Понятие о сопротивлении заземляющего устройства опоры BЛ току молнии. Заземляющим устройством называется конструкция из электропроводящих материалов, которая служит для отвода тока в землю. Ее основными конструктивными элементами являются заземлители и заземляющие проводники.
Заземлителем называется проводник (электрод) или совокупность металлических соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей.
Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий заземляемые части с заземлителем. Основная функция, которую выполняет заземляющее устройство опоры BЛ, — отвод в землю тока молнии, т. е. уменьшение возможности (вероятности) обратных перекрытий при ударе молнии в опору и грозозащитный трос.
В отличие от обычных перекрытий, вызванных увлажнением или загрязнением изоляции, ток молнии создает на опоре электрический потенциал, намного больший потенциала фазного провода, и, таким образом, перекрытие происходит в обратном направлении. Чем меньше сопротивление заземляющего устройства, тем меньше возможность обратного перекрытия.
Сопротивлением заземляющего устройства называется отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю.
Сопротивление заземляющего устройства — не единственный параметр, влияющий на вероятность обратных перекрытий. Существенное влияние также оказывают: длина гирлянды изоляторов; высота грозозащитного троса и фазного провода; расстояние между тросом и проводом и др. С увеличением длины гирлянды, например, возрастает электрическая прочность соответствующего воздушного промежутка и тем самым уменьшается вероятность обратного перекрытия. Так должно происходить с увеличением класса напряжения линии. Однако для линий более высокого напряжения увеличивается и высота опор, что приводит к росту числа ударов молнии в опоры и в грозозащитный трос. Возрастает также индуктивность опоры, которая увеличивает вероятность обратных перекрытий. Ток молнии при ударе в опору растекается по грозозащитному тросу. Ток в тросе индуктирует токи в проводе и опоре, что приводит в конечном счете к увеличению напряжения, приложенного к изоляционному промежутку провод - опора.
Таким образом, вероятность обратного перекрытия при ударе молнии в опору — сложная функциональная величина, зависящая от ряда параметров. Если все параметры, кроме сопротивления заземляющего устройства, считать постоянными, т. е. задаться определенным типом опоры, то можно рассчитать кривую вероятности обратных перекрытий. Ниже приводиться исходные данные для расчета вероятности обратных перекрытий при ударе молнии в промежуточную опору типа П220-2Т:
Максимальное рабочее напряжение, кВ 252
50%-ное разрядное напряжение положительной полярности: импульсная прочность воздушного промежутка, соответствующая строительной высоте гирлянды изоляторов, кВ 1248
Высота троса на опоре, м 42
Высота верхнего провода, м 33
Средняя длина пролета, 400
Радиус троса, 0,007
Радиус провода, м 0,012
Расстояние между тросом и верхним проводом по
горизонтали, 3
Расстояние между тросами, м 1
Стрела провеса троса, 13
Стрела провеса провода, м 15
Эквивалентный радиус опоры, м 3,2
По этим данным выполнены расчеты зависимости вероятности обратного перекрытия от значения сопротивления заземляющего устройства. Эта зависимость показана на рис. 1. Из рисунка видно, что до сопротивления R = 300 Ом кривая поднимается довольно круто, затем плавно возрастает до R = 1000 Ом. В дальнейшем вероятность обратных перекрытий медленно приближается к уровню 0,3, не превышая этого значения. Численное значение вероятности 0,3 означает, что примерно из 10 ударов молнии в трех случаях будет наблюдаться обратное перекрытие. Для других типов опор этот предельный уровень может быть другим, важно лишь подчеркнуть: если в силу особенностей грунта (песок, скала) сопротивление заземляющего устройства оказывается достаточно большим, например 5000Ом, то снижение сопротивления до 1000 Ом уже не имеет смысла. Таким образом, вероятность обратных перекрытий и связанное с ней число грозовых отключений зависят от сопротивления заземляющего устройства опоры. Эта зависимость проявляется в большей степени при небольших сопротивлениях заземления опоры: от единиц до сотен Ом.
Заземляющее устройство опоры линии электропередачи представляет собой электрическую цепь с распределенными параметрами: сопротивлением и индуктивностью металла, проводимостью и емкостью грунта. Если на вход такой цепи подать синусоидальное напряжение (или ток) достаточно большой частоты, то на различных расстояниях от источника отношение напряжения к силе тока, т. е. сопротивление в данной точке, будет различным.
Рис. 1. Зависимость вероятности обратных перекрытий от сопротивления заземляющего устройства опоры
Еще более сложный вид зависимости между напряжением и током наблюдается при воздействии на заземлитель импульса тока молнии. Импульс характеризуется двумя параметрами: наибольшим значением (амплитудой) тока и временем нарастания тока (длительностью фронта). При малых амплитудах в грунте не происходит искрообразования. Однако большие токи молнии ведут к электрическому пробою грунта, который в области, прилегающей к заземлителю, приобретает нулевое электрическое сопротивление: заземлитель как бы увеличивается в размерах. Для полного анализа процессов в заземляющем устройстве при воздействии тока молнии необходим учет таких факторов, как длина заземлителя, удельное сопротивление грунта, амплитуда и длительность фронта импульса тока молнии, момент наблюдения.
Все эти факторы учитываются импульсными коэффициентами, которые обозначают аи. Тогда сопротивление заземляющего устройства опоры току молнии RM можно выразить в виде
(1)
где U — напряжение на заземляющем устройстве при электрическом токе низкой частоты; / — сила тока, стекающего с заземлителя.
Сопротивление естественных и искусственных заземлителей. Естественными заземлителями называются находящиеся в соприкосновении с землей электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, используемые для заземления.
Искусственным заземлителем называется заземлитель, специально выполняемый для заземления.
Рис. 2. Железобетонный подножник (с) и его расчетная модель (б)
Стальная арматура фундаментов металлических опор и заглубленной части железобетонных опор во многих случаях достаточно хорошо выполняет функцию отвода в землю токов молний, т. е. играет роль естественного заземлителя. Связано это с тем, что бетон как проводник электрического тока представляет собой пористое тело, состоящее из большого числа тонких каналов, наполненных влагой и создающих, таким образом, путь для электрического тока.
При определенных силе тока и времени его протекания влага испаряется, в бетоне возникают электрические искры и дуги, которые могут разрушить материал и пережечь арматуру, что в конечном счете приводит к снижению механической прочности железобетонной конструкции. В связи с этим стержни арматуры, используемые для заземления, проверяют на термическую стойкость при протекании токов короткого замыкания. Следует также иметь в виду, что в среде с существенной агрессивностью к бетону использование железобетонных фундаментов в качестве заземлителей не всегда возможно.
В сетях с изолированной нейтралью режим длительного замыкания является опасным для железобетонных фундаментов, и сооружение искусственных заземлителей необходимо для разгрузки естественных элементов заземляющего устройства и предохранения их от разрушения стекающим током Ниже приводится установленная в результате исследований допустимая плотность электрического тока для арматуры железобетонных конструкций в зависимости от вида тока и времени воздействия, А/м2:
Длительный постоянный ток 0,06
Длительный переменный ток 10
Кратковременный переменный ток (до 3 с) 10000
Ток молнии 100000
Искусственные заземлители сооружают, как правило, в грунтах с удельным сопротивлением более 500 Ом - м. Это обусловлено тем, что естественные заземлители опор BЛ35 — 330 кВ имеют в таких грунтах сопротивления больше нормируемых. В линиях высших классов напряжения с мощными фундаментами искусственные заземлители не снижают заметно сопротивлений заземляющего устройства. Искусственные заземлители, как правило, выполняются в виде двух-четырех расходящихся от опоры горизонтальных лучей, прокладываемых на глубине 0,5 м, а в пахоте - 1 м. В случае установки опор в скальных грунтах допускается прокладка лучевых заземлителей непосредственно под разборным слоем над скальными породами. При отсутствии этого слоя (толщиной не менее 0,1 м) рекомендуется прокладка заземлителей по поверхности скалы с заливкой их цементным раствором. Для уменьшения коррозионного воздействия со стороны грунта искусственные заземлители должны быть круглого сечения диаметром 12—16 мм.
В качестве примера естественного заземлителя рассмотрим одиночный подножник (рис. 2, с), который можно заменить расчетной моделью, состоящей из горизонтальной плиты и вертикальной стойки (рис. 2,б). Сопротивление стойки RCT и плиты л рассчитывают по формулам:
где р — удельное сопротивление грунта; Я - высота стойки; d и А - поперечные размеры стойки и плиты.
Сопротивление подножника получаем как результат параллельного соединения стойки и платы, т. е.
(3)
где v = 0,8 -5- 0,9 — коэффициент использования, учитывающий взаимное экранирующее действие двух элементов (стойки и плиты), в результате которого сопротивление заземлителя возрастает.
Реальные фундаменты состоят из нескольких подножников (рис. 3). Сопротивление такого сложного заземлителя рассчитывается по формуле
(4)
где р — удельное сопротивление грунта, Ом. м; Н — глубина заложения основания фундамента, м; Л/ — коэффициент формы, устанавливаемый методом электрического моделирования. Для системы из четырех грибовидных подножников зависимость коэффициента формы от геометрических размеров представлена на рис. 4.
Нормы сопротивлений и объемы эксплуатационного контроля заземляющих устройств опор ВЛ. Сопротивления заземляющих устройств опор, имеющих грозозащитный трос или другие устройства грозозащиты, должны быть не более указанных ниже:
| Удельное эквивалентное сопротивление земли р, Ом • м - - . . | до 100 | 100-500 | 500-1000 | 1000 - 5000 | выше 5000 |
Наибольшее сопротивление заземляющего устройства R, Ом | 10 | 15 | 20 | 30 | 6-10-3р |
Опыт эксплуатации ВЛ показывает, что если на линии встречаются заземляющие устройства с измеренными значениями сопротивления ниже
1 Понятие "эквивалентное удельное сопротивление земли" разъясняется при изложении способа измерения удельных сопротивлений грунта.
указанных, то можно у некоторого количества опор (не более 30% общего числа) допустить превышение измеренных значений над нормируемыми. При этом количество обратных перекрытий на данной BЛ не превысит того числа, которое наблюдалось бы при нормируемых значениях сопротивления у всех опор.
Для опор, высота которых превышает 50 м, указанные сопротивления должны быть уменьшены в 2 раза. Для BЛ, защищенных тросами, сопротивления заземляющих устройств нужно обеспечивать при отсоединенном грозозащитном тросе в период наименьшей электропроводности грунта.
Рис. 4. Коэффициент формы kf для расчета сопротивлений фундаментов опор:
- d/H = 0,2, А/Н = 0,8;
d/H = 0,1, А/Н = 0,5
Рис. 3. Расположение естественных заземлителей:
а — башенная промежуточная опора 35-330 кВ; б - П-образная с оттяжками промежуточная опора 330— 750 кВ
Указанные сопротивления заземляющих устройств относятся и к опорам без тросов и других устройств грозозащиты, но с установленными на этих опорах силовыми или измерительными трансформаторами, разъединителями, предохранителями или другими аппаратами для ВЛ напряжением 110 кВ и выше.
Железобетонные и металлические опоры напряжением 110 кВ и выше без тросов и других устройств грозозащиты также заземляются, если это необходимо для обеспечения надежной работы релейной защиты и автоматики. Сопротивления заземляющих устройств таких опор определяются при проектировании ВЛ.
Железобетонные и металлические опоры напряжением 3 — 35 кВ, не имеющие устройств грозозащиты и другого установленного оборудования, должны быть заземлены, причем в ненаселенной местности для ВЛ 3 — 20 кВ допускается сопротивление заземляющего устройства: 30 Ом при р менее 100 Ом - м и 0,3 р — при р более 100 Ом - м.
Заземляющие устройства опор, на которых установлено электрооборудование. должны соответствовать следующим требованиям.
В сетях напряжением менее 1 кВ с глухозаземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть 2, 4, 8 Ом при линейных напряжениях 660,380,220 В трехфазного или 380,220,127 однофазного тока. Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений нулевого провода. При этом сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали генератора или трансформатора или вывода источника однофазного тока, должно быть не более 25, 30, 60 Ом для линейных напряжений 660, 380, 220 В трехфазного или 380,220,127 В однофазного тока.
В сетях напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью заземляемое оборудование, установленное на опоре ВЛ, подсоединяется к замкнутому горизонтальному заземлителю (контуру), проложенному на глубине не менее 0,5 м. Если сопротивление заземляющего устройства выше 10 Ом, то следует дополнительно проложить горизонтальные заземлители на расстоянии 0,8 — 1 м от фундамента опоры. При р > > 500 Ом-м допускается повысить значение сопротивления в 0,002 р раз, но не более чем в 10 раз.
Измерения сопротивлений заземляющих устройств опор ВЛ следует проводить при токе промышленной частоты. На ВЛ напряжением ниже 1кВ измерения производятся на всех опорах с заземлителями грозозащиты и повторными заземлителями нулевого провода. На ВЛ напряжением выше 1 кВ измерения сопротивлений заземляющих устройств производятся на опорах с разрядниками и защитными промежутками и с электрооборудованием, а на опорах ВЛ 110 кВ и выше — с грозозащитными тросами при обнаружении следов перекрытий изоляторов электрической дугой. На остальных железобетонных и металлических опорах измерения производятся выборочно у 2% общего числа опор с заземлителями: в населенной местности, на участках с агрессивными и оползневыми грунтами и в плохопроводящих грунтах.
