Кабельные линии

«Ленгидропроект» в своей практике не раз сталкивался с необходимостью проектирования заземляющих устройств колодцев транспозиции КЛ. Проблема нормирования параметров таких заземляющих устройств в настоящий момент не имеет общепринятого решения.
Предложения по нормированию параметров были высказаны Михаилом Дмитриевым в журнале «Новости ЭлектроТехники» [1]. Несколько иной подход содержится в проекте стандарта ГОСТ Р «Кабельные линии от 6 до 500 кВ. Требования к технологическому проектированию», разработанном специалистами ОАО «Институт «ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ».
Еще один подход к решению проблемы, который основывается не только на анализе процессов в КЛ, но и на результатах расчета заземляющих устройств, предлагают рассмотреть петербургские проектировщики.

Антон Косоруков, к.т.н., заведующий группой, АО «Ленгидро-проект», г. Санкт-Петербург	Ксения Зайцева, ООО «ЭМС-Проект», г. Санкт-Петербург

КОЛОДЦЫ ТРАНСПОЗИЦИИ ЭКРАНОВ КЛ 6–500 КВ
Проектирование заземляющих устройств

В качестве вступления возьмем на себя смелость перечислить позиции участников диалога.

Позиция экспертизы, по нашему опыту, заключается в следующем: «нормы для заземляющих устройств колодцев транспозиции отсутствуют, необходимо обеспечивать безопасную величину напряжения прикосновения или ограничить сопротивление ЗУ стандартной величиной 0,5–5 Ом».

В [1] справедливо указано на невозможность выполнения ЗУ с величиной сопротивления 0,5 Ом в городских условиях, а также выдвигаются два основных требования: ограничение перенапряжений на изоляции «экран–земля» и ограничение напряжения шага. В качестве допустимого значения напряжения шага предлагается принимать допустимые значения напряжения прикосновения. Величина же сопротивления ЗУ 10–20 Ом признана удовлетворительной по условию работы ОПН.

Специалисты ОАО «Институт «ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ» в проекте стандарта ГОСТ Р предложили целый ряд критериев:

1. Контур заземления кабельных колодцев должен обеспечивать:
• допустимые уровни шагового напряжения в нормальном режиме;
• эффективность работы ОПН в аварийных режимах.
2. Для колодцев, в которых производится заземление экранов, сопротивление заземляющего контура допускается не более 0,5 Ом.
3. Для колодцев транспозиции сопротивление заземляющего контура допускается не более 10 Ом.
4. Максимально допустимое сопротивление контура должно определяться расчётами в каждом конкретном случае.

Таким образом, существует ряд подходов к нормированию параметров ЗУ, различающихся как по перечню самих нормируемых параметров, так и по допустимым величинам в рамках одного и того же параметра. Одновременно можно выделить общую идею, которая не вызывает сомнений: заземляющее устройство должно обеспечить работу ОПН и электробезопасность.

РАСЧЕТНЫЕ СЛУЧАИ

ЗУ колодцев КЛ «работает» только в ситуациях, когда с него стекает ток (на нем повышается потенциал). Целесообразно рассмотреть ситуации:

• стекание с ЗУ тока однофазного КЗ;
• длительно сохраняющееся повреждение изоляции «экран–земля» одной из фаз КЛ;
• воздействие грозовых и коммутационных перенапряжений.

Причем в первых двух ситуациях проектировщика будет интересовать обеспечение безопасности, а в последней – выполнение условий координации изоляции.

Однофазное КЗ

Стекание тока однофазного КЗ предполагает наличие по­вреждений основной изоляции и оболочки экрана (двойного повреждения). Причем, если коробка транспозиции находится в отдельном от муфты колодце, то повреждения должны существовать одновременно и в разных местах, что менее вероятно, но возможно, так как ОПН экрана может быть поврежден из-за повышения потенциала экрана. Одновременно с возникновением КЗ в колодце или на нем должен находиться человек, что еще менее вероятно (если, конечно, он сам не является причиной такого КЗ).

Исключить экран КЛ из пути протекания тока КЗ вряд ли представляется возможным, поэтому проектирование ЗУ необходимо осуществлять с учетом модели КЛ. Доля тока, стекающего в ЗУ, зависит от самой величины сопротивления ЗУ. Из-за значительно меньшего индуктивного сопротивления системы «фаза–экран», чем у системы «фаза–земля», при пробое основной изоляции наибольшая часть тока КЗ будет протекать к нейтралям источников по экрану КЛ.

Проведенные серии расчетов с разными сопротивлениями ЗУ колодцев транспозиции для восьми КЛ 110 кВ показали, что величина доли тока КЗ, стекающей в грунт через ЗУ колодца, составляет всего 0,5–2,5% от общего тока КЗ при изменении сопротивления ЗУ в диапазоне от 10 до 5 Ом соответственно. В качестве примера на рис. 1 приведена зависимость тока, стекающего через ЗУ в грунт, при КЗ на последней транспозиционной муфте КЛ 110 кВ с односторонним питанием в процентах от тока однофазного КЗ. Площадь поперечного сечения жилы КЛ – 800 мм², экрана – 120 мм².

Рис. 1. Зависимость доли тока, стекающего в грунт через ЗУ, от сопротивления ЗУ

Ток, стекающий с ЗУ, относительно мал, но сопротивление ЗУ в рассматриваемом примере имеет значительную величину. Можно говорить, что напряжение прикосновения представляет опасность для человека, который в момент КЗ при поврежденной изоляции «экран–земля» оказался на или в колодце.

Сравним КЗ на опоре ВЛ и в колодце КЛ. Очевидно, что при изолированной подвеске грозозащитного троса на небольших удалениях от РУ, КЗ на опоре будет представлять для человека, который в этот момент касается ее, не меньшую опасность. При увеличении длины ВЛ и при наличии заземленного троса ситуация будет улучшаться. Опора ВЛ, как и колодец, является линейным сооружением. Но для ВЛ напряжение прикосновения не нормируется, а величина сопротивления ЗУ нормируется исходя из требований защиты от перенапряжений. У авторов нет сведений о массовой гибели людей, которые просто держались за опору ВЛ в момент КЗ.

Откуда возникает различие в подходах? Какими техническими особенностями конструкции оно объясняется? Нам кажется, что опыт эксплуатации заземляющих устройств опор ВЛ в части электробезопасности при КЗ может быть беспрепятственно перенесен на колодцы КЛ.

В рассматриваемом случае мы ничего не сказали о норме на величину сопротивления ЗУ, потому что, по нашему мнению, она не имеет практического значения. Экран выполняет роль обратного провода, обеспечивая срабатывание защит. Необходимо также отметить, что чем меньше сопротивление ЗУ, тем большее влияние ток, стекающий с ЗУ, будет оказывать на соседние коммуникации.

Сооружение заземляющих устройств с величиной сопротивления 0,5 Ом на трассе КЛ в городских условиях – нецелесообразное решение. Например, в Санкт-Петербурге при благоприятных геологических условиях минимальные размеры участка, занимаемого таким ЗУ, составят около 20х30 метров. Несложно понять, что требуемый для реализации такого проектного решения вынос всех проводящих коммуникаций и ограничения в землепользовании на данной территории исключают его применение.

Длительно сохраняющееся повреждение изоляции «экран–земля»

При повреждении изоляции «экран–земля» потенциал экрана выносится на заземляющее устройство и при прикосновении к заземленным металлоконструкциям кабельного колодца могут пострадать люди. Необходимо обеспечить допустимые уровни напряжения прикосновения при длительном воздействии. Величина сопротивления ЗУ связана с напряжением прикосновения косвенно, поэтому должна быть оценена в конкретных условиях. В общем случае предлагается применять при проектировании ЗУ такой алгоритм:

• разработка конструкции ЗУ и расчет его сопротивления;
• расчет тока, стекающего с ЗУ;
• расчет напряжения прикосновения.

Нормативное значение напряжения прикосновения при этом – 20 В [2].

Отметим также, что ситуация с электробезопасностью при заземлении на трассе объединенных экранов аналогична ситуации при длительном повреждении изоляции одного экрана в узле транспозиции, из-за чего подходы к нормированию заземления этих объектов должны быть близкими.

Воздействие грозовых и коммутационных перенапряжений

Наши оценки влияния величины сопротивления ЗУ на работу ОПН экрана полностью соответствуют результатам работы [1]: при величине 10–20 Ом (большие сопротивления не рассматривались) ОПН ограничивает коммутационные перенапряжения на оболочке до безопасных уровней.

Нормирование величины сопротивления ЗУ полагаем вторичным, так как главной задачей является именно ограничение перенапряжений.

НАПРЯЖЕНИЕ ШАГА

Напряжение шага, которое некоторыми авторами предлагается использовать в качестве нормативного параметра ЗУ колодца, в России не нормируется. Иными словами, нет четких сведений о степени опасности данного воздействия и приемлемых в современных экономических условиях рисках. Данное понятие хорошо известно энергетикам, но оно не может быть подвергнуто количественной оценке, хотя многие фирмы в рекламной продукции пишут о необходимости его расчета.

Точно известно, что напряжение шага менее опасно, чем напряжение прикосновения: путь тока проходит по менее опасному контуру, так как сопротивление обуви в этом случае будет значительно выше, чем в случае прикосновения.

Единственный документ, который допускает использование норм на напряжение прикосновения при расчете напряжения шага, – это [3], но даже в нем напряжение шага не используется как нормируемый параметр ЗУ, а ссылка на биологические исследования, указывающая на возможность применения такого допущения, отсутствует. Поэтому в дальнейшем данный параметр нами рассматривается как бесперспективный.

ОГРАНИЧЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ

Ограничение напряжения прикосновения – задача, которая может быть решена кардинально. Для ограничения напряжения прикосновения внутри колодца необходимо либо использовать арматуру ж/б конструкции, либо уложить на дно включенную в систему уравнивания потенциалов решетку. Снаружи колодца, например при прикосновении к люку, достаточно применить либо решетку, либо покрытие с большим удельным сопротивлением (щебень, плитка, асфальт и т.д.). Причем последнее предпочтительнее, так как решает одновременно еще и проблему с напряжением шага.

Параметры плохопроводящего покрытия можно подобрать в зависимости от величины удельного сопротивления грунта на месте строительства. Как правило, 10–20 см щебеночного покрытия позволяют решить проблему. Эти меры приводят к гарантированному результату. Можно сделать вывод о том, что величина сопротивления заземляющего устройства опять оказывается вторичным параметром при решении задачи.

Рис. 2. Расчетная схема ЗУ колодца транспозиции

На рис. 2 представлена расчетная схема ЗУ колодца транспозиции КЛ 110 кВ. В табл. 1 приведены результаты расчетов токов, стекающих с ЗУ в грунт, при которых напряжение прикосновения к крышке колодца оказывалось опасным. При расчетах изменялась структура грунта. Удельное сопротивление грунта нижнего слоя принято равным 100 Ом·м, что характерно для большинства городов.

Таблица 1. Результаты расчетов токов, стекающих с ЗУ в грунт

Из результатов расчетов видно, что в нормальном режиме работы КЛ (при длительном повреждении изоляции «экран–земля») опасность для людей мала. Если в соответствии с рис. 1 можно полагать, что ток, стекающий в ЗУ, составляет 2% от тока жилы, то опасным ситуациям соответствуют уже аварийные режимы работы КЛ.

Напряжение прикосновения линейно возрастает с увеличением тока, а использование щебеночных покрытий повышает электробезопасность установки. Толщина покрытия должна определяться исходя из соображений о его сохранности на месте строительства, так как смешение с местным грунтом ухудшит условия электробезопасности.

Результаты расчетов будут отличаться для разных конструк­ций колодцев, однако качественно картина не изменится.

КОНТРОЛИРУЕМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ

Всё, что связано с электробезопасностью и заземлением, попадает в сферу деятельности Ростехнадзора, инспекторы которого требуют подтверждения параметров ЗУ протоколами измерений. Измерение сопротивления ЗУ не представляет проблемы.

Практическое измерение напряжения прикосновения сопряжено с некоторыми решаемыми вопросами. Смоделировать растекание тока КЗ (то есть распределение потенциала) с включением экрана КЛ вряд ли представляется возможным, поэтому электролаборатория должна знать величину тока, стекающего с ЗУ. То есть проектировщик должен указывать ее в проекте (лучше указать ряд величин по отношению к ряду сопротивлений). Электролаборатория должна иметь возможность выноса токового электрода в сторону центра питания, фоновые значения помех должны позволять проводить измерения (на практике мы сталкивались с двумя случаями, когда уровень помех не позволял выполнить измерения даже ночью при отсутствии движения электротранспорта).

Измерение напряжения шага при использовании схем, аналогичных напряжению прикосновения, будет еще более затруднительным, так как полезный сигнал между двумя точками на грунте будет значительно меньше, чем между грунтом и металлоконструкцией, к которой подключен генератор.

ВЫВОДЫ

Подводя итог, считаем целесообразным нормировать следующие параметры:

• сопротивление ЗУ, так как этот параметр является определяющим по условиям ограничения перенапряжений на оболочке КЛ и легко контролируемым;
• напряжение прикосновения в режиме длительного существования повреждения изоляции «экран–земля» по [2].

Величина сопротивления ЗУ должна обеспечивать ограничение перенапряжений на оболочке КЛ при воздействии грозовых и коммутационных перенапряжений. Во всех случаях величина сопротивления ЗУ не должна превосходить сопротивление ЗУ опор ВЛ при аналогичных грунтовых условиях (с возможностью коррекции в зависимости от ρ).

Возможно нормирование напряжения прикосновения в режиме однофазного КЗ, однако решение этого вопроса, по нашему мнению, должно быть привязано к аналогичным требованиям по отношению к опорам ВЛ.

Для соблюдения требований электробезопасности рекомендуется обустраивать плохопроводящие покрытия. При этом в эксплуатации необходимо обеспечить контроль за сохранностью таких покрытий.

Оценка влияния заземляющих устройств колодцев КЛ и предлагаемые различными авторами требования к ним, по нашему мнению, несколько завышены.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриев М.В. Кабельные линии 6–500 кВ с однофазными кабелями. Требования к заземлению узлов транспозиции экранов // Новости ЭлектроТехники. 2013. № 1(79).
2. ГОСТ 12.1.038-82* ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.
3. СТО 56947007-29.130.15.114-2012. Руководящие указания по проектированию заземляющих устройств подстанций напряжением 6–750 кВ. ОАО «ФСК ЕЭС», 2012.