Контур заземления
Электрическая подстанция является важным элементом системы электроснабжения. Безопасность работы подстанции требует правильного проектирования и монтажа системы заземления. Хорошо спроектированная система заземления обеспечит устойчивую работу подстанции в течение всего срока ее эксплуатации.
Каким образом хорошее заземление улучшает надежность подстанции?
Хорошая шина заземления с достаточно низким сопротивлением гарантирует быстрое восстановление в случае возникновения сбоев. Остающаяся в системе в течение долгого времени утечка заряда может вызвать различные проблемы, в том числе и нестабильность работы системы энергоснабжения. Быстрое устранение этой ситуации улучшает общую надежность.
Заземление также гарантирует безопасность персонала.
Замыкание на землю в системе вызывает увеличение потенциала на металлическом корпусе. Его уровень становится выше "истинного" потенциала земли. Неправильное заземление приводит к увеличению потенциала, а также к задержке устранения утечек (из-за недостаточного тока).
Эта комбинация существенно не безопасна, поскольку любой человек, контактирующий с корпусом, подвергается воздействию более высокого потенциала в течение длительного промежутка времени.
Следовательно, надежность подстанции, равно как и ее безопасность, должны быть при хорошем проектировании настолько "встроенными" в конструкцию подстанции, насколько это возможно. В свою очередь, это гарантирует быстрое восстановление в случае сбоев, и снижает рост потенциала корпуса.
Обеспечение правильного заземления
На практике применяются следующие меры, гарантирующие надежную, безопасную, и не создающую проблем систему заземления подстанции:
1. Размеры проводников для предполагаемых утечек
Проводник должен быть достаточного размера, чтобы выдержать без повреждений любую предполагаемую утечку (не расплавиться).
Ошибочное определение времени восстановления в процессе расчетов при проектировании подстанции создает высокий риск расплавления проводников. В выборе размеров проводников следует руководствоваться двумя аспектами: во-первых, это ток повреждения, который должен течь через проводник, и, во-вторых, это время, в течение которого этот ток может протекать через проводник.
Ток повреждения зависит от импеданса петли замыкания на землю. Время протекания тока определяется установленными защитными реле / устройствами отключения, которые будет срабатывать для устранения повреждения.
Стандарт IEEE 80 предполагает использование в конструкциях небольших подстанций периода времени, равного 3.0 секунды. Это время также совпадает со временем реакции на короткое замыкание у большинства распределительных устройств.
2. Использование правильных соединений
Соединения заземления, проверка сопротивления и проверка соединения
Очевидно, что соединения между проводниками и основной сетью, а также между сетью и заземляющими стержнями, являются, с точки зрения поддержания постоянного низкого сопротивления пути к земле, такими же важными, что и сами проводники.
Основными вопросами здесь являются следующие:
1) Тип связи, используемой для соединения проводника с сетью заземления и с заземляющими стержнями.
2) Температурные ограничения, которые способно выдержать соединение.
Наиболее часто используемые заземляющие соединения относятся либо к типу механического сжатия (это - соединения на болтах, запрессовка, и клиновые монтажные зажимы), либо к типу термитной сварки.
Соединения типа сжатия обеспечивают механическую связь между проводником и соединителем посредством стягивания болтами или прессовкой с применением гидравлического или механического давления. Такие соединения либо удерживают проводники на месте, либо сжимают их вместе, обеспечивая контакт между их поверхностями, через оголенные жилы кабелей.
С другой стороны, использование термитной сварки сплавляет концы проводников вместе, образуя молекулярное соединение между всеми жилами кабеля.
Температурные ограничения оговорены для различных типов соединений в стандартах IEEE 80 и IEEE 837, основанных на сопротивлениях, получаемых для каждого типа. Превышение этих температур во время прохождения тока короткого замыкания может привести к повреждению соединения, и вызвать увеличение сопротивления соединения, что приведет к еще большему нагреву.
В конечном счете, соединение откажет, вызвав ухудшение системы заземления, или даже полный отказ заземления, приводящий к разрушительным последствиям.
3. Выбор заземляющих стержней
Заземляющие стержни подстанции
В подстанциях среднего и высокого напряжения, где источник и нагрузка соединяются длинными воздушными линиями, часто происходит так, что ток короткого замыкания на землю не имеет металлического пути для движения, и вынужден двигаться сквозь массу земли. Это означает, что стержни заземления на подстанциях, как со стороны нагрузки, так и со стороны источника, должны передавать этот ток в землю и из нее.
Система стержней заземления должна быть адекватной, обеспечивая проход этого тока, и сопротивление самой земли в системе заземления играет не последнюю роль.
На сопротивление пути к земле виляет количество стержней, их длина и размещение. При однородном состоянии почвы, удвоение длины заземляющих стержней уменьшает сопротивление на 45%. Обычно почва не является однородной, и важно получить точные данные, измеряя сопротивление стержней заземления при помощи соответствующих инструментов.
Для достижения максимальной эффективности, стержни заземления должны быть размещены по отношению друг к другу не ближе, чем на длину стержня. Обычно, это расстояние составляет 10 футов (3 метра). Каждый стержень образует вокруг себя электромагнитную оболочку, и когда они располагаются слишком близко друг к другу, то токи этих оболочек будут влиять друг на друга.
Следует заметить, что при увеличении количества стержней, сопротивление заземления снижается, но не обратно пропорционально числу стержней. Двадцать стержней не дадут 1/20 сопротивления одного стержня, а снизят общее сопротивление только в 10 раз.
Из экономических соображений существует ограничение и в отношении максимального расстояния между стержнями.
Обычно, эта величина равна 6 метрам. При расстоянии, большем 6 метров, затраты на дополнительные проводники, которые нужны для соединения стержней, делают конструкцию экономически не привлекательной.
В ряде случаев, планировка подстанции может не обеспечивать требуемого пространства, и выделение необходимого пространства может повлечь заметный рост затрат. Четыре взаимосвязанных стержня, расположенных на расстоянии 30 метров друг от друга, снизят сопротивление на 94% по сравнению с одним стержнем, но они потребуют, по крайней мере, 120 метра проводника.
С другой стороны, четыре стержня, размещенные на расстоянии 6 метров друг от друга, снизят сопротивление только на 81%, но при этом используют только 24 метра проводника.
4. Подготовка почвы
При проектировании системы заземления подстанции важную роль играет сопротивление почвы. Чем ниже это сопротивление, тем легче получить хорошее сопротивление заземления.
Повышенное внимание должно уделяться областям с высоким сопротивлением почвы, а также областям, где имеют место заморозки на почве (которые, в свою очередь, вызывают увеличение сопротивления почвы на порядок величины). Основной проектирования должно стать самое высокое сопротивление почвы в течение годового климатического цикла. Это связано с тем, что одна и та же почва в течение сухой погоды имеет более высокое сопротивление, так как процент влажности почвы становится очень низким.
Проверка почвы: Потенциал Земли и эффективность сети заземления
Один из подходов к этой проблеме заключается в использовании глубоко погруженных в землю стержней заземления, так чтобы они оказались в контакте с зоной почвы, находящейся достаточно глубоко, и не подвергающейся воздействию климата на поверхности.
Другой подход связан с обработкой почвы вокруг стержней заземления химическим раствором, способным впитывать влагу из атмосферы и почвы.
Одним из возможных решений является использование химических стержней заземления.
5. Внимание к шаговому потенциалу и потенциалу прикосновения
Обеспечение ограничения шагового потенциала и потенциала прикосновения до безопасных величин жизненно важно для персонала подстанций.
Шаговый потенциал - это разность напряжений между точками касания ног человека, и он вызывается изменением напряжения в почве рядом с точкой, где ток утечки входит в почву. Шаговый потенциал наиболее высок вблизи точки входа, и по мере удаления от нее, он ослабевает. На расстоянии 75 сантиметров от точки входа, напряжение обычно снижается уже на 50 %. Поэтому на расстоянии 75 сантиметров от точки входа (что меньше величины нормального шага) может существовать смертельный потенциал величиной в несколько киловольт.
Потенциал прикосновения несет ту же самую угрозу. Разница в том, что здесь имеется в виду потенциал, существующий между рукой и ногами человека. Это происходит, когда стоящий на земле человек касается конструкций подстанции, проводящих ток замыкания в землю. Например, когда изолятор, укрепленный на стойке, выходит из строя, то стойка начинает проводить ток в землю.
Так как наиболее вероятный путь прохождения тока через тело человека идет через его руки и область сердца, а не через нижние конечности, как в случае шагового потенциала, то в этом случае увеличивается опасность травм, или смертельного исхода. По этой причине, безопасный предел для потенциала прикосновения обычно намного ниже, чем для шагового потенциала.
В обеих ситуациях потенциал может, в сущности, быть значительно снижен за счет использования эквипотенциальных матов безопасности из проволочной сетки, размещаемых непосредственно под поверхностью грунта.
Эта сетка должна устанавливаться вблизи от любых выключателей или оборудования, которые может коснуться персонал, и она должна соединяться с основной заземляющей сетью. Такая эквипотенциальная сетка выровняет напряжения вдоль пути, по которому перемещается рабочий, а также между оборудованием и его ногами. Поскольку разность напряжений (потенциал) будет, таким образом, в сущности, устранена, безопасность персонала будет фактически гарантирована.
Эквипотенциальные маты безопасности обычно изготавливаются из провода №6 или №8 по стандарту AWG, изготовленного из меди или плакированного медью. Размеры ячеек сетки устанавливаются, как правило, либо 0.5 на 0.5 метра, либо 0.5 на 1.0 метра. Применяются также и другие размеры ячеек сетки.
Для обеспечения непрерывности сетки все пересечения проводов пропаиваются с использованием припоя, содержащего 35% серебра. Соединения секций сетки, и соединения сетки с основной заземляющей сетью должны быть таковы, чтобы обеспечить постоянное соединение с низким сопротивлением и большой целостностью.