ryabkova_e_ya_zazemleniya_v_ustanovkakh_vysokogo_napryazheni

вызываемое битумным слоем при токе промышленной
частоты, может		быть учтено коэффициентом 1					,4.	за¬
Для ВЛ на деревянных опорах с тросами							или с
щитными разрядниками нормированное значение сопро¬
тивления заземления обеспечивается искусственными за-
землителями.			заземлителя опоры			как	элемента
Эффективность
грозозащиты определяется				значением его импульсного
сопротивления. Поэтому для искусственных заземлите-
лей опор в первую			очередь	должны быть использованы
сосредоточенные		заземлители, обеспечивающие					наимень¬
шие импульсные коэффициенты.
К таким заземлителям в хороших грунтах, с относи¬
тельно	малым	удельным		сопротивлением			относятся
один или несколько вертикальных					электродов, объеди¬
ненных	горизонтальной полосой, а				также заземлители
из двух, трех, четырех лучей небольшой длины.								тре¬
В грунтах с большим удельным					сопротивлением
буется такое количество вертикальных электродов,								ко¬
торые из-за взаимного экранирования						уже	не могут
быть хорошо использованы на небольшом						расстоянии от

места ввода тока молнии в центре заземлителя. Вслед¬

ствие этого вертикальные электроды размещаются вдоль лучевых заземлителей большей длины. При использова¬

нии лучевых заземлителей без вертикальных электродов

их длина соответственно увеличивается.

В грунтах с еще большим удельным сопротивлением

необходимая длина лучевых заземлителей может быть

столь велика, что становится целесообразным примене¬

ние одного или двух непрерывных горизонтальных за¬ землителей, соединяющих опоры линии и называемых

противовесами.

Глава третья

РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ ПОДСТАНЦИЙ

И ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ

ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В НЕОДНОРОДНОМ ГРУНТЕ ПРИ ТОКЕ 50 ГЦ

3-1. Обеспечение безопасности на подстанциях

высокого напряжения

Назначением защитного заземления подстанции должно являться ограничение напряжения на теле че¬ ловека £/т до допустимой величины при прикосновении

*10

к заземленным элементам оборудований подстанции, йа

которых может появиться потенциал при перекрытии

или пробое изоляции и протекании тока через зазем-

литель.

Поэтому исходной величиной при расчете заземли¬

теля

подстанции

должно быть

допустимое

UT

§

2

-2

)

,

(

которое

составляет часть напряжения прикосновения

Unp

( 1-3) , т.

е.

разности между потенциалом заземленного

элемента

оборудования и потенциалом точки

земли, на

которой

стоит человек.

Выражение (1

-

3) можно записать в виде

р=

D

£Лц> — Ur /Р,

(3-1 )

где

о*5#ст

< 1

и

определяется

сопротивлением

тела человека, принимаемого обычно равным

1000 Ом,

и сопротивлением растекания тока со ступней

человека,

практически

не

зависящим

и/*.г

от конструкции заземлителя.

На рис.

3-1 схематически

их

показаны разрез и план за¬

землителя

подстанции

из

U*IK

вертикальных

электродов и

о-

сетки, а также кривая

рас¬

4

пределения '

потенциала

на

а)

•О

поверхности земли по линии

“Я

А

А, показанной на плане.

б)

Максимальный—

потенциал

на

поверхности

земли

(не

а

в

месте

^

вода

тока)

не¬

сколько

ниже потенциала на

заземлителе U=IR, где I

А

А

ток через заземлитель и

R—

и

его

сопротивление,

из-за

расположения

электродов

б)

заземлителя

на глубине h.

Рис. 3

1. Распределение

потен¬

Из

рис.

3-

1

видно,

что

циала -

по

поверхности

земли

tfnp

составляет

часть полно¬

в

поле заземлителя.

го

потенциала

на заземли¬

а

распределение

потенциала;

б

теле,

т.

е.

разрез

заземлителя;

в

заземли¬

—

—

тель в

плане. —

—

Uпр

ОпрU

Qup/R,

(3 2)

,

=

—

-

¬

где

£/пр/ £/

коэффициент—

напряжения

апр

прикоснове¬

ния

характеризующий степень выравнивания потенциа

ла

на

территории подстанции

при данной

конструкции

41

Зйземлителя из вертикальных электродов и сетки из го¬

ризонтальных полос.

Из (3-2) следует, что обеспечить условия безопас

ности на подстанции— , т. е. снизить напряжение прикос¬

¬

новения Unp^ Uт /Р до допустимых значений можно как

снижением потенциала U заземлителя, уменьшая его

сопротивление R, так и уменьшением коэффициента при¬

косновения апр, приняв меры по выравниванию потен¬

циала на территории подстанции. Поэтому расчет за¬ щитного заземления подстанции, т. е. конструкции за¬

землителя, обеспечивающей при расчетном токе замы¬

кания на землю допустимое напряжение прикосновения, состоит из расчета: сопротивления заземлителя R и коэффициента напряжения прикосновения апр.

3-2. Физическое моделирование заземлителей

В рассматриваемом ниже расчете как сопротивле¬ ния, так и напряжения прикосновения заземлителей сложной конструкции— используется метод физического

моделирования исследования геометрически подобных

моделей заземлителей в электролитической ванне. Этот

метод был применен в исследованиях МЭИ на кафедре

техники высоких напряжений [29, 30, 31, 32].

Основой физического моделирования заземлителей при токе 50 Гц является теория подобия [33], которая

устанавливает необходимые и достаточные условия по¬

добия электрических полей в модели и в натуре. Эти условия заключаются в пропорциональности сходствен¬

ных параметров и в равенстве критериев подобия

и как следствие

Rl/ p=idem

(3-3)

(З-За)

где /

UnpIIR=UiWfU=idem,

основной

линейный

размер

заземлителя; р

удельное—

сопротивление среды;

1/щ,

разность

потен—¬

циалов

между заземлителем

и

точкой—

на поверхности

земли.

отно¬

Масштабы моделирования представляют собой

шения параметров модели к параметрам натуры

-

=

/

Ан.

т

-

Ам

(3 4)

Критерий подобия

(3 3)

может быть

записан также

в виде

_ у

_

ад

(3-5)

п1

Рм .

Рм .

т ж

99

42

Отсюда находим, что для подобия полей в натуре и

модели масштабы должны быть связаны уравнениями

mRmiт	=1'	ти	~ j
9		mImR

и масштаб сопротивления заземлителя будет:

	тR	тр	—	ти
		mi		m j

(3-6)

(3-7)

При выполнении последнего условия масштабы на¬

пряжения и тока могут быть произвольны, так как со¬

противления заземлителей при токах промышленной частоты R=const и нас интересуют только относитель¬

ные значения напряжения прикосновения в поле за¬

землителя.

При установлении масштаба длины mi учитывались размеры ванны, в которой должны были проходить

испытания. Размеры модели должны быть достаточно малыми по сравнению с ванной, с тем чтобы стенки

ванны не искажали поле вблизи заземлителя.

Представим себе заземлитель, состоящий из контура

с вертикальными электродами, соединенными полосой,

и уподобим его эквипотенциальной поверхности диска-,

расположенного у поверхности земли. При радиусе мо дели в 4 раза меньше радиуса ванны на основании рас¬

чета поля диска получим, что эквипотенциальная по¬ верхность диска почти не отличается от полусферы.

Следовательно, ванна должна иметь форму полусферы
или же прямоугольную с		высотой, равной половине го¬
ризонтального ее размера.			помещения была		выбрана
Исходя из имеющегося
ванна размером 2X 2X 1		мэ. Ванна		заполнялась			водо¬
проводной, водой, имитирующей однородный грунт.
Расчеты электрического поля показали, что в						такой
ванне можно исследовать			модели	заземлителей			пло¬
щадью не только 0,5x0,5 м2, но и 1 x1 м2. Однако при
этом следует учесть	поправки на			конечные	размеры
ванны, стенки которой	не	являются		поверхностью нуле¬
вого потенциала.

Сопротивление модели заземлителя в бесконечной среде со¬ ставляет: •

(3-8)

43

где

RU» M

измеряемое

в ванне сопротивление

модели по отношению

к ее стенкам—

;

Д/? =р/2яг

поправка

на

конечные

размеры ванны,

принимаемой

за

полусферу—

радиусом

r =.1 м,

равная

ее сопротив¬

лению

в

среде с

удельным

сопротивлением

воды.

поля модели

Потенциал

рассматриваемой точки

электрического

заземлителя в

бесконечной среде,

т.

е.

относительно

зоны

нулевого

потенциала:

UX =UXU3 „+MJ ,

(3-9)

где

Us вам

измеряемое

напряжение

между точкой х и стенками

ванны

; ДU=— IAR

падение

напряжения

от стенок

ванны

до зоны

нулевого потенциала— .

в

5

6

*

J

' \

Г

**/л

/

а)

б)

-

*

Рйс. 3-2. Схемы испытания моделей заземлителей.

а

измерение сонротивления

заземлителя; б

измерение потенциала электри¬

ческого

поля

/

автотрансформатор;

3

разделительный

трансформатор;

3 —

электролитическая.

ванна;

4

модель

заземлителя—

;

5

электронный осцил¬

лограф—

; 6

—

регулируемые—

резисторы—

; U

3 — —потенциал

модели—

;

их

—

потенциал

исследуемой точки поля.

Линейный масштаб моделей заземлителей был при¬

нят равным

mi=1/40. Выбрать масштаб меньше ока¬

залось

практически

невозможным из-за

чрезмерного

уменьшения

размеров

отдельных

элементов

модели

.

Таким образом,

при

масштабе mi

1/40

в

ванне мож¬

но исследовать заземлители, имеющие—

в

натуре

размер

40 X 40 м2.

=

1/40

При масштабе

mi

масштаб

сопротивления

из

(3-6)

*

^

—

m.=-пц-=40mР =

40 Рн .

Сопротивление заземлителя в натуре будет:

п

и

Км

_ RM

=

(3

10)

rnR

40

Рм »

—

-

где

RM

сопротивление модели;

рн

удельное

сопро-

тивление грунта

в натуре; рм

—

удельное—

сопротивление

воды в ванне.

44

Измерение сопротивления растекания моделей в ван¬

не производилось

по

схеме

амперметра

—

вольтметра

( рис. 3-2,а)

и

измерение

потенциала

электрического

ноля

модели

заземлителя

—

по

мостовой

схеме

. 3-

2

6).

( рис

,

Включение дополнительного резистора с сопротивлением ДR=

=р/2яг

в

соответствующее

плечо

мостовой

измерительной

схемы

позволяло

измерять относительные

значения

потенциала поля

зазем

¬

лителя и

напряжения

прикосновения через

отношение сопротивлений

в

плечах

схемы.

при равновесии

моста

Действительно,

RlRx

t{Ra~Rx)R2\

+Я2)

—и (Я,-/?*) //?э=Я,/(/?,+/?2).

Отсюда относительный потенциал точки х поля заземлителя

*/

=Я

/

(

?

+Я2

£/

£/,

2

/|

)

и

относительное напряжение прикосновения, т. е. коэффициент на¬

пряжения

прикосновения:

—

-

/

£/,

=

Я,

/

Я

+

-

=UnV

/

Ua

Я2).

a

(Ua

Ux )

(

,

(3 11)

При расчете всякий сложный заземлитель подстан¬

ции, состоящий из

сетки или

из сетки с вертикальными

электродами,

с

отношением

сторон от 1 : 1

до 2 : 1 и

равномерным

размещением

проводников

заземлителя

.может

быть

заменен

расчетной

моделью

,

квадратной

формы при условии равенства площадей S

общей дли¬

ны L и диаметра do горизонтальных проводников, числа

п

и длины /

вертикальных

элекхродов,

глубины

h за

-

ложения^зазёмлителяГ

Действительно, представим себе горизонтальный заземлитель, уложенный по периметру прямоугольника со сторонами а и ft и площадью S. Сопротивление такого заземлителя к больше, чем со¬ противление вытянутой полосы R (табл. 1-2) той же длины, за счет

взаимного экранирования сторон

R' = R + 4*,=1L l n -^- + 4*,. (3-12)

Член Д/? , учитывающий увеличение сопротивления из-за экра¬ нирования, зависит9 от соотношения сторон прямоугольника а и ft. Если площадь, охватываемая заземлителем, постоянна, то периметр

заземлителя растет с увеличением отношения a /ft. Одновременно

уменьшается первый член формулы (3-12) и возрастает ARe из-за уменьшения расстояния между сторонами прямоугольника длиной а.

В результате при изменении соотношения a/ft в широких пре¬ делах (от 1 : 1 до 2 : 1) значение R' остается практически постоян-

4Б

ным. Это позволяет вести расчеты сопротивления заземлнтеля под¬ станции, заменив его реальную конструкцию эквивалентным квадра¬

том со стороной V S , так как погрешность, внесенная такой заме¬

ной, весьма мала.

мера принята длина стороны расчетной модели заземли¬

теля

где 5

его

площадь.

Были

исследованы—

модели

следующих конструкций

заземлителей:

из пересекающихся

проводников

квадратные сетки

с шириной ячейки

b=VS/m,

(3-13)

т —

где

число ячеек по стороне сетки,

m=( LI2)/l$) — 1

или

L'

2VS {m+1);

элек

^

но с вертикальными

сетки той же конструкции,

¬

В качестве основного или

базисного

линейного

¬

раз

тродами по периметру контура длиной /9

с относитель¬

ным

расстоянием

а 1в

,

где а

—

расстояние

между

элек¬

тродами.

/

Число вертикальных электродов

л

==

|4 /5

а.

*

(3 14)

заложения

/

от

-

Глубина

заземлителей

поверхности

земли Н =0

,

$

ч- 0 |1 Л .

3-3. Расчет заземлителей в неоднородном грунте

Ниже приводятся расчеты заземлителей в неодно¬

родном грунте двухслойной структуры с границей раз¬
дела слоев,		параллельной				поверхности земли. В неод¬
нородном грунте для					геометрически подобных заземли¬
телей, помимо			критерия подобия (3-3) , необходимо
выполнить		дополнительные					условия, обеспечивающие
соответствие			геометрии			и	электрических	параметров
рассматриваемых грунтов.						Для двухслойного грунта эти
условия будут:					ii-=idem;
									(3 15)
				VИS =idem,					-
где	р, и р,								и ниж
		удельные			сопротивления верхнего
	слоев —грунта;				— толщина верхнего				J/S —	¬
него				Н				слоя;
основной линейный				размер		заземлнтеля.

46

Расчет сопротивления и наИряжения прикосновений
в ячейке сложного заземлителя в							неоднородном грунте
(при pi	p2)		производится по соответствующим эквива¬
лентным^удельным				сопротивлениям			рэЯ	и рэ1/, при кото¬
рых сопротивление				заземлителя		R	и	напряжение при¬
косновения		в	ячейке заземлителя			Uap имеют то				же зна¬
чение, что		и в неоднородном грунте [34,							35].	принят
Нижний		слой с удельным сопротивлением р2
за базисный, поэтому относительным эквивалентным
удельным	сопротивлением рэ/р2 учитывается влияние на
сопротивление заземлителя					верхнего слоя грунта. От¬
носительные			эквивалентные		удельные				сопротивления
земли получены путем обобщения							аналитических рас¬

четов на ЭВМ, выполненных Всесоюзным институтом

электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) [36, 37].

Эквивалентные удельные сопротивления зависят .от

относительных характеристик грунта (р,/ра, Я/ j/S, Я// ), конструкции и относительных линейных размеров зазем¬

лителя.

При одинаковых

условиях влияние

верхнего

слоя

земли на

эквивалентное

удельное сопротивление рэЯ для

расчета

сопротивления

R всегда меньше, чем на экви¬

валентное

удельное

сопротивление

рэи для

расчета

напряжения прикосновения Uщ>, т. е.

рэЯ ближе к

р2, чем

РэиI

или

рэл/рг

ближе к единице, чем

рэи/ р2-

-

4. Расчет

сопротивления заземлителя подстанции

3

В соответствии с

критерием подобия

(3-3) в

общем

случае сопротивление любого заземлителя в неодно¬

родном грунте с эквивалентным сопротивлением раЯ

будет:

(3-16)

где УЪ

линейный

размер

,

заземлителя

по горизонтали

принятый—

,

,

в качестве базисного; K (d9 [\/rS, L/ yS

IjVS ,

а[1в, hfVS )

безразмерный коэффициент подобия геомет¬

рически

подобных—

заземли елей рассматриваемой кон¬

фигурации и

любой площади^ , зависящий от конфигура¬

ции заземлителя и

от относительных определяющих его

размеров

и глубины заложения.

47

Коэффициенты подобия расчетных формул опреде¬

лены экспериментально методом

физического моделиро¬

вания в электролитической ванне.

заземлителей

по¬

В основу

анализа

сопротивлений

ложено рассмотрение

максимального

Ямакс

и

минималь¬

ного Ямин

сопротивлений заземлителя,

возможных

на

данной

площади.

Максимальное сопротивление на данной площади 5

имеет

расположенный по ее периметру у

поверхности

земли

(Л

=0) контурный горизонтальный

заземлитель,

формула для

расчета

которого

получена

с

использова¬

нием метода средних потенциалов [38, 39]:

.

(

о,233

=

)

« « =

- 0,183 lg -± г-

-

= ^.-pf

-

,

17)

do —

А

(3

где

либо диаметр круглого

проводника

заземлите¬

ля

,

d

(j

bl2\

b

ширина

полосового

заземлителя.

либо

Минимальное—

сопротивление

заземлителя

на

данной

площади

5 будет

—

электродами

при заполнении

всего

объема

земли, определяемого площадью и вертикальным

размером

заземлителя

(параллелепипеда 5iB) :

-

=

(3 18)

где

коэффициент подобия,

равный

численному

значениюЛМин —критерия подобия для металлического парал¬

лелепипеда

объемом

и

зависящий

от

отношения

IJVS.

Значения

SlB определены

экспериментально

ÿ1

[31]:

I

Vs

0

0,0312

0

,0625

0,125

0 , 25

0

,

50

,МНИ/

. •

0,44

0,42

0

,39

не

0,36

0,32

0

,

26

”

Если

электроды

, заземлителя

заполняют

весь

объем

земли,

значение коэффициента А лежит между

Лмин И Лмакс-

Рассмотрим расчетную формулу для сопротивления

заземлителя из

сетки

,

уложенной на глубине h в

неод¬

нородном

грунте

с

эквивалентным

сопротивлением

рэд

R=A&s? jVS, (3-19)

48

где А(т,

dJ\fS ) — безразмерный

коэффициент

подобия

(при Л =

0), зависящий

от

размера

стороны

сетки

(при d0=const) и

от числа

ячеек

т по

стороне

сетки

(рис. 3 3).

-

Ah=Rh

/

Rh=0 учитывает влияние

глубины

Коэффициент

заложения сетки

на ее

сопротивление (рис.

3-4).

Из рис. 3-3 следует, что при т=1, т. е.

для контура

из горизонтального проводника, уложенного у поверхно¬

сти земли по периметру, Л=Лмакс-

Л уменьшается,

При

учащени

сетки

коэффициент

при больших значениях

т не

зависит

от

отношения

^

IJYS=0, см. вы¬

djYS , стремится к Лмин=

0,44 (при

ше) и определяет сопротивление заземления

пластины

«»,=0.44-

.

(3-20)

С увеличением|/\S при прочих равных условиях

зна¬

чение Л несколько возрастает^(рис.

3-3), но сопротивле¬

ние в целом по (3 19) уменьшается,

так как оно обратно

-

пропорционально ]/5.

снижается

Как видно из рис. 3-4, коэффициент Ал

при увеличении относительной глубины заложения Л/]/5,

но с увеличением

частоты сетки, т.

е.

числа

ячеек

по

стороне сетки т,

это снижение уменьшается.

==

1.

Для пластины

при h

/YS ^C.

0,

05

коэффициент

АЛ

Кривые для

сеток

в

¬

расчета

сопротивления

неодно

родном

грунте приведены на рис.

3-5. При pi

<рг

влия¬

ние глубины заложения

мало и им

можно пренебречь.

Из рассмотрения кривых следует, что влияние верх¬

него	слоя грунта с относительным удельным сопротив¬
лением		pi /p2	на эквивалентное удельное сопро¬
тивление		рэл/р2	значительнее		при большом отношении
(Я —	A)/j/S или		Я/J/S,	а	также при меньшей час¬
тоте	сетки, характеризуемой				величиной т.

Расчетная формула для сопротивления эаземлителя из сетки с. вертикальными электродами, уложенного на

глубине h в неоднородном грунте с эквивалентным со¬

противлением рэя, будет:			.	*
4— 534	«=лиаксдд	-			(3-21)
	* ^				49