< Предыдущая ] [ Следующая >

Журнал 3(93) 2015 год

Заземление и защитные меры безопасности

Усиление заземления опор позволяет увеличить грозоустойчивость ВЛ, расположенных на территориях с высоким удельным сопротивлением грунта. Основные схемы заземляющих устройств (ЗУ) Олег Викторович Таламанов рассмотрел в первой части статьи («Новости ЭлектроТехники» № 2(92) 2015).
Во второй части работы автор приводит результаты финансово-экономического анализа эффективности различных лучевых ЗУ опор ВЛ, а также дает рекомендации по выбору оптимальных схем заземляющих устройств.

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

ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ОПОР ВЛ
Эффективность в условиях высокоомных грунтов

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ

В настоящее время основными схемами, применяемыми при организации ЗУ опор ВЛ, являются (рис. 1):

двухлучевая схема;
четырехлучевая схема;
четырехлучевая периметральная схема;
четырехлучевая усиленная схема;
восьмилучевая схема;
восьмилучевая периметральная схема.

Рис. 1. Зависимость сопротивления растеканию и стоимости схем ЗУ от линейных размеров схем

1 – двухлучевая схема;
2 – четырехлучевая схема;
3 – четырехлучевая периметральная схема;
4 – четырехлучевая усиленная схема;
5 – восьмилучевая схема;
6 – восьмилучевая периметральная схема.

При определении технических и экономических показателей указанные схемы рассматривались как с использованием вертикальных заземлителей, (способы их установки показаны на рис. 1), так и без их использования.

В программном комплексе «Контур» получены зависимости сопротивления растеканию ЗУ от длины лучей и от удельного сопротивления грунта, а также рассчитана стоимость реализации каждого типа схем.

Длина лучей заземляющих устройств рассматривалась в диапазоне от 5 до 30 м для схем с использованием вертикальных заземлителей и в диапазоне от 10 до 60 м для схем без их использования. Удельное сопротивление грунта рассматривалось в диапазоне 10–10000 Ом·м.

Стоимость реализации ЗУ в общем случае определялась как:

C = C_М + C_Т + C_С + C_И, (1)

где C_М – стоимость материалов;
C_Т – стоимость транспортировки материалов от поставщика до места строительства;
C_С – стоимость строительно-монтажных работ;
C_И – стоимость приемосдаточных испытаний и пусконаладочных работ.

Стоимость материалов, используемых для организации системы заземления, определялась как:

C_М = C_Г • L + C_В • N, (2)

где C_Г – цена 1 м горизонтального заземлителя;
C_В – цена одного комплекта вертикального заземлителя;
L – суммарная длина горизонтальных заземлителей;
N – количество вертикальных заземлителей.

В соответствии с коммерческими предложениями фирм-поставщиков [1–3], по состоянию на конец 2014 г. стоимость 1 м горизонтального заземлителя (оцинкованной стальной полосы сечением 4х40 мм) составляла в среднем 0,15 тыс. руб.; стоимость одного комплекта вертикального заземлителя длиной 5 м – около 4,5 тыс. руб.

Стоимость транспортировки материалов от поставщика до места строительства ВЛ определялась как:

C_Т = 1,05 • T_Д • M, (3)

где T_Д – стоимость доставки 1 т груза, принятая равной 10 тыс. руб., что примерно соответствует стоимости перевозки железнодорожным транспортом на 4000 км;
M – суммарная масса используемых материалов;
1,05 – коэффициент, учитывающий массу упаковки, тары и т.д.

Для вертикальных заземлителей принималось, что стоимость установки одного комплекта вертикального заземлителя составляет 25% его стоимости.

В связи с тем, что прокладка горизонтальных заземлителей связана с более значительным объемом грунтовых работ по сравнению с установкой вертикального заземлителя, при проведении расчетов принималось, что стоимость прокладки горизонтальных заземлителей составляет 50% их стоимости. Таким образом, стоимость строительно-монтажных работ определялась по формуле:

C_С = 0,5 • C_Г • L + 0,25 • C_В • N. (4)

Стоимость приемосдаточных испытаний и пусконаладочных работ (измерения сопротивления растеканию после выполнения монтажа) определялась на основе трудозатрат на выполнение измерений и принималась равной 2 тыс. руб. на одну опору.

СХЕМЫ И ЗАТРАТЫ

В ходе выполнения моделирования и расчетов получены зависимости значений сопротивлений растеканию и стоимости схем ЗУ от линейных размеров схем и удельного сопротивления грунта. Полученные зависимости приведены в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость сопротивления растеканию и стоимости схем ЗУ от линейных размеров схем
Длина луча, м Сопротивление растеканию схемы ЗУ, Ом, при удельном сопротивлении грунта, Ом·м Стоимость, тыс. руб.
10 30 100 300 1000 3000 10000
Двухлучевое без вертикальных заземлителей
10 0,425 1,231 4,168 11,94 36,51 103,76 337,08 6,769
20 0,412 1,079 3,283 9,28 28,99 88,67 273,79 11,538
30 0,410 1,040 2,869 7,672 23,94 69,53 228,31 16,306
40 0,409 1,036 2,694 6,689 20,46 59,44 195,44 21,075
50 0,408 1,032 2,623 6,095 17,97 52,00 170,94 25,844
60 0,407 1,031 2,592 5,740 16,15 46,31 152,07 30,613
Четырехлучевое без вертикальных заземлителей
10 0,398 1,096 3,618 10,53 33,28 96,40 315,82 11,538
20 0,376 0,888 2,543 7,247 23,30 68,46 225,95 21,075
30 0,374 0,845 2,107 5,620 17,93 52,85 174,82 30,613
40 0,373 0,834 1,930 4,711 14,66 43,12 142,62 40,150
50 0,372 0,831 1,858 4,179 12,49 36,51 120,65 49,688
60 0,371 0,829 1,826 3,868 10,97 31,76 104,75 59,226
Четырехлучевое периметральное без вертикальных заземлителей
10 0,387 0,940 2,715 7,76 25,08 73,95 244,44 28,173
20 0,375 0,853 2,019 5,054 15,91 46,95 155,50 51,199
30 0,372 0,837 1,868 4,063 11,85 34,54 114,11 74,225
40 0,371 0,831 1,830 3,578 9,68 27,53 90,48 97,251
50 0,369 0,828 1,817 3,526 8,44 23,08 75,24 120,276
60 0,368 0,825 1,809 3,465 7,66 19,88 63,96 143,302
Четырехлучевое усиленное без вертикальных заземлителей
10 0,350 0,848 2,605 7,62 24,87 73,57 243,35 34,917
20 0,330 0,682 1,712 4,735 15,41 45,86 152,35 64,687
30 0,325 0,651 1,417 3,535 11,21 33,24 110,35 94,457
40 0,320 0,641 1,312 2,933 8,89 26,17 86,70 124,227
50 0,314 0,634 1,273 2,615 7,45 21,66 71,57 153,997
60 0,309 0,625 1,257 2,442 6,49 18,55 61,06 183,767
Восьмилучевое без вертикальных заземлителей
10 0,369 0,983 3,181 9,38 30,52 89,97 297,05 21,075
20 0,331 0,716 1,991 5,711 18,68 55,51 184,20 40,150
30 0,328 0,662 1,566 4,205 13,59 40,38 134,06 59,226
40 0,327 0,648 1,391 3,414 10,77 31,87 105,74 78,301
50 0,327 0,644 1,315 2,957 8,98 26,43 87,55 97,376
60 0,326 0,642 1,281 2,683 7,77 22,65 74,88 116,451
Восьмилучевое периметральное без вертикальных заземлителей
10 0,346 0,810 2,429 7,08 23,16 68,68 227,56 38,396
20 0,330 0,672 1,599 4,298 13,89 41,30 137,15 72,023
30 0,327 0,650 1,365 3,225 10,02 29,61 98,18 105,679
40 0,326 0,644 1,294 2,731 7,95 23,21 76,74 139,345
50 0,326 0,642 1,270 2,511 6,81 19,56 64,46 173,014
60 0,325 0,640 1,258 2,375 5,89 16,44 53,83 206,684
Двухлучевое с вертикальными заземлителями
5 0,416 1,212 4,157 11,76 32,24 94,98 305,08 15,688
10 0,412 1,121 3,628 10,21 30,75 86,66 280,39 18,073
15 0,411 1,077 3,269 9,107 27,84 79,29 257,87 20,457
20 0,410 1,055 3,026 8,250 25,37 72,76 237,45 22,841
25 0,410 1,045 2,866 7,574 23,29 67,08 218,18 25,226
30 0,410 1,040 2,762 7,047 21,53 62,16 203,60 27,610
Четырехлучевое с вертикальными заземлителями
5 0,382 1,167 3,607 10,16 30,00 83,09 266,28 29,376
10 0,374 0,936 2,924 8,294 25,42 72,22 234,33 34,145
15 0,372 0,875 2,509 7,042 22,00 63,41 207,28 38,914
20 0,371 0,845 2,437 6,148 19,34 56,19 184,47 43,683
25 0,371 0,831 2,072 5,486 17,24 50,32 165,61 48,452
30 0,370 0,823 1,963 4,985 15,57 45,52 150,03 53,220
Четырехлучевое периметральное с вертикальными заземлителями
5 0,382 1,025 3,323 9,50 29,04 81,81 263,87 39,268
10 0,374 0,889 2,516 7,08 22,39 65,04 213,28 50,781
15 0,372 0,846 2,126 5,67 17,98 52,72 173,84 62,294
20 0,371 0,831 1,941 4,81 15,01 44,09 145,64 73,807
25 0,370 0,824 1,853 4,27 12,93 37,86 125,07 85,319
30 0,369 0,820 1,810 3,92 11,40 33,19 109,57 96,832
Четырехлучевое усиленное с вертикальными заземлителями
5 0,362 0,993 3,286 9,47 28,91 80,50 256,85 42,640
10 0,338 0,796 2,407 6,96 22,25 64,72 212,01 57,525
15 0,330 0,707 1,927 5,47 17,69 52,16 172,32 72,410
20 0,327 0,668 1,650 4,52 14,60 43,25 143,30 87,295
25 0,325 0,650 1,485 3,88 12,43 36,84 122,19 102,180
30 0,323 0,642 1,387 3,43 10,84 32,08 106,38 117,065
Восьмилучевое с вертикальными заземлителями
5 0,334 0,941 3,175 8,919 25,65 68,24 212,40 56,753
10 0,329 0,781 2,401 6,813 20,76 58,00 185,70 66,290
15 0,326 0,707 1,976 5,558 17,40 49,96 162,50 75,828
20 0,325 0,672 1,717 4,720 14,93 43,41 142,30 85,365
25 0,324 0,654 1,553 4,13 13,06 38,21 125,80 94,903
30 0,324 0,645 1,449 3,69 11,61 34,07 112,40 104,441
Восьмилучевое периметральное с вертикальными заземлителями
5 0,352 0,918 2,984 8,55 25,97 72,09 229,8 66,850
10 0,335 0,745 2,159 6,16 19,52 56,44 184,3 83,611
15 0,332 0,681 1,744 4,83 15,47 45,42 149,8 100,417
20 0,330 0,656 1,521 4,00 12,77 37,67 124,6 117,238
25 0,329 0,646 1,398 3,46 10,88 32,09 106,3 134,064
30 0,324 0,640 1,333 3,11 9,573 28,14 93,07 150,894

Сопротивления растеканию, достигаемые рассмотренными схемами заземления при заданном типе схемы и удельном сопротивлении грунта, можно представить функцией затрат, направленных на реализацию схемы.

На рис. 2 и 6 показаны зависимости достигаемых сопротивлений растеканию ЗУ от затрат на реализацию той или иной схемы заземления при удельном сопротивлении грунта, равном 1 кОм·м. При других удельных сопротивлениях грунта характер зависимостей аналогичен. На рис. 2 показаны зависимости для схем без использования вертикальных заземлителей, а на рис. 3 – для схем с использованием вертикальных заземлителей.

Рис. 2. Зависимость сопротивления растеканию от стоимости ЗУ при использовании схем без вертикальных заземлителей при удельном сопротивлении грунта 1 кОм·м

Рис. 3. Зависимость сопротивления растеканию от стоимости ЗУ при использовании схем с вертикальными заземлителями при удельном сопротивлении грунта 1 кОм·м

Рис. 4. Зависимость сопротивления растеканию от стоимости ЗУ при удельном сопротивлении грунта 100 Ом·м

Рис. 5. Зависимость сопротивления растеканию от стоимости ЗУ при удельном сопротивлении грунта 300 Ом·м

Рис. 6. Зависимость сопротивления растеканию от стоимости ЗУ при удельном сопротивлении грунта 1 кОм·м

Рис. 7. Зависимость сопротивления растеканию от стоимости ЗУ при удельном сопротивлении грунта 10 кОм·м

Сравнение зависимостей, приведенных на рис. 2 и 3, показывает, что при равных затратах на организацию систем заземления схемы заземления без использования вертикальных заземлителей обеспечивают сопротивления растеканию на 25–56% ниже, чем схемы заземления с использованием вертикальных заземлителей.

На основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что заземление с использованием вертикальных заземлителей в условиях высокоомных грунтов экономически является менее эффективным по сравнению с применением схем без их использования для случая однородного грунта. Экономически более эффективным является наращивание линейных размеров схем без использования вертикальных заземлителей, а не применение схем с использованием вертикальных заземлителей.

Применение схем с использованием вертикальных заземлителей может быть целесообразным только в следующих случаях:

наличие нижнего слоя грунта с пониженным удельным сопротивлением, повышающим эффективность использования вертикальных заземлителей;
ограниченность пространства, не позволяющая увеличить линейные размеры ЗУ;
повышение технико-экономических показателей вертикальных заземлителей путем снижения стоимости комплекта вертикального заземлителя либо улучшения его технических характеристик без значительного повышения его стоимости путем применения инновационных технологий (например, применение вертикальных заземлителей на основе соляных либо графитовых заземлителей).

Для схем заземления без использования вертикальных заземлителей представляет интерес сравнение их технико-экономических показателей при различных удельных сопротивлениях грунта. На рис. 4–7 приведены зависимости достигнутого сопротивления растеканию от стоимости ЗУ для различных схем реализации ЗУ без применения вертикальных заземлителей в диапазоне удельных сопротивлений грунта от 100 Ом·м до 10 кОм·м.

Представленные зависимости показывают следующее:

У периметральных и усиленных схем ЗУ технико-экономические показатели хуже, чем у лучевых схем ЗУ, во всем диапазоне удельных сопротивлений грунта.
При удельных сопротивлениях грунта до 300 Ом·м при повышении объемов затрат на реализацию ЗУ повышается экономическая эффективность многолучевых схем ЗУ. При удельных сопротивлениях грунта свыше 1 кОм·м экономически наиболее эффективна двухлучевая схема ЗУ.

Таким образом, при разработке схем ЗУ опор ВЛ в условиях сравнительно низкоомных грунтов (до 300 Ом·м) целесообразно рассмотрение нескольких вариантов схем ЗУ на основе лучевых заземлителей для выбора экономически наиболее эффективной. При разработке схем ЗУ опор в условиях высокоомных грунтов (свыше 1 кОм·м) целесообразна организация ЗУ на основе двухлучевой схемы заземления. Использование многолучевых схем заземления может быть целесообразным только при невозможности достижения двухлучевой схемой требуемых сопротивлений растеканию ЗУ.

ВЫВОДЫ

В условиях высокоомных грунтов экономически более эффективным является наращивание линейных размеров схем ЗУ, а не установка вертикальных заземлителей. Применение схем с использованием вертикальных заземлителей может быть целесообразным либо в случаях наличия нижнего слоя грунта с пониженным удельным сопротивлением, либо при ограниченности пространства, не позволяющей увеличить линейные размеры ЗУ.
Схемы ЗУ на основе лучевых заземлителей имеют лучшие технико-экономические показатели по сравнению с другими типами схем во всех диапазонах удельного сопротивления грунта, в связи с чем при разработке схем ЗУ опор ВЛ рекомендуется использовать лучевые схемы заземления.
В условиях сравнительно низкоомных грунтов (до 300 Ом·м) при повышении затрат на реализацию ЗУ повышается экономическая эффективность многолучевых схем. Поэтому при разработке схем ЗУ опор в условиях сравнительно низкоомных грунтов целесообразно рассматривать несколько вариантов схем ЗУ на основе лучевых заземлителей с целью выбора наиболее экономически эффективной схемы.
В условиях высокоомных грунтов (свыше 1 кОм·м) наи-высшими технико-экономическими показателями обладает двухлучевая схема ЗУ, в связи с чем экономически наиболее эффективным является наращивание линейных размеров двухлучевой схемы ЗУ без увеличения количества лучей. Использование многолучевых схем заземления может быть целесообразным только при невозможности достижения двухлучевой схемой требуемых сопротивлений растеканию ЗУ.
При разработке схем ЗУ опор на основе лучевых заземлителей рекомендуется по возможности использовать диагональное размещение лучей по отношению к фундаменту опоры ВЛ, так как в этом случае обеспечиваются более высокие технические показатели по сравнению с ортогональным размещением лучей по отношению к фундаменту опоры ВЛ.
Дальнейшим направлением исследований в области организации систем заземления опор ВЛ в условиях высокоомных грунтов должно стать исследование эффективности организации ЗУ на основе протяженных лучевых заземлителей.

ЛИТЕРАТУРА