МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Электрические станции» ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОРУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ Методические указания по курсовому и дипломному проектированию для студентов энергетических специальностей Минск БНТУ 2012 УДК 621.316.99:378.147.091.313(075.8) ББК 31.277.1я7 П79 Составитель В. Н. Мазуркевич Рецензенты: В. Н. Сацукевич, М. И. Фурсанов Издание содержит основные сведения о назначении заземляющих устройств электри- ческих станций и подстанций, их нормируемых параметрах, параметрах земли и их сезонных изменениях на территории Республики Беларусь, конструктивном исполнении заземляющих устройств, рекомендации по выполнению заземления различных видов электрооборудова- ния. Приведены методики расчета заземляющих устройств в электроустановках с различным способом заземления нейтрали. Дан пример проектирования заземляющего устройства двух трансформаторной подстанции 110/10 кВ. © Белорусский национальный технический университет, 2012 3 СОДЕРЖАНИЕ 1. НАЗНАЧЕНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК И ИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ................................................................................... 5 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕМЛИ............................................. 8 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО ТОКА СТЕКАЮЩЕГО С ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ........................................... 11 3.1. Расчетный ток для ЗУ в эффективно-заземленных сетях.. 11 3.2. Расчетный ток для ЗУ в сетях выше 1 кВ с незаземленной нейтралью и заземленной через дугогасящие реакторы................ 12 4. НОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ КОНСТРУКТИВНОМУ ИСПОЛНЕНИЮ...................... 13 4.1. Требования к ЗУ ЭУ с эффективно-заземленной нейтралью, выполняемого по норме на допустимое сопротивление.................................................................................... 13 4.2. Требования к ЗУ установок с эффективно-заземленной нейтралью, выполняемым по норме на допустимое напряжение прикосновения.................................................................................... 18 4.3 Требования к ЗУ электроустановок напряжением выше 1 кВ с незаземленной нейтралью или заземленной через дугогасящие реакторы............................................................. 19 4.4. Конструктивное исполнение заземляющих устройств в закрытых РУ, зданиях пунктов управления и релейных щитов.............................................................................. 20 4.5. Выбор сечений элементов заземляющих устройств........... 23 4.6. Определение сопротивления естественных заземлителей, имеющихся на территории ЭУ, где сооружается ЗУ...................... 26 4.7 Конструктивное исполнение заземления молниеотводов ОРУ.. 28 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК НАПРЯЖЕНИЕМ ВЫШЕ 1 кВ........... 32 5.1. Последовательность проектирования ЗУ............................ 32 5.2. Расчет электрических параметров ЗУ в электроустановках выше 1 кВ с незаземленной нейтралью или заземленной через дугогасящие реакторы....................................................................... 34 4 5.3. Расчет электрических параметров ЗУ в установках с эффективно-заземленной нейтралью, выполняемое по норме на допустимое сопротивление.......................................... 38 5.4. Расчет электрических параметров ЗУ в электроустановках с эффективно-заземленной нейтралью, выполняемого по норме на допустимое напряжение прикосновения.................... 40 6. ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗУ ДЛЯ ДВУХТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ 110/10 кВ.............................................................. 44 ЛИТЕРАТУРА............................................................................. 53 ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................... 54 5 1. НАЗНАЧЕНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК И ИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ При повреждении фазной изоляции проводников электрических установок (однофазные замыкания) в месте повреждения возникает ток, значение и продолжительность протекания которого зависят от способа заземления нейтрали электрической сети. В сетях с неза- земленной нейтралью или заземленной через дугогасящие реакторы ток однофазного замыкания обычно не превышает нескольких де- сятков или сотен ампер, а продолжительность его протекания мо- жет составлять несколько часов. В эффективно-заземленных сетях ток заземления достигает тысяч ампер, но продолжительность его протекания не превышает десятых долей секунды, поскольку по- врежденный участок сети отключается автоматически релейной за- щитой. От места повреждения ток замыкания Iз возвращается к ис- точнику энергии частично по проводникам – частично через землю. Поскольку удельное сопротивление земли существенно превышает удельное сопротивление проводниковых материалов, то в месте перехода тока в землю возникают значительные напряжения. Эти напряжения опасны для обслуживающего персонала и для их сни- жения в электроустановках сооружается заземляющее устройство (ЗУ), к которому присоединяются все металлические части уста- новки нормально не находящиеся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением из-за повреждения изоляции. Основой заземляющего устройства (ЗУ) является заземлитель, представляющий собой систему неизолированных проводников, находящихся в контакте с землей и предназначенных для проведе- ния тока в землю. Конструктивно заземлитель открытых распреде- лительных устройств (ОРУ) электростанций и подстанций выпол- няется в виде замкнутой сетки из стальных прутков или шинок. За- земляющую сетку сооружают на территории расположения обору- дования в земле на глубине 0,5–0,7 м и она состоит из продольных и поперечных горизонтальных заземлителей, дополняемых по внешнему контуру вертикальными заземлителями (электродами). К 6 заземляющей сетке присоединяют заземляемое оборудование с по- мощью коротких заземляющих проводников – спусков и все так называемые естественные заземлители, имеющиеся на территории электроустановки: металлические оболочки и броня кабелей, водо- проводные трубы, проложенные в земле, заземленные грозозащит- ные тросы, металлоконструкции фундаментов и др. При пробое изоляции заземленного электрического аппарата его корпус и заземлитель окажутся под напряжением Uз : U I Rз з з , (1.1) где Iз – ток замыкания, стекающий в землю с заземляющего устройства, А; Rз – сопротивление заземления (сопротивление стеканию тока с заземлителя), Ом. Растекание тока с электродов заземлителя приводит к постепен- ному уменьшению потенциала почвы с удалением от электродов. В результате человек, прикоснувшись рукой к корпусу оборудования с поврежденной изоляцией, оказывается под напряжением, которое определяется как разница между потенциалом на корпусе и потен- циалом на поверхности земли или пола, где он стоит. Это напряже- ние, называемое напряжением прикосновения Uпр , составляет долю от напряжения на корпусе: U Uпр пр з , (1.2) где пр – коэффициент напряжения прикосновения зависящий от условий растекания тока с заземлителя и ступней человека. Таким образом, изменяя условия растекания тока с заземлителя и человека, сопротивление заземляющего устройства можно сни- зить напряжение прикосновения до допустимых пределов. Значе- ние допустимых пределов напряжения прикосновения или против- ления ЗУ в электроустановках (ЭУ) с разным способом заземления 7 нейтрали и особенности конструкции ЗУ нормируются Правилами устройства электроустановок (ПЭУ). Заземление, обеспечивающее безопасность персонала, называет- ся защитным и оно обязательно для всех ЭУ при напряжениях 380 В и выше переменного тока, 440 В и выше постоянного тока, а в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках – при напряжении 42 В и выше переменного тока, 110 В и выше постоянного тока 1 . Кроме защитного в ЭУ различают рабочее и грозозащитное за- земления. Рабочее заземление предназначено для создания нор- мальных условий работы электрических аппаратов или ЭУ. Без не- го аппарат не может выполнить своих функций или нарушается ре- жим работы электроустановки. Заземление, к которому присоединяются аппараты защиты обо- рудования от повреждения ударом молнии – разрядники, ограничи- тели перенапряжений, искровые промежутки, стержневые и тросо- вые молниеотводы, называется грозозащитным. Обычно в ЭУ для выполнения всех трех типов заземлений используют одно заземля- ющее устройство. Электрические параметры ЗУ ( Rз , Uз , Uпр ) во многом зависят от величины удельного сопротивления земли. Земля неоднородна по механическому составу, содержанию влаги, солей, температуры. Верхний слой земли толщиной около 2 м в течение года изменяется в широких пределах: мороз и засуха увеличивают удельное сопро- тивление, дожди уменьшают его. Этот слой земли называют слоем сезонных изменений. Поэтому при проектировании ЗУ конкретной ЭУ удельное сопротивление земли на ее территории определяют эксперимен- тально. Под проектированием ЗУ понимают процесс составления его описания, необходимого для создания ЗУ в конкретных условиях и обеспечивающих соответствие всех электрических характеристик ЗУ и требований к конструктивному исполнению действующим нормам при оптимальных затратах на сооружение и эксплуатацию на протяжении всего срока службы (25 лет). 8 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕМЛИ Под термином земля понимают верхний слой земной коры, по которому протекает ток однофазного замыкания. Проводимость земли обусловлена наличием влаги между частицами и растворен- ных в ней солей. Удельное электрическое сопротивление земли ( з ) зависит от многих факторов, в том числе и от количества и толщины слоев, по которым протекает ток. В общем случае земля имеет многослойное строение и ее удельное сопротивление изменяется при перемещении по горизонтали и в глубину. В табл. 2.1 приведены приближенные значения удельного сопро- тивления однородного грунта при нормальных условиях ( o15 Ct , влажность 10–20 %) 3 . Таблица 2.1 Приближенные значения удельных сопротивлений грунта и воды Вид грунта , Ом м Возможные пределы Рекомендуемые для предварительных расчетов Песок Супесок Суглинок Глина Садовая земля Чернозем Торф Вода равнинных рек Морская вода 400–1000 и более 150–400 и более 40–150 и более 8–70 и более 40 10–50 и более 20 10–80 0,2 700 300 100 40 40 20 20 50 0,2 Поверхностный слой земли, через который протекает ток от ног человека, прикоснувшегося к оборудованию с поврежденной изоля- 9 цией, имеет удельное сопротивление, отличающееся от сопротивле- ния самого грунта. Для условий Республики Беларусь средние зна- чения удельного сопротивления поверхностного слоя земли ( пз) приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2. Значения удельного сопротивления поверхностного слоя пз для Республики Беларусь 2 Грунт на территории электроустановки пз, Ом м Травяной покров на глинистом грунте, глины, чернозем, супеси, суглинки 250 Бетон, песок, песчано-гравийная смесь 2000 Щебень, метлахская плитка 15000 Асфальт 100000 Основным способом определения удельного сопротивления зем- ли на площадке размещения оборудования электроустановки явля- ется его измерение методом вертикального электрического зонди- рования (ВЭЗ). ВЭЗ проводится по методике, изложенной в специ- альной литературе 3, 4 . Результаты ВЭЗ обрабатывают и по полу- ченным данным определяют число слоев земли, их толщину и удельное сопротивление каждого из них. Удельное сопротивление верхнего слоя земли (слоя сезонных изменений) hэ в течение года меняется в широких пределах. Для проектирования ЗУ необходимо знать максимальные и минималь- ные значения сопротивления этого слоя. Эти значения устанавли- ваются путем проведения ВЭЗ в разные сезоны года или с помощью поправочных коэффициентов, зависящих от влажности земли при проведении ВЭЗ. В табл. 2.3 приведены значения сезонных коэффи- циентов и толщины слоя сезонных изменений (hс) земли для усло- вий Республики Беларусь 2 . Максимальные значения сопротивления слоя сезонных измене- ний в Республике Беларусь бывает в конце зимы. Этот сезон года называется расчетным сезоном для расчета параметров ЗУ. Методика расчета параметров ЗУ разработана применительно к однородной или двухслойной земле. Если по данным обработки 10 ВЭЗ установлено, что число слоев земли три и более, то полученные данные приводят к эквивалентной двухслойной. Параметры эквива- лентной двухслойной земли устанавливаются такими, при которых заземлитель обладает одинаковой электрической характеристикой (RЗУ), что и в многослойной земле. Методика приведения много- слойной земли к эквивалентной двухслойной здесь не рассматрива- ется. Предполагается, что в учебном проектировании ЗУ необходи- мые исходные данные задаются. Таблица 2.3 Значение сезонных параметров земли для Республики Беларусь 2 Коэффициент сезонных изменений, Кс Глубина слоя сезонных изменений hс, м Усредненная величина Влажность грунта перед проведением ВЭЗ Повышенная Средняя Пониженная 3,4 5,0 3,0 2,0 1,8 При этом возможны три случая 4 : – когда глубина слоя сезонных изменений hc равна глубине верх- него слоя земли (hc=h1); – когда hc больше глубины верхнего слоя земли (hc>h1); – когда hc меньше глубины верхнего слоя земли (hc Rз.н., то необходимо сооружение искусственного за- землителя, величина сопротивления стеканию тока с которого: . . , Ом . . R Rе н Rиск R Rе з н ; (5.1) 5. В соответствии с рекомендациями (раздела 4) разрабатывают предварительную конфигурацию заземлителя и рассчитывают сопро- тивление горизонтальной сетки (Rз.г.), проложенной на глубине t 3 : 0, 44 , . экв экв R з г LS г (5.2) где S – площадь заземлителя, м2; Lг – суммарная длина горизонтального заземлителя, м; экв – эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ом м. Для однородных электрических структур земли экв = Кс· з . 35 Для двухслойной земли: экв – определяется по данным табл. 5.1; Кс – принимают по табл. 2.3; 1п, 2п – расчетные приведенные удельные сопротивления пер- вого и второго слоев земли (см. раздел 2). Таблица 5.1 Относительное эквивалентное сопротивление земли экв / 2n для горизонтальной заземляющей сетки (без вертикальных электродов) [3]. 1 2 п п Lг S 2 экв п при S th 0,00625 0,0125 0,025 0,05 0,1 0,2 0,4 1 0,125 0,125 0,125 0,125 4 6 10 18 0,57 0,64 0,73 0,68 0,51 0,58 0,64 0,72 0,45 0,51 0,59 0,64 0,38 0,44 0,5 0,56 0,3 0,36 0,41 0,45 0,24 0,28 0,32 0,35 0,19 0,21 0,23 0,25 0,125 0,125 0,125 0,125 0,25 0,25 0,25 0,25 4 6 10 18 0,67 0,74 0,80 0,85 0,62 0,69 0,75 0,81 0,57 0,63 0,69 0,74 0,51 0,57 0,63 0,58 0,45 0,5 0,55 0,6 0,39 0,43 0,46 0,50 0,33 0,35 0,38 0,40 0,25 0,25 0,25 0,25 0,5 0,5 0,5 0,5 4 6 10 18 0,81 0,86 0,9 0,92 0,77 0,83 0,87 0,89 0,72 0,79 0,83 0,86 0,71 0,75 0,8 0,83 0,66 0,71 0,74 0,77 0,61 0,66 0,68 0,7 0,58 0,59 0,61 0,63 0,50 0,50 0,50 0,50 20 20 20 20 4 6 10 18 1,28 1,23 1,16 1,11 1,38 1,29 1,2 1,15 1,45 1,4 1,3 1,19 1,55 1,43 1,33 1,25 1,67 1,51 1,45 1,35 1,73 1.64 1,57 1,46 1,82 1,72 1,67 1,65 2,00 2,00 2,00 2,00 40 40 40 40 4 6 10 18 1,88 1,67 1,47 1,27 2,18 1,92 1,60 1,37 2,37 2,00 1,70 1,50 2,56 2,24 1,94 1,7 2,85 2,48 2,20 1,95 3,10 2,80 2,50 2,35 3,40 5,20 3,00 2,85 4,00 4,00 4,00 4,00 80 80 80 80 4 6 10 18 3,16 2,50 2,06 1,65 3,88 2,90 2,30 1,85 4,25 3,40 2,80 2,20 4,75 3,90 3,14 2,54 5,3 4,45 3,70 3,16 5,85 5,20 4,50 4,05 6,40 5,90 5,50 5,25 8,00 8,00 8,00 8,00 36 6. Если сопротивление горизонтальной сетки меньше необходи- мого сопротивления искусственного заземления (Rз.г < Rиск), то вер- тикальных заземлителей не требуется. При Rз.г > Rиск необходимы вертикальные заземлители. Их устанав- ливают по периметру сетки (с обязательной установкой в углах сетки) на равном расстоянии (а) друг от друга. Рекомендуемые расстояния между вертикальными заземлителями выбираются по табл. 5.2. Таблица 5.2 lв S 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,05 0,05 а lв 0,5 0,8 1,0 1,0 2,0 3,0 3 4 Число вертикальных заземлителей N равно , LпN а где Lп – длина периметра заземляющей сетки, м; а – расстояние между вертикальными заземлителями, м. Диаметр вертикальных заземлителей определяется по табл. 4.5. 7. Рассчитывают сопротивление заземлителя с вертикальными электродами 3 : ,экв эквR Apз L N lS г в (5.3) где А – коэффициент определяемой по табл. 5.3; экв – эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ом м. Таблица 5.3 lв S 0,03 0,06 0,12 0,24 0,5 А 0,42 0,39 0,36 0,32 0,26 Для двухслойной земли и заземляющей сетки с вертикальными электродами экв определяется по данным таблицы 5.4. 37 Таблица 5.4 Относительное эквивалентное сопротивление земли 2экв п для расчета сопротивления заземляющих сеток с вертикальными электродами 1 2 п п а lв 2 экв п при h t lв 0,025 0,05 0,1 0,2 0,4 0,8 0,95 0,125 0,5 0,95 0,90 0,80 0,70 0,62 0,54 0,52 0,25 0,5 0,97 0,93 0,85 0,78 0,71 0,65 0,64 0,5 0,5 0,99 0,96 0,92 0,88 0,83 0,79 0,77 2,0 1 1,02 1,03 1,05 1,10 1,15 1,30 1,40 2,0 2 1,03 1,07 1,10 1,13 1,15 1,32 1,50 2,0 4 1,05 1,17 1,13 1,15 1,20 1,38 1,60 5,0 1 1,05 1,10 1,15 1,22 1,35 1,36 2,40 5,0 2 1,22 1,26 1,35 1,43 1,54 2,12 2,70 5,0 4 1,33 1,41 1,50 1,65 1,83 2,60 3,50 10,0 1 1,10 1,19 1,28 1,38 1,62 2,50 3,70 10,0 2 1,30 1,40 1,50 1,60 1,80 2,75 5,50 10,0 4 1,52 1,70 1,88 2,08 2,33 3,52 6,00 8. Если расчетное значение Rрз меньше требуемого Rиск, то далее выполняют пункт 3 раздела 5.1. При Rрз > Rиск проводят модификацию заземлителя, увеличивая длину горизонтального заземлителя, либо количество вертикаль- ных электродов или их длину. Расчет повторяют для модифициро- ванного базового заземлителя и так далее до тех пор, пока расчет- ное сопротивление заземлителя Rрз не будет меньше или равно тре- буемому сопротивлению Rиск . Далее выполняют рекомендации пункта 3 раздела 5.1. 9. Напряжение на заземлителе при стекании с него тока замыка- ния на землю будет равно: U I Rз з рз . (5.4) Это расчетное напряжение на заземлителе должно быть меньше допустимого, установленного в разделе 4.3: U Uз зн . (5.5) 38 5.3. Расчет электрических параметров ЗУ в установках с эффективно-заземленной нейтралью, выполняемое по норме на допустимое сопротивление Заземляющее устройство электроустановок с эффективно- заземленной нейтралью, выполняемое по норме на допустимое со- противление в любой сезон года должно иметь сопротивление не более 0,5 Ом т. е. Rзн = 0,5 Ом. Расчет электрических параметров составленного по рекомендациям пункта 1 раздела 5.1 5 базового заземлителя производят в следующей последовательности: 1. Рассчитывают результирующее сопротивление естественных заземлителей, имеющихся на территории ЭУ (Rрез.е). Для этого их значения складывают параллельно. 2. Определяют требуемое сопротивление искусственного зазем- лителя: . , . R Rрез е зн Rиск R Rрез е зн Ом; (5.6) 3. Рассчитывают сопротивление стеканию тока с разработанного базового заземлителя, состоящего только из горизонтальных зазем- лителей 5 : 2 1 10,866 , 2 C п п пRз LS п г Ом; (5.7) где S – площадь заземляющего устройства, м2; 1п, 2п – расчетные сопротивления первого и второго слоев зем- ли, Ом м (см. раздел 2); Lг – суммарная длина горизонтальных электродов базового за- землителя, м; C 2 1 ; h п S h1п – приведенная глубина верхнего слоя земли, м. 4. Если расчетное значение Rз меньше требуемого сопротивле- ния искусственного заземлителя Rиск, то вертикальных электродов не требуется и переходят к выполнению пункта 3 раздела 5.1. 39 5. Если расчетное значение Rз больше Rиск, то горизонтальную сетку требуется дополнить вертикальными заземлителями, уста- навливаемыми по контуру сетки. Длина вертикальных заземлите- лей lв обычно принимается равной 5 м, а расстояние между ними определяется по данным табл. 5.2. Количество вертикальных зазем- лителей: а LпN (5.8) Принимают ближайшее целое четное число заземлителей. 6. Рассчитывают сопротивление стеканию тока с заземлителя, состоящего из горизонтальной сетки и ряда вертикальных электро- дов, установленных по периметру сетки 5 : 2 1 10,433 , 5 2 В п п пRз L N lп г е Ом; (5.9) где В 2 1 ; h п S N lв 1 ,1 2 2 пl l lе п м. l1, l2 – части длины вертикального электрода, расположенные со- ответственно в первом (h1п) и втором слоях земли (рис. 5.1), м. Рисунок 5.1 lв l2 l1 t h1п Поверхность земли Вертикальный заземлитель Горизонтальный заземлитель ρ1п ρ2п 40 7. Если рассчитанное сопротивление Rз меньше требуемого со- противления Rиск , то расчет заканчивают. В случае, когда Rз > Rиск , необходимо модифицировать кон- струкцию заземлителя: – увеличить площадь S, длину горизонтального заземлителя, ли- бо количество вертикальных заземлителей и их длину, либо приме- нить глубинные заземлители. Снова рассчитывают сопротивление заземлителя и так поступают до тех пор, пока Rз не будет равно или меньше требуемого значения т. е. Rз Rиск. 8. Для принимаемой конструкции заземлителя определяют напряжение на нем при однофазном КЗ по выражению (5.4). Рас- считанное значение Uз должно соответствовать требованиям ПУЭ, приводимым в табл. 4.2. Примечание. Для расчета сопротивления заземлителя можно использовать и выражения 5.2 и 5.3. 5.4. Расчет электрических параметров ЗУ в электроустановках с эффективно-заземленной нейтралью, выполняемого по норме на допустимое напряжение прикосновения Проектирование ЗУ по норме на допустимое напряжение при- косновения позволяет уменьшить расход проводникового материа- ла для его сооружения и снизить трудозатраты по сравнению с кон- струкцией ЗУ, выполненного по норме на допустимое сопротивле- ние. 1. Проектирование ЗУ начинается с разработки его базовой кон- струкции. Для этого используется план электроустановки и данные раздела 4. По составленной базовой конструкции (предварительной конфигурации) определяют общую длину горизонтальных провод- ников (Lг), длину периметра горизонтальной сетки (Lп) и площадь сетки (S). Принимается длина вертикальных электродов lв (обычно 5 м), и их диаметр (по табл. 4.5) и по данным таблицы 5.2 выбира- ется расстояние между ними (а). По выражению 5.8 определяется количество вертикальных заземлителей. 41 2. По исходным данным и табл. 4.3 устанавливается нормируе- мая величина напряжения прикосновения (Uпр.доп) для проектируе- мого ЗУ при продолжительности протекания тока по телу человека, равной сумме времени действия основной защиты (tрз.осн) и полного времени отключения выключателя (tотк.в) ,сt t t к рз осн отк в . (5.10) (чаще всего Uпр.доп = 400 В). 3. Допустимое напряжение на заземлителя при этом . , Uпр доп U В з доп n п (5.11) 0,45 а Sф Мn Lв г (5.12) где n – коэффициент напряжения прикосновения: М – функция отношения удельных сопротивлений первого и второго слоев земли 1 2 п п , определяемая по данным табл. 5.5: Таблица 5.5 1 2 п п 0,5 0,6 0,8 0,9 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0 М 0,37 0,40 0,46 0,48 0,5 0,60 0,66 0,72 0,76 0,77 0,8 0,82 п – коэффициент, определяемый по сопротивлению тела чело- века (1000 Ом) и сопротивлению растекания тока от его ступней: 1000 , 1000 1,5 1 п п пз (5.13) пз – удельное сопротивление поверхностного слоя земли (см. табл. 2.2), Ом м; LПаф N – расчетное расстояние между вертикальными элек- тродами, м. 42 4. Зная Uз доп рассчитывают допустимое сопротивление зазем- ляющего устройства: , . U з доп R з доп Iз Ом, (5.14) где Iз – расчетный ток, стекающий с заземлителя при однофазном КЗ (см. раздел 3.1), А. 5. Определяют результирующее сопротивление естественных за- землителей Rрез.е (см.выражение 4.8). 6. Определяют необходимое сопротивление искусственного за- землителя: рез.е з.доп ,иск Rрез.е з.доп R R R R Ом. (5.15) 7. Рассчитывают сопротивление стеканию тока с базового зазем- лителя (Rз), используя выражение 5.9 (либо 5.3). Если полученное значение Rз превышает требуемое значение искусственного заземлителя (Rз Rиск), то необходимо модифици- ровать конструкцию базового заземлителя, увеличивая площадь занятую ЗУ (S) соответственно и длину горизонтального заземлите- ля или число вертикальных заземлителей, или их длину и расчет повторить для модифицированного заземлителя. 8. При Rз Rиск определяют напряжение на заземлителе и напряжение прикосновения и сопоставляют их с допустимыми зна- чениями , . U I R U з з з з доп U I R U пр з з п п пр доп (5.16) где Uз доп – определяют по табл. 4.2. Если окажется, что напряжение прикосновения и напряжение на заземлителе меньше нормированных значений, то целесообразно увеличить расстояние между горизонтальными заземлителями сет- ки (но не более 30 м). При этом Uпр и Uз будут возрастать. Посту- пая так и каждый раз, повторяя расчет, добиваются, чтобы Uпр и Uз достигли нормированного значения, даже если сопротивление за- земляющей сетки превысит допускаемое Rиск. 43 9. Для окончательно принятого варианта конструктивного ис- полнения ЗУ определяют допустимое напряжение прикосновения на рабочем месте (Uпр.рм), принимая продолжительность протека- ния тока по телу человека равной сумме времени действия резерв- ной защиты и полного времени отключения выключателя (табл. 4.3), (чаще всего 65.Uпр рм В). В случае, когда Uпр.рм меньше расчетного значения напряжения прикосновения Uпр необходимо, либо изменить конструкцию за- землителя, либо засыпать территорию рабочих мест слоем гравия, или щебня толщиной 15–20 см. Удельное сопротивление поверх- ностного слоя при этом резко возрастет до 5000–10000 Ом м. Соот- ветственно возрастет сопротивление растеканию тока со ступней человека и коэффициент п уменьшится, что приведет к снижению расчетного напряжения прикосновения (см.выражение 5.16). 44 6. ПРИМЕР ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗУ ДЛЯ ДВУХТРАНСФОРМАТОРНОЙ ПОДСТАНЦИИ 110/10 кВ Задание. Спроектировать ЗУ по норме на допустимое сопротив- ление для двухтрансформаторной подстанции 110/10 кВ для усло- вий Республики Беларусь. Исходные данные. Подстанция питается по двум воздушным линиям 110 кВ с грозозащитными тросами марки ТК-50. Среднее расстояние между опорами – 250 м. Сопротивление заземления опор – 15 Ом. РУ 110 кВ подстанции выполнено открытым, по схеме с отдели- телями в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой. На тер- ритории подстанции установлены силовые трансформаторы и зда- ние ЗРУ–10 кВ. В здании расположено КРУ–10 кВ, щитовое поме- щение и комната для ремонтного персонала. План подстанции при- веден на рис. 6.1. На питающих линиях, в их начале, установлены элегазовые вы- ключатели с временем отключения tотк.в=0,06 с. Ток однофазного замыкания на землю на стороне 110 кВ подстанции ' 12, 3 кАI . Релейная защита выполнена на микропроцессорной элементной базе. Время срабатывания основной защиты tрз.осн=0,12 с, резервной защиты – tрз.рез=2,2 с. Защита оборудования подстанции от прямых ударов молнии осуществляется молниеотводами. Два из них установлены на при- емных порталах и имеют высоту hм=19,35 м, а два отдельно стоя- щие, имеющие высоту 24,3 м, располагаются возле силовых транс- форматоров. На территории подстанции характеристики грунта определены вертикальным зондированием. При средней влажности грунта пе- ред проведением ВЭЗ удельное сопротивление первого слоя зем- ли – 1=120 Ом м при толщине слоя h1=2 м. Удельное сопротивле- ние второго слоя – 2=60 Ом м. От РУ 10 кВ к потребителям отходят 16 кабельных линий. Кабе- ли имеют изоляцию из сшитого полиэтилена. Средняя длина линий 800 м. Емкостный ток замыкания на землю в сети 10 кВ равен 15 А. 45 Рис. 6.1. План двухтрансформаторной ПС 110/10 кВ 46 Решение. 1. В соответствии с 5.1[1] разработаем предварительную конфи- гурацию заземлителя ОРУ 110 кВ и КРУ 10 кВ. Заземлитель ОРУ 110 кВ включает в себя горизонтальную сетку, состоящую из продольных и поперечных заземлителей, проложен- ных в земле и вертикальных заземлителей. Контур сетки охватыва- ет открыто установленное электрооборудование и располагается на расстоянии 1 м от фундаментов оборудования. Поскольку на под- станции выделены ремонтные площадки, то и на этих площадках также располагаем заземляющую сетку. При размещении продольных и поперечных заземлителей руко- водствуемся рекомендациями, изложенными в разделе 4.1. Поскольку удельное сопротивление верхнего слоя грунта равно 120 Ом м, а его коррозионная активность низкая (см. табл. 4.4), то предварительно принимаем, что горизонтальные заземлители будут выполнены из стальных прутков диаметром 12 мм. Глубина их за- ложения t = 0,7 м. Вертикальные заземлители также выполним из стальных прут- ков диаметром 12 мм. Длина вертикальных электродов lв=5м. Чертеж базового заземлителя ОРУ приведен на рис. 6.2. ЗУ ЗРУ 10 кВ выполним по рекомендациям раздела 4.4. В каче- стве контурного заземлителя используем электрически непрерыв- ную арматуру фундаментов здания. Для заземления шкафов КРУ, панелей РЗА и щитов собственных нужд предусматриваем исполь- зование закладных швеллеров помещений. В помещении РУ–10 кВ кабельные каналы располагаются вдоль 4 стен. Предусматриваем заземляющий контур выполнить по обеим сторонам кабельных каналов из стальной полосы 30х4 мм2. К этому контуру присоединяют связи с ЗУ ОРУ 110 кВ и заземляющий кон- тур щитового помещения. Кабельный канал для контрольных кабелей по территории ОРУ экранируем двумя экранирующими заземлителями, проложенными под лотками. Экранирующие заземлители присоединяются к ЗУ ОРУ–110 кВ по концам канала на ОРУ и в месте входа в здание ЗРУ–10 кВ с арматурой фундаментов здания. Чертеж ЗУ здания ЗРУ–10 кВ приведен на рис. 6.3. Рис. 6.2. ЗУ двухтрансформаторной ПС 110/10 кВ 4 7 48 2. Определим необходимые исходные данные для расчета пара- метров ЗУ: а) по рис. 6.2. – общая длина горизонтальных заземлителей Lг=675 м; – длина периметра сетки Lп =172 м; – площадь заземляющей сетки – S=1840 м2; – количество вертикальных заземлителей: 172 17,2 10 LпN а , где 10а м – расстояние между вертикальными заземлителями. Определено по табл. 5.2. при 5 0,116 1840 lв S ; 2 2 5 10м.а lв Примем N =18 Уточним а : 172 9,55 18 LПаф N м. б) Согласно табл. 2.3 глубина слоя сезонных изменений в Рес- публике Беларусь составляет 1,8 м. Так как толщина первого слоя земли по исходным данным равна 2 м, то определим приведенные расчетные сопротивления земли для расчетного сезона (см. раздел 2 формула 2.3): 3120 21 1 3001 1 3 2 3 1 1,81 с К hс п K h K hc c Ом м; 60 Ом м; 2м, 2 2 1 1 h h п п где 3Кс – коэффициент сезонных изменений по табл. 2.3. в) Определим величину сопротивления естественных заземлите- лей. На подстанции естественными заземлителями являются систе- ма «Трос-опора» двух ЛЭП 110 кВ. Их сопротивление по форме 4.6 равно: 49 3 310 15 3 250 10оп т т 1,68ет-о 2ЛЭП R Z l R п Ом, где RОП=15 Ом – среднее сопротивление заземления опор; ZТ = 3 Ом км – сопротивление грозозащитного троса ТК-50 (см. табл. 4.6); lТ=250 м – средняя длина между опорами. Кроме того ЗУ ОРУ–110 кВ подстанции соединено 4-мя связями с ЗУ ЗРУ–10 кВ. Сопротивление ЗУ установок 10 кВ при использо- вании его одновременно для установки собственных нужд подстан- ции напряжением 380/220 В по (4.2) не должно быть больше: 125 125 8,34з10 1510 R Ic Ом, где Ic10=15А – емкостный ток замыкания на землю в сети 10 кВ. Сопротивление заземляющего устройства нейтрали трансформа- тора собственных нужд на стороне 0,4 кВ не должно быть более 4 Ом 1 . Поэтому принимаем, что сопротивление заземляющего устройства ЗРУ–10 кВ должно быть не более 4 Ом. Результирующее сопротивление естественных заземлителей: 1,68 4ет-о з10 1,18рез.е 1,68 4ет-о з10 R R R R R Ом. г) Определим величину расчетного тока, стекающего с заземли- теля при однофазном замыкании на землю в пределах подстанции (см. раздел 3): ' 0,3 0,6 0,6 12,3 7,38зI I Ка. д) Вычислим требуемое сопротивление искусственного заземли- теля ОРУ 110 кВ: 1,18 0,5е зн 0,87иск 1,18 0,5е зн R R R R R Ом, где Rзн=0,5 Ом – нормируемое значение сопротивления ЗУ. 50 3. Рассчитаем сопротивление стеканию тока с разработанного базового заземлителя: 2 110, 433 2 0,01 60 300300 0, 433 0,862 Ом, 42,9 675 18 19,860 в n nnR з L N lS г en где в 2 2 21п 0, 01; 42,9 18 19,8S N lе h 3001 2 0,7 5 1,3 19,8; 1 2 602 п l l l е п l1 и l2 определяются по рис. 5.1. Таким образом расчетное сопротивление Rз меньше требуемого Rиск и базовый заземлитель удовлетворяет требованиям ПУЭ. 4. Проверим горизонтальные заземлители и заземляющие обо- рудование проводники на термическую стойкость. Термически стойкое сечение горизонтального заземлителя (см. раз- дел 4.5): ' tк 12300 0,12 0,06 2 37,3 мм т.г 140 140 I S . Принятые по коррозийной стойкости для выполнения горизон- тальных заземлителей стальные прутки диаметром 12 мм имеют сече- ние 113 мм2, т. е. удовлетворяют условию термической стойкости. Заземляющие оборудование проводники исходя из коррозийной стойкости приняты из полосовой стали 30х4 мм2. Они также удо- влетворяют термической стойкости, поскольку расчетное термиче- ски стойкое сечение: ' tк 12300 0,12 0,06 274,6ммт.з 70 70 I S . 51 Проверим напряжение на ЗУ: Uз=Iз Rз=7,38 0,5=3,69 кВ, что ниже допустимого (Uзн=5,0 кВ). Окончательный чертеж ЗУ ОРУ–110 кВ подстанции приведен на рис. 6.2. 5. Рассчитаем сопротивление ЗУ ЗРУ–10 кВ. Согласно ПУЭ ве- личина сопротивления стеканию тока с заземлителя этого ЗРУ не должна превышать 4 Ом. В качестве контурного заземлителя в ЗРУ–10 кВ используется электрически непрерывная арматура фундаментов здания. Протя- женность этого заземлителя составляет 86,4 м. Площадь ЗУ равна 2 6,6 36,6 242м . Внутри контура заземляющая сетка выполнена из опорных швеллеров, заложенных в бетонный пол. К контурному заземлителю здания присоединены ЗУ ОРУ–110 кВ и через экраны кабелей 10 кВ – ЗУ потребителей, тоже имеющие со- противления стеканию тока не более 4 Ом. Сопротивление ЗУ потре- бителей не учитываем. Рассчитаем сопротивление стеканию тока с контурного заземли- теля здания: 2 110,866 2 0,26 300 300300 0,866 28,9 Ом, 15,5 86,460 С n nnR з LS гn где С 2 2 21п 0,26. 15,56S h Результирующее сопротивление контурного заземлителя, сло- женного параллельно с сопротивлением ЗУ ОРУ–110 кВ равно: з з 110 28,9 0,5 0,49 Ом.з рез 28,9 0,5з з 110 R R R R R Таким образом, сопротивление ЗУ закрытого распределительно- го устройства значительно ниже требуемого значения. Чертеж ЗУ закрытого РУ–10 кВ выполнен на рис. 6.3. 52 Рис. 6.3. ЗУ РУ–10 кВ и щитового помещения ПС 110/10 кВ 53 ЛИТЕРАТУРА 1. Правила устройства электроустановок. – 6-е изд., перераб. и доп. – Минск : Дизайн ПРО, 2007. – 720 с. 2. Методические указания по проектированию заземляющих устройств электрических станций и подстанций напряжением 35–750 кВ. – Минск : стандарт ГПО «Белэнерго», 2007. – 75 с. 3. Маньков, В. Д. Защитное заземление и защитное зануление электроустановок : справочник / В. Д. Маньков, С. Ф. Заграничный. – СПб. : Политехника, 2005. – 400 с. 4. Бургсдорф, В. В. Заземляющие устройства электроустановок / В. В. Бургсдорф, А. И. Якобс. – М. : Энергоатомиздат, 1987. – 400 с. 5. Электрическая часть станций и подстанций : учебник для ву- зов / А. А. Васильев [и др.] ; – 2-е изд. – М. : Энергоатомиздат, 1990. – 576 с. 54 ПРИЛОЖЕНИЕ Расчет напряжения прикосновения для заземляющей сетки без вертикальных заземлителей. Напряжение прикосновения для расположенной в двухслойной земле заземляющей сетки без вертикальных заземлителей опреде- ляется по выражению П1 [3]: , Iз эквU Дпр S (П1) где 0,6 0,88 0,22 ; S в Д lq d t S d – эквивалентный диаметр горизонтальных заземлителей (для полосы с шириной равной диаметру принимается равным 0,5 с), м; t – глубина заложения сетки, м; в – ширина ячейки заземлящей сетки, м; с – ширина полосы, м; экв – эквивалентное удельное сопротивление земли для расчета наибольшего напряжения прикосновения для заземляющей сетки без вертикальных заземлителей определяемое по данным табл. П1. Таблица П1 Относительное эквивалентное сопротивление земли 2экв п для расчета напряжения прикосновения заземляющей сетки, расположенной в двухслойной земле и не имеющей вертикальных заземлителей 1 2 п п Lг S 2 экв п при 1пh t S (h1п – толщина первого слоя) 0,00625 0,0125 0,025 0,05 0,1 0,2 0,4 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,125 0,125 0,125 0,125 4 6 10 18 0,32 0,32 0,32 0,32 0,25 0,26 0,27 0,28 0,18 0,20 0,22 0,24 0,15 0,17 0,20 0,21 0,13 0,15 0,17 0,19 0,13 0,14 0,15 0,16 0,125 0,13 0,135 0,14 0,125 0,125 0,125 0,125 55 Окончание табл. П1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,25 0,25 0,25 0,25 4 6 10 18 0,48 0,48 0,48 0,48 0,39 0,41 0,42 0,43 0,33 0,35 0,37 0,37 0,30 0,32 0,34 0,36 0,26 0,28 0,30 0,33 0,25 0,27 0,28 0,30 0,25 0,25 0,26 0,27 0,25 0,25 0,25 0,25 0,5 0,5 0,5 0,5 4 6 10 18 0,7 0,7 0,7 0,7 0,65 0,64 0,655 0,66 0,58 0,60 0,61 0,63 0,55 0,57 0,58 0,6 0,52 0,54 0,56 0,58 0,51 0,53 0,54 0,55 0,50 0,51 0,52 0,53 0,50 0,50 0,50 0,50 2,0 2,0 2,0 2,0 4 6 10 18 1,60 1,55 1,55 1,55 1,65 1,60 1,60 1,60 1,75 1,70 1,70 1,70 1,85 1,80 1,77 1,77 1,95 1,90 1,85 1,85 2,00 2,00 1,90 1,90 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 4,0 4,0 4,0 4,0 4 6 10 18 2,60 2,50 2,40 2,40 2,90 2,80 2,70 2,60 3,30 3,20 3,10 3,00 3,60 3,40 3,30 3,20 3,85 3,65 3,50 3,40 3,90 3,80 3,70 3,60 4,00 4,00 3,90 3,80 4,00 4,00 4,00 4,00 8,0 8,0 8,0 8,0 4 6 10 18 4,30 4,00 3,80 3,60 5,00 4,70 4,50 4,20 5,80 5,40 5,20 5,00 6,30 6,20 5,80 5,40 7,70 7,30 6,90 6,30 7,30 7,60 7,40 7,00 8,00 7,90 7,80 7,70 8,00 8,00 8,00 8,00 56 57 Учебное издание ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОРУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ Методические указания по курсовому и дипломному проектированию для студентов энергетических специальностей Составитель МАЗУРКЕВИЧ Владимир Николаевич Технический редактор О. В. Песенько Подписано в печать 28.08.2012. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 3,25. Уч.-изд. л. 2,54. Тираж 100. Заказ 403. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Пр. Независимости, 65. 220013, г. Минск. 58 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет Кафедра «Электрические станции» ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ОРУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ И ПОДСТАНЦИЙ Методические указания по курсовому и дипломному проектированию Минск БНТУ 2012