< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал 2(92) 2015 год

Заземление и защитные меры безопасности

Эксплуатация ВЛ в северных областях России имеет ряд особенностей, оказывающих существенное влияние на надежность электроснабжения. Одна из основных особенностей – наличие тяжелых грунтовых условий. В большинстве случаев ВЛ проходят по территориям с вечной мерзлотой и с высокоомными песчаными грунтами. Как правило, удельное сопротивление грунта в местах расположения ВЛ составляет не менее 1 кОм·м, а в ряде районов достигает и существенно больших значений.
Это приводит к тому, что грозоупорность ВЛ на севере России оказывается существенно ниже, чем в центральной части страны, при применении тех же мероприятий по обеспечению грозовой устойчивости. Решение вопроса – крайне актуальная задача, по мнению Олега Викторовича Таламанова.

Олег Таламанов,
к.т.н., генеральный директор,
ООО «Интер Энерго», г. Москва

ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ОПОР ВЛ
Эффективность в условиях высокоомных грунтов

В грозовой период наблюдается массовое отключение ВЛ, связанное с грозовой активностью [1–3]. Для повышения грозовой устойчивости ВЛ (ГУ ВЛ) в настоящее время используются следующие способы:

установка на ВЛ грозотроса (грозотросов);
усиление заземления опор ВЛ;
прокладка противовесов (заземлителей вдоль ВЛ);
усиление линейной изоляции ВЛ;
установка на опорах на фазы устройств ограничения перенапряжений.

Конечно, комплексное применение всех способов позволяет существенно повысить уровень ГУ ВЛ, однако это дорого и трудноосуществимо.

Применяемые мероприятия по обеспечению ГУ ВЛ должны иметь наивысшие технико-экономические показатели, то есть обеспечивать заданный уровень ГУ ВЛ при минимальной стоимости этих мероприятий. Актуальной задачей является разработка и выбор мероприятий, обладающих наиболее высокими техническими и экономическими показателями.

Одним из основных мероприятий, позволяющих повысить уровень ГУ ВЛ, является усиление заземления опор ВЛ.

Этот способ позволяет уменьшить сопротивление растеканию заземляющего устройства (ЗУ) опор ВЛ, снижая тем самым импульсный потенциал, возникающий при разряде молнии в опоры ВЛ и в грозотрос, а также вероятность перекрытия линейной изоляции и отключения ВЛ. Существенное снижение сопротивления растеканию ЗУ опор ВЛ позволяет значительно повысить уровень ГУ ВЛ.

В настоящее время ПУЭ (п. 2.5.129) регламентирует требования к величине сопротивления растеканию ЗУ опор ВЛ. В соответствии с требованиями [4] сопротивление растеканию ЗУ опор ВЛ, в зависимости от грунтовых условий, не должно превышать 10–30 Ом.

В то же время технически и экономически целесообразным может являться достижение иных сопротивлений растеканию ЗУ опор ВЛ. Так например, в случае расположения ВЛ в исключительно тяжелых грунтовых условиях (десятки кОм·м) достижение значения сопротивления растеканию ЗУ опор ВЛ, регламентируемого [4], может оказаться экономически нецелесообразным вследствие крайне высокой стоимости ЗУ. В этом случае обеспечение ГУ ВЛ может быть достигнуто другими способами, которые могут оказаться более эффективными. И наоборот, в случае если наиболее дешевым способом обеспечения ГУ ВЛ окажется усиление заземления, целесообразно будет снизить сопротивление ЗУ ниже требований [4].

Вопрос о необходимом уровне снижения сопротивления растеканию ЗУ должен решаться комплексно, с учетом влияния других способов повышения ГУ ВЛ.

Необходимое значение сопротивления растеканию ЗУ опор ВЛ может быть достигнуто путем применения различных схем заземления. Цель настоящей работы – исследование эффективности различных схем организации ЗУ и выбор наиболее эффективных из них с технико-экономической точки зрения.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Растекание импульсного тока с опоры ВЛ обеспечивается фундаментом опоры, который представляет собой естественный заземлитель, а также дополнительно устанавливаемыми искусственными заземлителями.

Для организации искусственного заземления используются горизонтальные и вертикальные заземлители.

Горизонтальные заземлители представляют собой полосовую либо прутковую сталь сечением, как правило, 160–200 мм². В настоящее время основным используемым типом стали, применяемой в качестве горизонтальных заземлителей, является полосовая оцинкованная сталь сечением 4х40 мм.

Применяемые сейчас вертикальные заземлители, как правило, представляют собой модульные конструкции из вертикально устанавливаемых оцинкованных либо омедненных стержней диаметром 14–20 мм. Длина используемого модуля вертикального заземлителя – 3–5 м.

Также активно исследуется возможность применения альтернативных систем заземления, например соляных [5] либо графитовых заземлителей [6]. На основе указанных систем заземления уже реализуются отдельные проекты, которые должны подтвердить эффективность альтернативных систем заземления.

Существующие схемы заземления опор ВЛ можно подразделить на несколько типов (рис. 1):

лучевые ЗУ, в которых растекание тока обеспечивается отдельными лучевыми заземлителями;
периметральные ЗУ, в которых для улучшения растекания токов вокруг лучевых заземлителей дополнительно организуется периметральный заземлитель;
усиленные ЗУ, в которых для усиления ЗУ используются дополнительные лучевые и периметральные заземлители.

Рис. 1. Типы существующих заземляющих устройств:
а) лучевые ЗУ;
б) периметральные ЗУ;
в) усиленные ЗУ

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСТЕКАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА

Для определения технических характеристик ЗУ различного типа выполнено моделирование стекания импульсных токов с ЗУ с использованием программного комплекса «Контур». Моделирование выполнено для опоры ВЛ 110 кВ типа П110-2 с фундаментом, состоящим из четырех железобетонных элементов типа Ф5-4 (рис. 2):

горизонтальные заземлители – полосовая сталь сечением 4х40 мм, проложенная на глубине 0,5 м;
вертикальные заземлители – стальные стержни диаметром 16 мм, длиной 5 м.

Рис. 2. Элемент фундамента опоры типа Ф5-4

Моделирование сделано для однослойного однородного грунта. В условиях вечной мерзлоты, как правило, отсутствует тенденция к снижению удельного сопротивления грунта с ростом глубины и удельное сопротивление грунта с глубиной изменяется в незначительных пределах, в ряде случаев даже демонстрируя тенденцию к росту.

Принят единичный импульсный ток с временем нарастания 10 мкс и временем полуспада 350 мкс, т.е. стандартная форма импульса тока молнии.

ОРТОГОНАЛЬНАЯ И ДИАГОНАЛЬНАЯ СХЕМА

Фундамент опоры ВЛ представляет собой в сечении прямоугольник (рис. 1). При организации ЗУ горизонтальные заземлители могут размещаться ортогонально либо диагонально по отношению к фундаменту опоры. При равной длине заземлителей и одинаковых затратах на организацию ЗУ, технические характеристики ЗУ могут отличаться друг от друга. Представляет интерес сравнение технических характеристик ЗУ при размещении заземлителей ортогональным и диагональным способом.

С этой целью разработаны расчетные модели опоры ВЛ с различными типами ЗУ, приведенными на рис. 3. Для разработанных расчетных моделей выполнены расчеты сопротивления стеканию ЗУ при различных грунтовых условиях. Результаты выполненных расчетов приведены в табл. 1.

Рис. 3. Размещение заземлителей по отношению к фундаменту опоры:
а) ортогональное;
б) диагональное

Таблица 1. Импульсное сопротивление растеканию ЗУ различных схем при различных грунтовых условиях

Показатель	Сопротивление растеканию, Ом
Удельное сопротивление грунта, Ом·м	10	30	100	300	1000	3000	10000
Собственное сопротивление стеканию фундамента опоры	0,459	1,427	5,064	14,06	40,70	112,86	363,19
Двухлучевая схема с длиной луча 5 м
Ортогональная	0,419	1,25	4,31	12,1	35,0	96,3	308,3
Диагональная	0,416	1,21	4,16	11,7	34,2	94,78	304,1
Отношение R_орт / R_диаг	1,01	1,03	1,037	1,03	1,02	1,017	1,01
Двухлучевая схема с длиной луча 10 м
Ортогональная	0,414	1,15	3,76	10,6	31,8	89,1	287,6
Диагональная	0,412	1,12	3,64	10,3	31,0	87,4	282,9
Отношение R_орт / R_диаг	1,01	1,03	1,03	1,03	1,03	1,02	1,01
Четырехлучевая схема с длиной луча 5 м
Ортогональная	0,388	1,12	3,83	10,7	31,2	85,2	270,8
Диагональная	0,384	1,07	3,61	10,2	30,0	82,9	265,4
Отношение R_орт / R_диаг	1,01	1,05	1,06	1,06	1,04	1,03	1,02
Четырехлучевая схема с длиной луча 10 м
Ортогональная	0,380	0,988	3,10	8,77	26,7	75,2	243,0
Диагональная	0,376	0,945	2,95	8,38	25,7	73,2	237,9
Отношение R_орт / R_диаг	1,01	1,05	1,05	1,05	1,04	1,03	1,02

Эти расчеты показывают, что использование диагональной схемы размещения заземлителей обеспечивает сопротивление растеканию ЗУ примерно на 6% ниже по сравнению с сопротивлением растеканию ЗУ, обеспечиваемым ортогональной схемой размещения заземлителей.

Таким образом, при разработке схем ЗУ опор ВЛ использование диагональных схем размещения горизонтальных заземлителей является более предпочтительным по сравнению с ортогональными.

В следующем номере журнала автор проведет финансовый и экономический анализ эффективности разнолучевых схем заземляющих устройств опор ВЛ с вертикальными заземлителями и без них, а также даст рекомендации по выбору оптимальных схем заземляющих устройств.

ЛИТЕРАТУРА