ryabkova_e_ya_zazemleniya_v_ustanovkakh_vysokogo_napryazheni
.pdf
Щ_ SiЩ
OJOHOciqs
хенаонешэЛ а
К ипнэшл1вее£ Шл
Е.
Я.
РЯБКОВА
Заземления
в
установках
высокого напряжения
Ш
М О С К В А |
|
«Э Н Е Р Г И Я |
|
1 |
9 7 8 |
»
ББК 23.2.4
Р 28
УДК 621.316.99
Рябкова Е. Я.
Р 98 Заземления— в установках— высокого напряже¬
ния. М.: Энергия, 1978 г. 224 с., ил.
65 к.
В книге рассмотрены вопросы проектирования защитных заземле¬
ний и заземлений грозозащиты линий электропередачи и подстанций
высокого напряжения. Приводятся стационарные и импульсные харак¬ теристики грунтов и описание метода физического моделировании, используемого для исследования заземлителе! ори 60 Гц и при им¬
пульсных токах молнии в грунтах с удельным сопротивлением меяее-
2500 Ом м. Для расчета импульсных сопротивлений одиночных эазем
лителей даются приближенные аналитические методы расчета.
Книга рассчитана на инженеров, занимающихся проектированием электрических установок высокого напряженки, на инженерно-техни¬ ческий персонал энергосистем, а также на аспирантов и студентов старших курсов электроэнергетических вузов.
30311-280 |
39 78 |
|
|
|
|
|
|
ББК 23.2.4 |
Р 051(01) 78 |
|
|
|
|
|
|
0П2.13 |
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Елена'Яковлевна Рябкова |
||||||
|
ЗАЗЕМЛЕНИЯ В УСТАНОВКАХ |
|||||||
|
|
ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ |
||||||
|
|
Редактор В. 3. Анненков |
|
|||||
|
Редактор издательства Э. |
К. |
Биленко |
|||||
|
Художественный |
редактор Д. |
И. |
Чернышев |
||||
|
Технический редактор |
А, |
М. Сатарова |
|||||
|
|
Корректор 3. |
Б. |
Драновскал |
|
|||
|
|
ИБ JA 769 |
|
|
|
|
||
Сдано в набор 31.01.78 Подписано к печати 23.06.78 |
|
Т 12813 |
||||||
Формат 84XI08VM |
|
Бумага типографе ая М 2 - |
||||||
Гарн. шрифта литературная |
Печать высокая |
|
* |
|
|
|||
Уел. пей. л. 11.76 |
||||||||
Уч.-иэд. л. 12,34 |
Тираж 25 000 |
экз. |
|
Зак. 534 |
Цен* 65 к. |
|||
Издательство «Энергия» , 113114, Москва, М-114, Шлюзовая неб., 10 |
||||||||
Московская типография |
НО Союэполвграфпрома |
при Госу¬ |
||||||
дарственном комитете Совета Министров |
СССР по делам изда¬ |
|||||||
тельств, полиграфии и книжной торговли. |
Москва, |
MJ1I14, Шлю¬ |
||||||
|
|
зовая наб., 10. |
|
|
|
|
|
|
|
|
© |
Издательство синергия», 1978. |
|||||
Предисловие
Развитие промышленности и электрификации сель¬
ского хозяйства вызывает значительное увеличение мощностей, числа подстанций и протяженности линий высокого напряжения. В связи с этим возрастают труд¬
ности по выполнению защитных заземлений для обеспе¬
чения безопасности обслуживающего персонала и за¬
землений грозозащиты линий и подстанций для повы¬
шения их грозоупорности и бесперебойности снабжения
потребителей.
Отдельные вопросы проблемы заземлений рассмат¬ ривались различными авторами как в СССР, так и за
рубежом. Однако достаточно полного и систематизиро¬
ванного освещения этой проблемы, в особенности по
заземлению грозозащиты, не имеется.
В настоящей книге приводится материал, отвечаю¬ щий современным требованиям к заземлениям и необ¬
ходимый для проектирования защитных заземлений и
заземлений грозозащиты подстанций высокого напряже¬
ния переменного тока в грунтах различного удельного сопротивления и неоднородных по своему строению.
Рассматриваются физические характеристики грун¬
та при растекании тока 50 Гц и особенности его пове¬
дения при импульсных токах молнии.
Приведенные характеристики заземлнтелей подстан¬ ций н1 линий при токах 50 Гц и токах молнии-в грунтах
с удельным! сопротивлением— меньше 2500 Ом м получе¬ ны с ^пользованием метода физического моделирования заземлнтелей. Для расчета импульсных сопротивлений
одиночных заземлителей сосредоточенных, протяжен¬
ных р противовесов даются приближенные аналитиче¬ ские методы расчета.
з
Полученные импульсные характеристики заземлпте-
лей позволяют оценить грозоупорность подстанций при
прямых ударах молнии в случае присоединения молние¬
отводов к заземлителю подстанции или при устройстве
для них отдельного заземлителя.
В связи с возрастанием токов однофазного коротко¬ го замыкания в системах с заземленной нейтралью воз¬
никла необходимость перехода от нормирования защит¬
ных заземлений подстанций по сопротивлению к норми¬
рованию по допустимому напряжению на теле человека.
Учитывая это, в книге приводятся методика и пример
расчета защитного заземления подстанций как по вели¬
чине сопротивления, так и по напряжению прикосно¬
вения.
В книге использованы, в основном, материалы иссле¬
дований самого автора и исследований, проведенных под
его руководством кандидатами техн. наук А. А. Воро¬ ниной, В. М. Мишкиным и В. 3. Анненковым.
Расчетные характеристики двухслойных грунтов при¬ водятся по данным расчетов на ЭВМ, проведенных
в ВИЭСХ, а расчет сопротивлений свайных фундаментов |
|||||||||
опор линий электропередачи |
— по статьям НИИПТ. |
||||||||
Работа |
над материалом |
книги велась на кафедре |
|||||||
ТВН МЭИ |
— кафедре с научной школой доктора техн. |
||||||||
наук, |
проф. Л. И. Сиротинского и достойного его преем¬ |
||||||||
ника |
доктора техн. |
наук, проф. |
Д. |
В. |
Разевига. |
||||
Автор глубоко |
признателен |
Л. |
И. |
Сиротинскому и |
|||||
Д„ В. |
Разевигу, под |
руководством |
которых |
автор про¬ |
|||||
должительное время работал. |
|
|
зав. |
кафедрой |
|||||
Автор |
выражает |
благодарность |
|||||||
В. П. |
Ларионову за помощь в работе над книгой и ра¬ |
||||||||
ботникам кафедры |
Л. Ф. Дмоховской за ценные советы |
||||||||
по рукописи, В. В. Баэуткину за |
замечания по ней и |
||||||||
Н. К. Сергеевой за участие в проведении экспериментов. |
|||||||||
Глава 8 |
написана совместно с В. 3. Анненковым. |
||||||||
Автор просит читателей сообщить в изд-во «Энергия»
по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая набереж¬
ная, 10 свои замечания и пожелания, которые будут
приняты с благодарностью.
Автор
Глава первая
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ
1-1. Назначение и виды заземлений. Сопротивление
заземлителя при стационарном токе и токе молнии
Заземлением какой-либо части электрической уста¬ новки называется преднамеренное соединение ее с за¬
земляющим устройством с целью сохранения на ней до¬
статочно низкого потенциала и обеспечения нормальной
работы системы или ее элементов в выбранном для них
режиме.
Различают три вида заземлений: рабочее заземление,
защитное заземление для безопасности людей и зазем¬ ление грозозащиты оборудования установки.
К рабочему заземлению относится заземление ней¬
тралей силовых трансформаторов и генераторов, глухое или через дугогасящий реактор для гашения дуги за¬ мыкания на землю, трансформаторов напряжения, реак¬ торов поперечной компенсации в дальних линиях элек¬
тропередачи и заземление фазы при использовании земли в качестве рабочего провода.
Защитное заземление выполняется для обеспечения
безопасности в первую очередь людей, обслуживающих электрическую установку, путем заземления металличе¬
ских частей установки, которые нормально не находят¬
ся под напряжением, но могут оказаться под напряже¬ нием при перекрытии или пробое изоляции.
Заземление грозозащиты служит для отвода тока
молнии в землю от защитных разрядников и молниеот¬
водов (стержневых или тросовых) .
Рабочее и защитное заземления должны выполнять
свое назначение в течение— всего года, тогда как зазем¬ ление грозозащиты лишь в грозовой сезон.
Для осуществления любого вида заземления требует¬
ся заземляющее устройство, состоящее из заземлителя,
располагаемого в земле, и заземляющего- проводника,
соединяющего заземляемый элемент установки с зазем-
лителем.
6
Заземлитель может состоять из одного или многих
вертикальных и горизонтальных электродов и характе¬
ризуется значением сопротивления от поверхности за-
землителя до уровня нулевого потенциала, которое окру¬
жающая земля оказывает стекающему с него току.
Сопротивление заземлителя определяется отношением по¬
|
|
|
тенциала на |
заземлителе |
|||||
|
|
|
к стекающему с него току. |
||||||
|
|
а |
В качестве электродов |
||||||
I |
|
заземлителя |
обычно |
ис¬ |
|||||
|
|
||||||||
|
Q |
$ |
пользуются |
как |
верти¬ |
||||
|
кальные стержни, так и |
||||||||
|
|
горизонтальные |
полосы, |
||||||
|
|
которые |
могут |
иметь |
|||||
|
Ъ |
большую |
длину. |
Наибо¬ |
|||||
T Xi т |
и |
лее просто рассчитывает¬ |
|||||||
- |
|
ся |
сопротивление |
зазем¬ |
|||||
(ГГ |
го |
|
лителя полушаровой фор¬ |
||||||
|
|
мы |
|
|
|
|
, |
что |
|
|
|
|
. |
|
Предположим |
||||
|
|
|
такой |
заземлитель |
при |
||||
|
|
|
соединен к |
баку |
|
¬ |
|||
|
|
|
транс¬ |
||||||
Рис. 1-1. К |
расчету сопротивления |
форматора |
и |
отводит в |
|||||
землю ток частоты 50 Гц |
|||||||||
полушарового электрода и опреде |
в |
случае |
|
перекрытия |
|||||
лению напряжения прикосновения*- |
|
||||||||
|
и шага. |
или |
|
пробоя изоляции |
|||||
|
|
|
(рис. |
1-1). |
|
|
|
|
|
Сопротивление элементарного слоя земли между эквипотенциальными поверхностями (полусферами) с ра¬ диусами г и r +dr в грунте с удельным сопротивле¬
нием р
,п dr
и все сопротивление растекания тока с заземлителя-
полушара радиусом г0 составит:
ОО |
|
|
00 |
(1-1) |
|
|
|
2ПГд ’ |
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
го |
|
Потенциал точек земли |
|
на расстоянии г |
от центра |
|
заземлителя |
|
] |
«=4r . |
|
' |
= |
С- |
||
U |
‘ |
d |
2) |
|
|
|
|||
г
6
и при г*=г, потенциал вавемлителя
/@
2яг, »
—ток замыкания на землю установки, стекающий
сзаземлителя при нарушении изоляции трансформатора. Если во время протекания тока / человек касается
бака |
трансформатора, то к нему оказывается приложен¬ |
|||||
ным |
напряжение, равное разности потенциалов бака Uo |
|||||
и земли в месте расположения ног человека |
Ur, назы¬ |
|||||
ваемое н а п р я ж е н и е м п р и к о с н о в е н и я: |
|
|||||
|
|
U^Uo-Ur. |
|
|
|
|
При этом пренебрегаем незначительным искажением |
||||||
поля |
заземлителя из-за ответвления тока в сопротивле¬ |
|||||
ние тела человека |
и |
сопротивление |
растекания |
его |
||
ступней. |
н а |
- |
|
. |
• |
|
Н а п р я ж е н и е |
т е л е ч е л о в е к а с |
сопротив¬ |
||||
лением /?т |
|
|
|
|
|
|
|
Ur=Uav-Ucr=U"Р ЯТ + 0 ,5ЯСТ » |
|
(1-3) |
|||
где Uст — падение напряжения в сопротивлении расте- кания с двух ступней человека в землю Rcт /2.
Приближенно
|
|
*ст £ |
р' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4Г 1 4-0,08 = 3р', |
|
|
|
— |
|||||
если принять ступню за диск радиусом в 8 см, где р' |
|||||||||||
удельное сопротивление верхнего слоя земли. |
|
||||||||||
Человек, идущий к трансформатору, оказывается под |
|||||||||||
ш а г о в ы м н а п р я ж е н и е м |
Um, |
которое |
зависит от |
||||||||
длины шага и расстояния человека до заземлителя. Во |
|||||||||||
всех случаях напряжение на теле человека UT при шаге |
|||||||||||
будет меньше, чем при прикосновении, так |
как всегда |
||||||||||
а относительное сопротивление |
пути тока через человека |
||||||||||
при шаге р |
, |
р |
— |
меньше, чем |
|
/?т |
/ |
я |
|
||
|
|
, |
5 |
• |
|
||||||
RT |
-f |
- 2RCT |
|
|
ят+;о |
?ст |
|
|
|||
Для обеспечения безопасности обслуживающего пер¬
сонала заземляющее устройство электрической установ¬
ки следует проектировать таким образом, чтобы напря¬ жение на теле человека от (7пр и [/ш в любых условиях
7
не превосходило допустимых или безопасных для чело¬
века значений. Достигнуть этого можно снижением со¬ противления заземлителя, выравниванием кривой рас¬
пределения потенциала заземлителя по поверхности
земли вблизи заземленных объектов, а также увеличе¬
нием удельного сопротивления верхнего слоя земли, например, путем подсыпки гравия или путем использо¬ вания изолирующих площадок и бот.
Сопротивление заземлителя при растекании с него
импульсного тока молнии отличается от сопротивления
птгТПТ |
|
L |
L |
|
|
||
|
9 |
9 |
9 |
|
/ZWv |
|
|
Рис. 1-2. Схема |
замещения заземлителя длиною |
/ без учета его емко¬ |
|
|
|
сти при импульсном токе. |
|
заземлителя при токе 50 Гц. Отличие вызывается боль¬ шим значением тока молнии 1 (до 200 кА) и значитель¬ ной скоростью его изменения во времени на фронте им¬
пульса тока Тф длительностью в несколько микросекунд
[1, 2, 3].
В общем случае схема замещения заземлителя не¬
которой длины I при импульсном токе состоит из рас¬ пределенных параметров: проводимости g, индуктив¬ ности L, активного продольного сопротивления г и емко¬
сти С относительно земли, т. е. емкости электрода отно¬
сительно уровня нулевого потенциала [2]. Активное
продольное сопротивление электродов обычно много |
|||||||||
меньше сопротивления заземлителя и потому практи¬ |
|||||||||
чески не играет роли. |
Для наиболее часто |
встречающих¬ |
|||||||
ся грунтов с удельным сопротивлением |
р 2500 |
Ом |
- |
¬ |
|||||
|
м |
||||||||
емкостные токи |
малы по |
сравнению с токами проводи |
|||||||
|
^ |
|
|
|
|||||
мости. |
В этом случае схема замещения заземлителя |
||||||||
длиной |
I при |
импульсном токе может состоять только |
|||||||
из индуктивностей L и проводимостей g на единицу дли¬ |
|||||||||
ны ( рис. 1-2). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В первые моменты времени после начала протека¬ |
|||||||||
ния импульсного тока по заземлителю |
индуктивность |
||||||||
препятствует проникновению тока к удаленным участкам |
|||||||||
заземлителя, |
и |
они |
слабо участвуют в |
отводе |
тока |
||||
8
в землю. Постепенно распределение напряжения вдоль |
||||||||||||||
заземлителя выравнивается |
и сопротивление его умень¬ |
|||||||||||||
шается |
, стремясь к своему |
предельному значению R |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
||
=1 Igl- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Длительность переходного процесса в заземлителе |
||||||||||||||
зависит от постоянной времени |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
т _ LgP |
_ U |
|
|
|
|
|
|
(1 4) |
|||
|
|
|
|
п2 |
|
n2R > |
|
|
|
|
|
- |
|
|
пропорциональной индуктивности |
всего заземлителя LI |
|||||||||||||
и его проводимости 1 fR. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Для расчета грозозащиты основное значение имеет |
||||||||||||||
сопротивление заземлителя в момент |
времени максиму¬ |
|||||||||||||
ма импульса тока молнии, приближенно принимаемого |
||||||||||||||
за длительность фронта импульса |
тф. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Если Тф>Т, то к интересующему нас моменту вре¬ |
||||||||||||||
мени переходный процесс в заземлителе закончится и |
||||||||||||||
заземлитель будет обладать сопротивлением |
заземления |
|||||||||||||
стационарного режима R. |
Если же, напротив, |
тф соиз¬ |
||||||||||||
меримо с Г, то в момент |
максимума |
тока |
импульсное |
|||||||||||
сопротивление заземлителя |
z>R. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Заземлитель длиной |
/, индуктивность которого не |
|||||||||||||
играет существенной роли при данном грунте и длитель¬ |
||||||||||||||
ности |
фронта |
импульса, |
принято называть |
с о с р е д о¬ |
||||||||||
т о ч е н н ы м, |
если же индуктивность приводит |
к уве¬ |
||||||||||||
личению его сопротивления, то п р о т я ж е н н ы м. |
|
|||||||||||||
В грунтах с большим р |
(2500 О м |
м и более) |
оказы¬ |
|||||||||||
вает влияние и емкость заземлителя- |
|
С, уменьшающая |
||||||||||||
импульсное |
сопротивление, |
заземлителя, в |
|
особенности |
||||||||||
при малых Тф. |
Ошибка в |
расчете сопротивления |
зазем |
¬ |
||||||||||
лителя |
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
при импульсном токе из-за того, что не |
учиты¬ |
|||||||||||||
вается емкость, составляет около 10 |
|
в грунте с удель |
¬ |
|||||||||||
ным сопротивлением |
р=2500 Ом * м% |
|
при |
тф |
2 |
мкс и |
||||||||
в грунте с р |
5000 Ом |
-м — |
при тф |
3,5 мкс. |
|
^ |
|
|
||||||
|
|
= |
|
|
|
^ |
|
|
при |
котором |
||||
Для определения |
расчетного |
времени, |
||||||||||||
можно не учитывать емкость заземлителя, выведена
формула (8-26) .
Влияние большого тока молнии, стекающего с зазем¬
лителя, на его сопротивление связано с возрастанием
потенциала заземлителя a=iz |
( 1-5) |
и напряженности поля в земле |
( 1 -6) |
£=/Р, |
|
где / — плотность тока. |
|
9