Если же на ПС доля подпитки тока КЗ от системы сравнима с долей подпитки от трансформатора, рекомендуется использовать схему, когда генератор и амперметр включены между тестируемым ЭА/конструкцией и Т(АТ). В этом случае схема измерений совпадает со схемой имитации КЗ с подпиткой от трансформатора.

В обоих случаях критерий необходимо определять также с помощью пропорционального пересчета, однако в предложенном способе он будет значительно проще.

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ СВЯЗИ ЭА С ЗАЗЕМЛЯЮЩИМИ ПРОВОДНИКАМИ

При определении состояния ЗУ объекта, помимо сопротивления связи ЭА/конструкций с ЗУ, проводится также измерение величины переходного сопротивления контактных соединений заземляющих проводников с оборудованием. Величина переходного сопротивления определяет качество связи между ЭА/конструкцией и заземляющим проводником. Значение критерия достаточности этой связи является постоянным и составляет 0,05 Ом. Методика определения переходного сопротивления описана в п. 8.2 [3].
Очень важно понимать отличие этого измерения от измерения сопротивления связи с ЗУ (или «металлосвязи» в терминах [3]). Величина переходного сопротивления дает информацию только о качестве связи ЭА или конструкции с заземляющим проводником и не дает никакой информации о состоянии ЗУ и связи ЭА/конструкции с единым ЗУ энергообъекта.

ЭА может быть присоединен к заземляющему спуску, переходное сопротивление контакта которого составляет 0,01 Ом, но при этом заземляющий проводник может быть не связан с ЗУ (в силу коррозии, подземного дефекта монтажа и т.п.). Однако зачастую организации, заказывающие или осуществляющие обследование ЗУ ПС, ограничиваются определением только переходного сопротивления. Паспорта ЗУ, в которых представлены результаты измерений только величин переходных сопротивлений, – не редкость на российских энергообъектах. Но наличия только этих данных недостаточно для выдачи заключения о том, что ЗУ способно обеспечить надежную и безопасную эксплуатацию первичного и вторичного оборудования энергообъекта в нормальном и аварийном режимах работы.

Отдельно следует отметить, что само значение критерия переходного сопротивления и его независимость от тока КЗ может являться неприемлемым в некоторых ситуациях. Так, при высоких значениях токов КЗ (40–50 кА или выше) и при сопротивлении участка ЭА–заземлитель на уровне 0,04–0,05 Ом могут возникать неприятные последствия КЗ: перегрев выше допустимой нормы заземляющих проводников или пробой изоляции вторичных цепей на этом участке. Конечно, такие ситуации могут быть выявлены посредством других измерений и расчетов, но в этом случае возникает вопрос о целесообразности измерения переходного сопротивления с тем критерием, который имеется на сегодняшний день. Поэтому представляется необходимым в настоящее время также и изменение критерия для переходного сопротивления.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРЕВА ПРИ КЗ

При КЗ протекание части тока КЗ по таким естественным и искусственным заземлителям, как экраны/броня кабелей и элементы ЗУ, будет приводить к их нагреву. Величина нагрева определяется частью тока, протекающего по этим заземлителям.

Поэтому еще один тип измерений, обязательно проводимых на энергообъектах при определении состояния ЗУ, на который хотелось бы обратить внимание, – это распределение тока по элементам ЗУ при имитации КЗ (согласно терминологии п. 8.8 [3]). Цель этих измерений – определение долей тока, растекающегося от ЭА по всем (естественным и искусственным) заземлителям, а именно: по заземляющим проводникам, трубопроводам, металлоконструкциям и металлическим оболочкам кабелей.

Необходимо выяснить, до какой максимальной температуры нагреется естественный или искусственный заземлитель при протекании по нему части тока КЗ. Наиболее важным здесь является определение величины тока, протекающего в первую очередь по проводящим оболочкам кабелей, поскольку термическая стойкость заземляющих проводников (400 °С) выше, чем изоляция кабелей (150 °С). И здесь следует обратить внимание на то, что в [3] определение доли тока КЗ, протекающего по оболочкам кабелей, предусматривается только при проведении измерений по имитации КЗ, т.е. не для всех ЭА, а только для некоторых, для которых КЗ наиболее опасно. Однако такие измерения необходимо проводить для всех ЭА, от которых отходят кабели вторичных цепей с заземленными с двух сторон проводящими оболочками. Справедливости ради необходимо отметить, что в образцах протоколов, приведенных в [3], предусмотрены такие измерения для всех ЭА. Они позволяют более точно, чем при расчетах, определить долю тока КЗ, протекающего по проводящим оболочкам кабелей, поскольку на величину тока будут оказывать заметное влияние переходные сопротивления в местах заземления экранов/брони кабелей.

Кроме того, определение тока, протекающего по заземленным с двух сторон экранам/броне вторичных кабелей, позволяет использовать более точную формулу для расчета температуры нагрева (приведенную в [4] и использующую значение тока), чем приведенную в [3] в разделе 8.9 формулу, использующую разность потенциалов.

Дело в том, что разность потенциалов между, например, ЭА и ОПУ, приложенная к двум разным кабелям, проходящим между этими точками, всегда будет одинакова, тогда как ток, протекающий по экранам таких кабелей, может существенно отличаться ввиду различия сопротивлений (например, из-за разного качества монтажа заземления экранов, различной длины кабелей, различного материала экранов и т.п.). Следовательно, и температура нагрева данных кабелей будет отличаться, тогда как использование методики раздела 8.9 [3] не покажет нам этого очевидного различия (подробнее о недостатках указанной формулы написано в [5 и 6]).

Кроме того, следует особо отметить, что при определении доли тока, растекающегося по экранам кабелей, необходимо рассматривать все возможные случаи, а именно:

• когда клеммный шкаф располагается на ЭА и имеется только один участок кабеля от ЭА до ОПУ/РЩ;
• когда клеммный шкаф находится не на ЭА, а в нескольких метрах от него и имеется два участка кабеля: от ЭА до клеммного шкафа и от клеммного шкафа до ОПУ/РЩ.

Во втором случае нагрев короткого участка кабеля (от ЭА до клеммного шкафа) будет значительно больше, чем длинного участка (от клеммного шкафа до ОПУ/РЩ), и даже больше, чем нагрев экрана кабеля в первом случае. Это следует обязательно учитывать при определении максимального нагрева экранов кабелей и соответственно при разработке защитных мероприятий.

ВЫВОДЫ

Рассмотрение вопросов, возникающих при определении параметров ЗУ энергообъектов на низкой частоте, позволяет сделать следующие выводы:

1. Современные НТД в области определения параметров ЗУ должны быть переработаны. При переработке НТД необходимо устранить все внутренние противоречия, в первую очередь касающиеся методики определения критерия эффективности металлосвязи ЭА/конструкций с ЗУ.
2. Необходимо внести коррективы и в другие методики, в частности, потребовать проводить оценку доли тока, растекающейся по естественным заземлителям, для всех ЭА и конструкций на энергообъектах (например, в рамках проведения измерений по определению качества связи с ЗУ).
3. Требуется выпустить единый документ по контролю ЗУ, распространяющийся не только на объекты ЕНЭС, но и на все виды ЭС (возможно, кроме атомных) и ПС 110 кВ и ниже, не относящиеся к ЕНЭС. При этом работу над документом нужно проводить с привлечением широкого круга специалистов в области ЗУ и ЭМС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. РД 153-34.0-20.525-00.
2. Методические указания по контролю состояния заземляющих устройств электроустановок. СТО 56947007-29.130.15.105-2011.
3. Методические указания по обеспечению электромагнитной совместимости на электросетевых объектах ЕНЭС. СТО-56947007-29.240.044-2010.
4. ГОСТ 28895-91. Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева.
5. Матвеев М.В., Кузнецов М.Б., Березовский В.Н. Новые стандарты ФСК по заземляющим устройствам ПС 6–750 кВ. Неточности и противоречия // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 4(76).
6. Таламанов О.В., Селезнев А.Н. Контрольные кабели. Расчетная оценка нагрева экранов // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 6(78).