ryabkova_e_ya_zazemleniya_v_ustanovkakh_vysokogo_napryazheni

что связано со значительным увлажнением грунта во¬

дой, которая

сама

имеет

значительную

величину

£пр.

По данным Бергера [11]

50%

-

ное

импульсное про¬

бивное

напряжение

речной воды

( р=30

Ом * м) ,

изме

¬

ренное между шарами диаметром D=62,5 мм при рас¬

стоянии s=l см и длительности импульса,

равной Юмкс,

составила 200 кВ /см,

а при 1000 мкс

20

кВ/см.

Сле¬

довательно, у воды имеется

значительная—

зависимость

электрической

прочности

от

предразрядного

времени,

что объясняет

подобную зависимость и у влажных грун¬

тов ( рис. 1 -6).

Рис. 1-7.

Электрическая

кВ/см

»

15

прочность грунтов ( по

Бер¬

геру)

в

зависимости

от

G

\

1

—

—

удельного

сопротивления

V.

л

*

грунта,

при разной длитель¬

10

4

*

ности

импульса

ти (увлаж¬

к

-

3

няющая вода

,

—

5

р 27

Ом • м

при

/ 20:°С).

/

р

смесь-

песка,

глины

-и перегноя.

ТН“

Ю

мкс;

2

песок

ти=

0

юо

гоо

зоо

ш

омм

-70

мкс; 3—

песок—, ти-1000 мкс.

Наибольшее расхождение в величинах £„р у разных грунтов наблюдается вблизи минимума их электриче¬

ской прочности. Для грунтов с большим удельным со¬

противлением, т. е. при очень малой влажности, наблю¬ дается тенденция к сближению их электрических проч¬ ностей (рис. 1 -6) . Пробой, по-видимому, происходит

в порах земли, т. е. в воздушных включениях, вследст¬

вие чего различие природы сухих грунтов сказывается мало.

На рис. 1-7 приводятся результаты измерения элек¬

трической прочности грунтов различного удельного со¬

противления в слабо неоднородном поле ( между шара¬ ми D=62,5 мм и расстоянии s=10 мм), полученные Бергером [11]. Из кривых видно, что общий характер

зависимости £пр=/ (р) аналогичен кривым рис. 1-6.

Зависимости импульсной средней электрической проч¬

ности обычного песка от расстояния s между электро¬

дами диаметром 2 см приводятся на рис. —1 -8 *. Иссле¬ довался песок различной влажности (1 и 4 8% массы;

По данным измерений М В. Соколовой (МЭИ).

20

(

>=1600 и 200 100 Ом -м) .

Испытания проводились

импульсом

с

длительностью—

фронта

6—

8 мкс.

Пробой

происходил

на

фронте

импульса

при

предразрядном

времени 2—

7 мкс.

Как

видно из зависимостей

Enp=f ( s ) ,

с увеличением расстояния между электродами и

неод¬

нородности

поля

средняя

электрическая

прочность

сна¬

чала

резко снижается,

а

затем медленно приближается

к

практически неменяющемуся значению при расстоянии

между электродами s

30

см.

Как видно,

средняя элек¬

трическая

прочность

^

=

влажного песка

=

-*-

при s

30 см для

Ом

-

м)

составляет

« =

кВ

/

см

и

для

(р

Ю0

200

£пр

3,5

сухого песка

(р=1600 Ом

-

м)

—

£пр «4,5 кВ/ см.

кВ/ см

Ц

12

10

Вт Гbinа.

*8

20

Электрод

8

6

*г

о

/ //// ЛУ///////////////////////// //

10

15 б)20

25

30 см

-

а)

Рис.

1

зависимости

от

расстой:

8. Электрическая прочность песка в

а

ния между электродами.

электроды

в

деревянном ящике с

песком

(размеры,

мм);

б

кривые средт

—них

электрических

прочностей. /

—

р-100+

200

Ом • м

;

2

—

р-—1600

Ом • м.

Ниже приведены также некоторые данные измере¬

ний

£пр

песка с

влажностью в 1,3% массы в неоднород¬

ном поле [12].

Испытания проводились в ящике, изоли¬

рованном от

земли и

заполненном мелким песком, после

тщательной

его

трамбовки.

Средняя электрическая

прочность

определялась

при

импульсе

напряжения

2,5/

95—

45

мкс

и

электродах

квадратного

сечения

1

,2 X1,2

см

с расстоянием

между

ними

s=50

см и s=

=

100

см при предразрядном

времени

х

=

*-

1,2-

9 мкс:

s,

см

100

100

50

50

т

,

мкс

5

9

2

3

4

1 ,2

Еар,

кВ/см

3,—12

4,0

3—,86

5,4

21

Определение диэлектрической проницаемости земли е производилось для образцов мелкого грунта с места по¬ левых испытаний протяженных заземлителей (см. гл. 8) ,

что было необходимо для проверки расчетов протяжен¬ ных заземлителей с-учетом их емкости в плохих грунтах

(р>2500-4-5000 Ом м) . Измерение в выполнялось одно¬ временно с измерением удельного сопротивления песка.

Грунт увлажнялся дистиллированной водой с удельным

сопротивлением около 5000 Ом -м. Измерения проводи¬

лись

при

синусоидальном

напряжении

(3

30 В)

и ча

¬

стоте 12,5— 1000 кГц [13].

—

Ниже приводятся

значения удельного сопротивления

песчаного

грунта

и

соответствующие

ему

относитель¬

ные

диэлектрические

проницаемости,

измеренные

при

50 кГц.

Если принять длительность

фронта

импульса

тока молнии за четверть периода синусоидальных

коле

¬

баний,

то

эти

измерения соответствуют длительности

фронта 5 мкс:

р, Ом

-м

•

500

2000

5000 12 500

20 000

«

12

7,1

7 6,5

6,2

Из

приведенных

данных видно, что в диапазоне р=

=2000-4-12 500 Ом -

м

изменение диэлектрической прони

¬

цаемости

невелико

и в среднем

е=7. При р

<

2000 Ом -м

диэлектрическая проницаемость

резко увеличивается.

В области наиболее вероятных фронтов тока молнии

Зг Тфг

Ю

мкс значения диэлектрической

проницаемости

^

^

=5

мкс

не более

чем

на

±

11 %

,

отличаются от е при

Тф

и в приближенных расчетах можно считать

диэлектри¬

ческую

проницаемость

не

зависящей

от длительности

фронта импульса тока молнии.

1 4. Электроды заземлителей,

их стационарное

-сопротивление и распределение потенциала

Для заземлителей используются вертикальные и го¬

ризонтальные

электроды,

уложенные

на

глубине

0,5

1 м от поверхности земли (рис.

1-9) .

—

В качестве вертикальных электродов используются

стальные

трубы,

угловая и круглая (прутковая) сталь

длиной /

= -*-

м.

Наименьшие

поперечные

размеры

2

10

допускаются

следующие: у круглых электродов

диаметр

с/о=6 мм, толщина полок угловой

стали

Ь=4

мм и тол

¬

щина

стенок

стальных

труб bj=3,5

мм.

Наименьшие

22

поперечные размеры электродов диктуются необходи¬

мостью надежной работы заземлителя при коррозии и

могут быть увеличены из условий достаточной механи¬

ческой прочности при погружении их в грунт. Горизонтальные полосовые заземлители в виде лу¬

чей, колец или контуров используются как самостоя¬

тельные заземлители или как элементы сложного за¬

землителя из горизонтальных и вертикальных электро-

—Рис. 1-9. Электроды— заземлителей— .

авертикальный; б горизонтальный; в кольцевой.

дов. Для горизонтальных заземлителей

применяется

полосовая сталь

сечением

не менее 48

мм2

и толщиной

%

мм и круглая

сталь с диаметром не менее

10 мм

[14].

*

Стационарные

сопротивления

вертикальных и

гори¬

зонтальных

электродов

в

однородной

земле определя¬

ются по формулам

табл.

1-

2

,

,

[15 16 17]!

В

однородном грунте глубина

заложения вертикаль¬

ных

электродов

Л

0,5-*

1

м мало влияет

на снижение

их

сопротивления,==и поэтому—

их

сопротивление

может

подсчитываться по формуле табл.

1-2 без учета глубины

заложения,

т. е.

при к=0.

При подсчете сопротивления

заземления

вертикального электрода из угловой стали

эквивалентный диаметр

где

Ъ

—

ширина

сторо¬

ны уголка.

полосового

Для горизонтального

электрода прямо¬

угольного сечения в табл.

1-2

приведены формулы, со¬

sответствующие

укладке

полосы

плашмя, когда

daKB=

==bf 2. Укладка полосы на

ребро по сравнению с

уклад¬

кой

полосы плашмя у поверхности

земли (Л=0) дает

Несколько меньшее сопротивление из-за

более

благо¬

приятных условий

для растекания тока

—

с обоих

пло-

23

Таблица 1-2

Расчетные формулы стационарного сопротивления электродов

Тип электрода

Глуби

-

Сечение электрода

на ук¬

круглое (диаметр do )

прямоугольное ( ширина b )

ладки

Вертикаль ¬

II О

п

-

Р

,

4/

—

R

2я/

ln

d0

ный

/

дли¬

ной

Горизонталь¬

л

= о

я/

а0

п

Р

.]

U

ный

луче¬

я=

ы

п Т

вой

/

дли¬

А

R —

оР> '

In

. . '

г,

Р

,

2/*

ной

R ~

2я1

1п

АЬ

Горизонталь¬

—

ный коль¬

Р .

4 D*

р

.

8яО*

цевой

диа¬

А

п

п

метром D

h ~ 2:iW

ln

"

Д

2n*D

1П АЬ

hdo

скостей полосы

=

при используемых

в прэк

-

(d3KB

b). Но

тике глубинах заложения электродов условия для расте¬

кания тока

уравниваются при обоих укладках

(плашмя

и на

ребро)

и сопротивления

становятся одинаковыми.

Распределение

относительного

потенциала в радиаль

¬

ном направлении от середины горизонтального заземли-

теля,

расположенного у

поверхности земли, определяет

¬

ся по формуле [17]

]sVl +

47*+43

Uг

(1-11)

и

lg

T

—

— радиус

расстояние

где г0

заземлителя

и

г

от оси

заземлителя.

^

Ur

,

На

рис.

1-10 приводятся

зависимости

/ U=f ( r )

для заземлителей длиной /=10-5-40-5-80

м.

Из

рассмот¬

рения кривых следует, что чем длиннее заземлител , тем

более полого спадает его поле.

Более

пологая

кривая

распределения потенциала

по

поверхности

земли ^ведет

к снижению

напряжения прикосновения L/np

и шага I/ш,

что существенно для безопасности при растекании

тока

промышленной частоты.

Распространение поля от длин-

24

пых заземлителей в глубь земли на большое расстоя¬

ние от электрода приводит

к усилению влияния ниже¬

лежащих слоев неоднород¬

ного грунта.

Сравнение сопротивле¬

ний кольцевого и прямоли¬

нейного горизонтальных за¬

землителей при одинаковой

длине электродов показыва¬

ет, что сопротивление коль¬

цевого заземлителя несколь¬

ко больше. Возрастание со¬

противления при укладке

горизонтального заземлите¬

ля в кольцо является след¬

ствием уменьшения сечения

для растекания тока с вну¬

тренней стороны кольца

из-за явления экранирова¬

ния противоположных час¬

тей кольца / и // друг на друга ( рис. Ы1).

1,0 Ur
и
0,8
0,6
ОА
о?					3г
о								г
		5				5		м
Рис. 1	-10. Распределение отно¬
сительного потенциала							в	ра¬
диальном направлении						от сере¬
дины	горизонтальных					заземли¬
телей,	расположенных у						поверх¬
		ности земли.					м: 10 м
Длины		заземлителей			/,
(кривая		/);	40	(кривая			2 ) ,	80
(кривая		3).	Радиус		заземлите-
		прй	г	П П1	и

Действительно, представим себе разрез вертикальной

плоскостью А—

Б кольца диаметром D, расположенного

у поверхности

земли. Если бы диаметр кольца

был

бесконечно большим,

то

ток от

кольца расходился

бы

в землю равномерно во все

стороны

и

распределение

потенциала внутри и снару¬

жи кольца было бы симмет

-Г

трично.

При

конечном

же-

диаметре

кольца,

как

на

рис.

1-11, ток с внутренней

стороны части кольца / уже

не проходит в

пространство

справа

от вертикальной пло¬

скости

ЛВ, которая

является

как

бы

экраном.

Анало¬

Рис. 1-11.

гично ведетсебя и ток спра¬

Растекание тока с

вой внутренней стороны ча¬

сти

кольца

//.

В результате

кольцевого

заземлителя

диа¬

метром

D.

этого

эффекта

взаимного

25

V

t

м

??

M

i1=1

V

ц г

Ши

;

W»»

T

-

-

£j

'..5

5»* ДОДО

tfi

Рис.

1

-12. Распределение

относительного потенциала по

поверхности

земли

вокруг вертикальных

электродов (диаметр </о=0,06

м).

' -Hx -

-UxlUa~t

( xlt ).

a -UjU

) , 6

экранирования уменьшается сечение Земли для растека¬ ния тока с внутренней поверхности кольца, а сопротив¬ ление электрода возрастает. Плотность тока на внешней поверхности увеличивается, а на внутренней уменьшает¬

ся, и распределение потенциала по поверхности земли внутри кольца выравнивается.

в	Выравнивание потенциала		по поверхности земли
	результате	эффекта экранирования внутри замкнутых
контуров из		горизонтальных	электродов используется

на территориях открытых подстанций для снижения

напряжений прикосновения и шага.

В последнее время были усовершенствованы методы погружения вертикальных электродов в грунт, что при¬

вело к возможности использования более длинных вер¬

тикальных электродов (до 20 м) . Применение таких

электродов позволяет достигнуть слоев земли с большей

проводимостью или уровня грунтовых вод и уменьшает влияние сезонных изменений удельного сопротивления грунта на сопротивление заземлителя. Кроме того, бо¬

лее длинные вертикальные электроды обеспечивают

более пологую кривую распределения					потенциала по
поверхности земли, что ведет		к	снижению напряжения
прикосновения и шага [18].		Ux / Uo=f			( x ) распределе		¬
Действительно, из кривых
ния относительного потенциала			по 'поверхности земли
вокруг вертикального электрода			(рис. 1-12,а) , построен				¬
ных по формуле [17]:
	>е
иX						(1 12)
	,	41
						-
	1е	Г
		*		м от		оси электрода
следует, что при расстоянии х=0,8
длиной 1=2 м	£/пр / £/о=0,63, а при /			=20	м	£/пр / £/о=0,42,
т. е. в 1,5 раза	меньше.

26

При выполнении заземления с малым сопротивле¬

нием или в плохом грунте, когда требуется закладка

значительного числа коротких электродов,

длинные вер¬

тикальные

электроды оказываются более экономичными

-

по сравнению с короткими из за меньшего влияния их

электрических полей в земле друг на друге.

элек¬

Взаимное влияние

электродов зависит от числа

тродов п,

отношения расстояния между

ними к их

дли¬

не а/ / и

строения

поля

электрода,

характеризуемого

отношением длины

электрода

к

его диаметру l /

do. При

использовании в заземляющем контуре одинаковой об¬

щей длины (n/=const) коротких

и длинных электродов

отношение

а/

/ остается

постоянным

и

преимущества

длинных электродов объясняются ослаблением взаимно¬

го влияния электродов из-за уменьшения их числа и уве¬

личения отношения l /

dd.

распределения от¬

Рассмотрим кривые UxlUo=f ( x/l )

носительного

потенциала

по поверхности земли вокруг

вертикальных

электродов длиной 1=2

м

и /=20

м в за¬

висимости от относительного расстояния

х /

1 (рис.

1-12,6).

Из сравнения хода обеих кривых видно, что на од¬

ном и том же относительном

расстоянии от электрода

х/1 относительный потенциал

UxlU0 от

короткого элек

трода (1=2 м) , а следовательно,

¬

и его влияние на экра¬

нирование

соседнего

электрода

будет

больше,

чем от

длинного (/=20 м).

длинных

электродов дли¬

Поэтому заземлитель из п\

ной 1\ по

сравнению с

заземлителем

из

п2 коротких

электродов длиной /2

при одинаковом их расходе

=

{ п\1\

=п212) обеспечивает

более низкое сопротивление

из-за

меньшего

взаимного

влияния

электродов при меньшем

их числе.

Глава вторая

ТРЕБОВАНИЯ К ЗАЗЕМЛЕНИЮ СТАНЦИЙ,

ПОДСТАНЦИЙ И ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

2-1. Режимы электрических систем, токи замыкания

на землю и их длительность

Принятые в	и	СССР режимы	электрических систем
с заземленной		с изолированной нейтралью различа¬
ются между собой по характеру,			значениям и длитель-

27

ности токов при однофазных замыканиях на землю,

протекающих через заземляющее устройство станций,

подстанций и линий электропередачи. Как известно, при

режиме сети с заземленной нейтралью ток однофазного

к. з. является по характеру индуктивным током с воз¬

вратом в сеть через нейтрали заземленных трансформа¬

торов. Значение этого тока равняется килоамперам и даже десяткам килоампер. Длительность его протека¬

ния ограничивается действием релейной защиты.

При режиме сети с изолированной нейтралью ток

однофазного замыкания на землю является емкостным,

с возвратом в сеть через емкости неповрежденных фаз.

При компенсации емкостных токов замыкания на землю через место замыкания протекает остаточный— ток, кото¬

рый содержит активную составляющую несколько

процентов емкостного тока, емкостную или индуктивную

составляющую до 5% из-за расстройки дугогасящего аппарата, а также высшие гармонические составляющие.

Этот ток может возрасти при отключении одного из дугогасящих аппаратов для вывода его в ремонт.

При относительно небольшом токе замыкания на

землю в сетях с изолированной нейтралью или с ком¬

пенсацией емкостных токов в общем случае релейная

защита не работает на отключение участка		установки
с замыканием на землю. Поэтому длительность проте¬
кания	тока через заземляющее устройство в	эти	слу¬
чаях	определяется временем, необходимым	для	^само¬
произвольного погасания дуги или для обнаружения и
отключения поврежденного участка.
2-2. Защитное заземление подстанций в системе
	с заземленной нейтралью
Вероятность поражения человека электрическим то¬
ком под действием напряжения прикосновения и			шага
определяется как значением тока замыкания на зем)по,
так и длительностью его протекания. Длительность про¬

текания тока замыкания на землю не только усугубляет

его	физиологические последствия от протекания трка
через человека, но и увеличивает вероятность					его По¬
падания под напряжение прикосновения и				шага.
к	В соответствии с этим		требования, предъявляемые
	защитному	заземлению	электроустановок, должны
определяться		допустимым	значением тока	через тело

28

человека с учетом его длительности и вероятности по¬

падания человека под напряжения прикосновения и ша¬
га. Этот ток определяет допустимое значение напряже¬
ния на теле человека.	устройства электроустановок»
Однако по «Правилам
( ПУЭ) [14] в системах	с заземленной нейтралью за’
щитное заземление подстанций		высокого напряжения
(до 1977 г.) нормировалось не		по допустимому напря¬

жению на теле человека, а по допустимому сопротивле¬
нию	заземления	/?<0,5 Ом.		(2-1)
В	районах со скалистым грунтом и в районах вечной
мерзлоты при		р>500	Ом * м допускалось	повышенное
значение сопротивления			заземлителя в р/500 раз, но не
более чем в 10 раз.
Кроме того, к заземляющим устройствам установок
с заземленной		нейтралью предъявлялось		требование

о размещении электродов искусственного заземлителя таким образом, чтобы было достигнуто по возможности

равномерное распределение электрического потенциала

на площади, занятой электрооборудованием. С этой

целью вдоль осей оборудования должны были быть

проложены— выравнивающие —проводники на глубине

0,5 0,7 м и на расстоянии 0,8 1 м от фундаментов или

оснований оборудования. При двустороннем расположе¬

нии оборудования и расстоянии между фундаментами или основаниями не более 3 м..допускается увеличение расстояния от них до 1,5 м гсч1рокладкой одного про-'

водника для обоих рядов оборудования. Выравниваю¬ щие проводники должны быть соединены по всей пло¬

щади, занимаемой электрооборудованием, поперечными

проводниками с шагом не более 6 м.

Такие требования ПУЭ [14] к выполнению защит¬

ных заземлений подстанций в системах с заземленной нейтралью не могут характеризовать уровень безопас¬

ности обслуживающего персонала, ведут к перерасходу

металла и во многих случаях трудно выполнимы.

Действительно, защитное заземление электроустанов¬

ки, рассчитанное только по допустимому сопротивлению

заземления без учета значения тока однофазного к. з. и

продолжительности его протекания, не может обеспе¬

чить одинаковый уровень безопасности обслуживающего персонала. Токи однофазного к. з., протекающие через

заземлители различных подстанций, могут отличаться

29