Заземляющие устройства электроустановок

1.

Заземляющие устройства
электроустановок
Лекция № 5
по курсу
Электромагнитная совместимость
в электроэнергетике
Нестеров С.В.1

2. Определения (из Правил устройства электроустановок)

Заземляющее устройство (ЗУ) - совокупность
заземлителя и заземляющих проводников.
1.7.19.
Заземлитель - проводящая часть или
совокупность соединенных между собой проводящих
частей, находящихся в электрическом контакте с
землей непосредственно или через промежуточную
проводящую среду.
1.7.15.
Заземляющий проводник - проводник,
соединяющий заземляемую часть (точку) с
заземлителем.
1.7.18.
2

3. Заземляющее устройство подстанции 220/110 кВ

Выполнено: горизонтальные элементы ЗУ – полосовая сталь 40х4 мм2
Вертикальные электроды – круглая сталь диаметром 12 мм
Глубина расположения горизонтальных элементов – 0,5 м
3

4.

• Искусственный заземлитель - заземлитель,
специально выполняемый для целей
заземления.
• Естественный заземлитель - сторонняя
проводящая часть, находящаяся в
электрическом контакте с землей
непосредственно или через промежуточную
проводящую среду, используемая для целей
заземления.
4

5. Заземляющее устройство подстанции 110/35/6 кВ

5

6.

Назначение заземляющего устройства
электроустановок высокого напряжения
1. Обеспечение безопасной работы обслуживающего персонала –
выравнивание потенциалов
2. Обеспечение действия релейных защит от замыканий
3. Рабочее заземление нейтралей электрических сетей
4. Обеспечение допустимых напряжений на изоляции вторичного
оборудования – уравнивание потенциалов
5. Отвод в землю токов при работе средств молниезащиты и
устройств защиты от перенапряжений
6. Снижение высокочастотных помех и помех промышленной частоты,
воздействующих на устройства связи, релейной защиты и автоматики
7. Защита от статического электричества
6

7. Выравнивание потенциалов на территории электроустановки для снижения напряжений прикосновения и шага

7

8. Зависимость допустимого напряжения прикосновения от времени воздействия (ГОСТ 12.1.038)

500
0,1; 500
450
0,2; 400
400
350
300
250
0,5; 200
200
0,7; 130
150
1-5; 65
1; 100
100
50
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
8

9. Возникновение потенциалоповышающего тока при замыкании на землю в сети

9

10. Потенциал на ЗУ, вынос потенциала

• При стекании тока с ЗУ на нем возникает потенциал
Uзу = Iпп х Rзу,
где Iпп – потенциалоповышающий ток (стекающий с ЗУ
в энергосистему), Rзу – сопротивление ЗУ в месте
ввода тока
• Возникающий потенциал прикладывается к изоляции
кабелей, заходящих на территорию электроустановки
из зоны меньшего потенциала
• Возникающий на ЗУ потенциал может быть вынесен
с территории электроустановки заземленными на ней
коммуникациями (кабели, изолированные
трубопроводы и т.п.)
10

11. Работа ЗУ при несимметричных КЗ

11

12. Неэквипотенциальность ЗУ

Неэквипотенциальность ЗУ – наличие разных потенциалов в
разных точках одного ЗУ.
ПРИЧИНА ВОЗНИКНОВЕНИЯ
• Элементы заземляющего устройства обладают продольным
сопротивлением, зависящим от частоты и величины тока
• Ток, протекая по элементам ЗУ, создает на нем перепады
потенциалов
• Степень неэквипотенциальности зависит от параметров
элементов ЗУ, их конфигурации, удельного сопротивления
грунта, частоты тока
ПОСЛЕДСТВИЯ
• Возникающие разности потенциалов прикладываются к
изоляции кабелей вторичных цепей, к изоляции
гальваноразвязки устройств РЗиА
• Возникающие разности потенциалов по ЗУ приводят к
протеканию нежелательных токов (в экранах кабелей,
заземленных с двух концов; в трубопроводах; по элементам
металлических ограждений и т.п.)
12

13.

Возникновение на ЗУ токов и напряжений
промышленной частоты
(зона подъема потенциала распределена
по территории ЗУ)
13

14.

Возникновение на ЗУ токов и напряжений высокой частоты
(зона подъема потенциала локализована
вокруг места ввода ВЧ тока в ЗУ)
14

15. Модель ЗУ для расчета неэквипотенциальности

Размеры ЗУ 250 х 250 м, шаг сетки 25 м
Удельное сопротивление грунта 100 Омм
Ток вводится в центр сетки, величина тока 10 кА
Частота тока 50 Гц, 1 кГц, 100 кГц
15

16.

Распределение потенциала по ЗУ при разной частоте тока
f = 50 Гц
F = 5 кГц
16

17. Неэквипотенциальность ЗУ при разной частоте вводимого тока

100000
Потенциал на ЗУ, В
50 Гц
10000
1000 Гц
100 кГц
1000
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
17

18.

Распределение потенциалов и продольных токов ПЧ по ЗУ
18

19. Проектирование ЗУ

Производится в соответствии с Правилами устройства
электроустановок (ПУЭ), глава 1.7
Проектируемое ЗУ электроустановок напряжением выше 1 кВ в
сетях с эффективно заземленной нейтралью должно
удовлетворять требованиям (некоторые параграфы ПУЭ):
1.7.89. Напряжение на заземляющем устройстве при
стекании с него тока замыкания на землю не должно, как
правило, 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 изоляции отходящих
кабелей связи и телемеханики и по предотвращению выноса
опасных потенциалов за пределы электроустановки.
19

20. Проектирование ЗУ

1.7.90. Заземляющее устройство, которое выполняется с
соблюдением требований к его сопротивлению, должно иметь
в любое время года сопротивление не более 0,5 Ом с учетом
сопротивления естественных и искусственных заземлителей.
В целях выравнивания электрического потенциала и
обеспечения присоединения электрооборудования к заземлителю
на территории, занятой оборудованием, следует прокладывать
продольные и поперечные горизонтальные заземлители и
объединять их между собой в заземляющую сетку.
1.7.91. Заземляющее устройство, которое выполняется с
соблюдением требований, предъявляемых к напряжению
прикосновения, должно обеспечивать в любое время года при
стекании с него тока замыкания на землю значения напряжений
прикосновения, не превышающие нормированных (см. ГОСТ
12.1.038). Сопротивление заземляющего устройства при этом
определяется по допустимому напряжению на заземляющем
устройстве и току замыкания на землю.
20

21. Эксплуатация ЗУ

• Во время эксплуатации ЗУ возможны повреждения
его элементов вследствие грунтовой коррозии,
проведения земляных работ и т.п.
• Реконструкция, капитальный ремонт подстанции
требует проведения полного или частичного
обследования (диагностики) ЗУ
21

22.

НГТУ
Грунтовая коррозия элементов заземляющего устройства
Круглая сталь диаметром 16 мм

23.

Стальная полоса сечением 4 х 40 мм2
23

24. Диагностика ЗУ

Производится не реже 1 раза в 12 лет
Нормативные документы, определяющие объем
производимых измерений при диагностике ЗУ:
1. РД 153-34.0-20.525-00 Методические указания по
контролю состояния заземляющих устройств
электроустановок
2. CО 34.35.311-2004 Методические указания по
определению электромагнитных обстановки и
совместимости на электрических станциях и
подстанциях
24

25. Задачи диагностики ЗУ

Определение потенциала на ЗУ при КЗ на землю
Определение разностей потенциалов по территории ЗУ (например, между
РЩ и местом короткого замыкания она не должна превышать
испытательного значения для изоляции контрольных кабелей вторичной
коммутации)
Определение уровней импульсных помех, связанных с подъемом
потенциала при коротком замыкании, коммутациях силового
оборудования и ударах молнии
Определение термической стойкости элементов ЗУ протеканию токов КЗ
Определение коррозионного состояния элементов ЗУ
Определение реальной (исполнительной) схемы ЗУ
Определение напряжений прикосновения
В итоге: выдача рекомендаций по ремонту или реконструкции ЗУ,
нацеленных на приведение параметров ЗУ к требуемым по нормам по
ЭМС и электробезопасности
25

26.

Рекомендации по ремонту заземляющего устройства на ОРУ 500 кВ26

27. Расчет ЗУ

• При проектировании, реконструкции, ремонте
ЗУ требуется проведение численного расчета
параметров ЗУ
• Расчет по аналитическим выражениям
возможен только для простейших
заземлителей в однородных грунтах
• Расчет сложных заземляющих систем в
неоднородных грунтах требует применения
специализированного ПО
27

28. Расчет простейших заземлителей

Сопротивление вертикального электрода длиной l и диаметром d в
однородном грунте с удельным сопротивлением р:
4l
R
ln
2 l d
Эмпирическая формула для расчета сопротивления заземляющего
устройства площадью S в однородном грунте
0.5
R
S
28

29.

29

30. Программа расчета заземляющих систем PARSIZ

Программа позволяет рассчитать систему заземляющих устройств
произвольной конфигурации в грунтах с вертикальной неоднородностью
удельного электрического сопротивления. Количество слоев модели грунта
до 5.
• Особенности расчетной модели позволяют повысить точность расчета
токораспределения по элементам ЗУ и, как следствие, напряжений
прикосновения. В программе реализован учет материала элементов ЗУ и
наземных коммуникаций (сталь, медь, алюминий). В модель заземляющего
устройства могут входить изолированные от грунта проводники (например,
экраны кабелей, воздуховоды, трубы системы пожаротушения, элементы
порталов и конструкций аппаратов и т.п.).
• В результате расчета определяется:
1. Сопротивление заземляющего устройства.
2. Продольное токораспределение по элементам ЗУ и металлическим
коммуникациям, что позволяет оценить их термическую стойкость к токам
КЗ.
3. Потенциал на ЗУ при стекании с него тока КЗ.
4. Распределение потенциалов по элементам ЗУ с учетом
неэквипотенциальности, что позволяет оценить напряжения,
прикладываемые к изоляции кабелей вторичных цепей.
5. Потенциалы на поверхности грунта и на любой глубине.
6. Ожидаемые напряжения прикосновения.
30
7. Напряжения прикосновения.

31.

J5 J реальная
J1
J2
J3
J4
Jn
J1
Jn-1
J2
Ji
M
j jx J ( x )dx
i 1li
j
Jiк Jiн
li
j x x dx J i н j x dx
li
li
31

32.

Система уравнений, определяющая продольное и поперечное
токораспределение неэквипотенциального ЗУ:
M
j J iн ( Ai , j Bi , j ) J iк Bi , j
i 1
L
j оп k
k 1
li
i Z i ( x) I i ( x) dx
0
J iк J iн x 2
I i ( x ) I iн
J iн x
li
2
Zi 2
Zi 2
i I iн Zi li J iн li J iк li
3
6
32

33.

Расчетная схема заземляющего устройства
33

34.

34

35.

Эскизный проект ЗУ ПС 500/220 кВ
35

36.

Наименование
функциональной
группы
ВЛ 500 кВ на ПС Абаканская
Перемычка
Номер ячейки
ВЛ 500 кВ на ПС Означенное
(1-я цепь). Перемычка
1
Автотрансформатор N1.
ВЛ 500 кВ на ПС Означенное
Перемычка
(2-я цепь). Перемычка
2
3
Резервное место
Резервное место для ВЛ 500 кВ.
Автотрансформатор N2.
5
(1-я цепь). Перемычка.
Шинные аппараты 1 системы шин
Перемычка
Шинные аппараты 2 системы шин
4
6
7
8
Условные обозначения
401000
62000
68400
123900
25000
69700
52000
- Заземлитель протяженный
14 мм )
( сталь круглая
- Заземлитель вертикальный
16 мм L=5 м )
( сталь круглая
- Металлические конструкции, используемые
в качестве заземлителей
- Молниеотвод на портале
50000
- Молниеотвод на одностоечной опоре
1 Заземляющее устройство ПС запроектировано по норме на допустимое напряжение
прикосновения.
для рабочих мест
2 Напряжения прикосновений в любое время года не должны превышать:
ОРУ 220 кВ 65 В, для рабочих мест ОРУ 500 кВ и для остальной территории ПС 400 В.
Артскважина c
насосной I подъема N2
3 Расчетные значения напряжений прикосновения не превышают:
для рабочих мест
ОРУ 220 кВ 62,5 В, для рабочих мест ОРУ 500 кВ и для остальной территории ПС 389 В.
4 Напряжение на заземляющем устройстве в любое время года не должно превышать 10 кВ.
33000
5 Расчетное значение напряжения на заземляющем устройстве составляет 5588 В
при КЗ на ОРУ 500 кВ и 1405 В при КЗ на ОРУ 220 кВ.
Артскважина с
насосной I подъема N1
6 Расчетные токи однофазного КЗ приняты:
при КЗ на шинах ОРУ 500 кВ ток в
ток от нейтрали 1АТ 0,8 кА, ток от нейтрали 2АТ 0,8 кА; при КЗ на шинах
месте КЗ 21 кА,
ОРУ 220 кВ ток в
месте КЗ 19 кА , ток от нейтрали 1АТ 8,6 кА, ток от нейтрали 2АТ 8,6 кА.
7 Горизонтальные элементы заземлителя в пределах внешней ограды ПС укладывать
на глубине 0,5 м, за территорией ПС - 1м.
8 Заземляющие проводники, присоединяющие оборудование или конструкции к заземлителю
следует прокладывать в земле на глубине не менее 0,3 м.
9 Металлические элементы внешней ограды объединить и присоединить к заземляющему устройству.
33000
Места присоединения указаны в комплекте "Наружное ограждение ПС" П-39/04-02-037-АС.
У внешней ограды выполнить выравнивание потенциалов. Для этого с внешней стороны ограды
на расстоянии 1 м и на глубине 1 м и с внутренней стороны ограды на расстоянии 1,0 м и
на глубине 0,5 м проложить горизонтальный заземлитель из круглой стали диаметром 14 мм и
18000
8600
8000
10800
12200
10800
8000
12200
8000
10800
12200
10800
8000
9000
10000
24000
19000
12100
8000
10800
12200
10800
8000
17000
присоединить его к ЗУ ПС.
8000
10 Металлические элементы внутренней ограды объединить и присоединить к заземляющему
устройству по месту с шагом не более 100 м. Внутреннее ограждение в местах пересечения с рельсами
сторон к рельсам.
перекатки АТ присоединить с двух
11 Все соединения и пересечения элементов заземляющего устройства выполнить сваркой
внахлестку в соответствии с листом 3.
ОРУ 500 кВ
12 Вертикальные заземлители погрузить в предварительно пробуренные скважины с
последующим заполнением однородным глинистым грунтом.
13 Все естественные заземлители ПС присоединить к заземляющему устройству.
14 Монолитные фундаменты под оборудование использованы в качестве заземлителей.
67000
Арматура фундаментов присоединена к закладной пластине, которая в свою очередь подключается
Выгреб
к металлоконструкциям стоек под оборудование.
Площадка для мойки
15 Рельсы путей перекатки автотрансформаторов и козлового крана использованы в качестве
автомобилей
заземлителей. Концы стыкуемых рельсов в том числе в местах рельсовых пересечений соединить
между собой перемычками из круглой стали диаметром 6 мм вдоль нейтральной оси рельсов.
Рельсы присоединить к горизонтальным заземлителям в местах их пересечений при помощи заземляющих
проводников из круглой стали диаметром 14 мм. Для исключения выноса опасного потенциала за
территорию ПС на подъездных путях должно быть предусмотрено два изолирующих стыка.
О необходимости выполнения изолирующих стыков сообщено заказчику письмом от 21.01.2005 N 19-5-23.
ЗВН
358000
ОПУ
16 Все работы по подземной части заземляющего устройства выполнять одновременно
со строительными работами по нулевому циклу.
вблизи фундаментов расстояние от края
При прокладке горизонтального заземлителя
фундаментов до горизонтального заземлителя
должно быть 0,5 - 1,0 м.
РУСН 10 кВ
17 Для защиты вторичных цепей от импульсных помех предусмотрены следующие мероприятия:
- Заземление коpпусов фазы,
ТТ и ТH
коммутационных
каждой
аппаpатов (выключателей и
ТСН
Подъездной ж.д. путь
разъединителей), ОПН , конденсаторов связи, фильтров присоединения выполняется
Проходная
присоединением к ЗУ ПС.
У места присоединения
тока в 2-х напpавлениях,
а в pадиусе
заземляющего спуска предусмотрено pастекание
3-х метpов - в 4-х напpавлениях к ЗУ ПС.
Кpоме того, в местах заземления ТТ и ТH в pадиусе
T1
1000
3-х - 5-ти метpов от них пpедусматpивается
веpтикальный заземлитель. Длина заземлителя -
T2
1000
5 метров.
- Для снижения импульсного потенциала в ОПУ на "контуpном заземлителе", который
77000
pасполагается вокpуг ОПУ на pасстоянии 1 метpа от стен
на глубине 0,5 метpа в местах
входа контpольных кабелей в кабельные помещения ОПУ
Камера переключения
Камера переключения
задвижек N1
не более 6000
не более6000 6000
13000
17000
13400
16000
14000
9000
15000
20000
Насосная станция
пожаротушения
- Вдоль кабельных лотков для прокладки контрольных кабелей, требующих защиты от помех,
задвижек N2
6000
20500
19700
9000
16000
14000
предусматриваются вертикальные
заземлители длиной 5 метров.
в строительной части проекта предусмотрены экранирующие заземлители, выполненные в виде
15000
2-х горизонтальных заземлителей на глубине 0,1 м по всей тpассе под кабельным лотком.
Погрузо-разгрузочная площадка
Вдоль прокладываемых в земле кабелей, требующих защиты от помех,
в комплекте "Кабельное хозяйство. Журналы и раскладка" пpедусмотpены экpаниpующие
заземлители в виде одного экpаниpующего пpоводника, котоpый пpокладывается на глубине
пpокладки кабеля на pасстоянии 0,1 - 0,15 м от кабеля.
Экpаниpующие заземлители объединить между собой в местах выхода кабелей из лотков и
пpисоединить к ЗУ в местах установки ТТ и ТH и к контуpному заземлителю ОПУ на входе
Маслосборник
контpольных кабелей в кабельные помещения ОПУ, а также к ближайшим заземляющим
проводникам вдоль тpассы кабельных лотков.
18 Заземляющие проводники для подключения оборудования к заземляющему устройству учтены
в комплектах, включающих установочные чертежи
соответствующего оборудования.
19 Pаботать совместно со спецификацией оборудования, изделий и материалов
Маслосборник
53000
Взам.инв.N
Разраб.
Нестеров
ОРУ 220 кВ
9000
19800
25000
15400
15400
15400
20700
12000
8000
13300
2500
Подпись и дата
2500
П-39/04-02-031-ЭП
53000
Инв.Nподл
Дополнительные подписи
45000
П-39/04-02-031-ЭП.С.
35200
23000
52800
60000
74000
63000
Номер ячейки
Наименование
функциональной группы
10
9
Автотрансформатор N1
8
7
6
ВЛ 220 кВ
5
на ГПП ХАЗ
ПС 500 кВ Алюминиевая
Изм.
361000
4
3
2
К. уч. Лист
N док.
1
Автотрансформатор N2
Проект ЗУ ПС 500 /220 кВ
Подп.
Дата
Заземление
Гл. спец.
Н. конт.
Проверил
Разраб.
Федорова
Зыков
Кузьменко
Коляева
Заземление
Стадия
Лист
Р
2
Листов
ООО "Сибэнергосетьпроект"
36

37. Вопросы к зачету

1. Заземляющие устройства
электроустановок. Роль заземляющего
устройства в обеспечении ЭМС.
2. Нормирование, проектирование, расчет
и диагностика заземляющих устройств
электроустановок.
37

38.

Спасибо за внимание !
38