Введение
Сектор энергетики, а точнее его часть, касающаяся электрической энергии, включает в себя множество электроустановок, для работы которых требуется заземление. В зависимости от назначения объекта, важно организовать правильное заземляющее устройство. Оно должно выполнять функции защитного заземления, служащего для обеспечения электробезопасности, а также рабочего, необходимого для обеспечения работы электроустановок, в том числе преследующего цель защиты при эксплуатационных повреждениях, например, коротком замыкании, и опасностях, возникающих вследствие удара молнии.
Заземление необходимо не только для работы электрических машин и аппаратов, но и для функционирования устройств автоматики и электроники, которые способствуют управлению и контролю рабочих процессов, защите электроустановок от повреждения при авариях и неисправностях, а также предотвращения самих аварий. В противном случае, если заземление организовано неверно, или вовсе отсутствует, существует риск того, что в результате внештатных ситуаций, электроустановка будет выведена из работы на время, необходимое для обнаружения и устранения их причины. Весь этот отрезок, порой занимающий несколько часов или даже дней, потребители, начиная с жилого дома и заканчивая районом, городом, субъектом федерации, будут находиться без электроэнергии. Следствием перебоев электроснабжения могут быть финансовые потери из-за простоя производства и угрозы, связанные с нарушением работы сферы жизнеобеспечения.
Чтобы избежать отключения электропитания, важно обеспечить безаварийное функционирование объектов производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения и потребления электрической энергии. Это обеспечивается множеством факторов, в том числе организацией качественного, соответствующего нормативным документам, заземления.
Особенности подключения
При проектировании и монтаже любой заземляющей системы основное внимание должно уделяться обеспечению высокой надежности болтовых сочленений и сварных контактов между отдельными её составляющими.
Поскольку такие конструкции рассчитаны на длительную эксплуатацию – необходимо минимизировать возможные механические нагрузки на них, а также обеспечить надёжную защиту металлических поверхностей от коррозии.
При монтаже защитного заземления в условиях домашней разводки, прежде всего, необходимо определиться с устройством подводящих питающих линий.
Дело в том, что в домах старой застройки, построенных до 2003 года, нормативными требованиями не предусматривалось наличие в питающей цепи отдельной заземляющей жилы. В таких домах на стороне потребителя (у распределительного щитка) в подводящей проводке имеется всего лишь 2 провода – «фазный» и «нулевой».
Причём последний представляет собой совмещённую нулевую рабочую (PE) и нулевую защитную (N) жилы и согласно международному стандарту обозначается как PEN.
Для монтажа заземления в таких домах проводник PEN намеренно расщепляется на две составляющие, после чего отдельная жила N используется в качестве шины заземления.
Понятно, что созданная таким образом искусственная конструкция лишь частично соответствует требованиям нормативов, поскольку в многоквартирном доме не удаётся организовать повторное заземление.
В домах современной застройки в подводящей проводке должна иметься ещё одна (третья) жила, предназначенная специально для подключения заземляющего провода электрооборудования и бытовых приборов. При этом общий проводник PEN уже разделён на две отдельные жилы PE и N.
Типы энергетических объектов
1.1 Объекты производства (генерации) электроэнергии
Генерация электроэнергии представлена электростанциями разного типа, среди них: тепловые (ТЭС, КЭС), гидроэлектростанции, атомные электростанции, а также альтернативные источники: солнечные, ветряные, приливные, волновые и геотермальные станции.
Электростанции функционируют в тесной связи с другими объектами — электрическими подстанциями. Они служат для приёма, преобразования и распределения электрической энергия. Выделяют трансформаторные подстанции (ТП), преобразующие электрическую энергию одного класса напряжения в другой, и преобразовательные, служащие для преобразования рода и частоты тока.
На этих объектах, согласно ПУЭ 7 изд., к заземляющему устройству необходимо присоединять: нейтрали генераторов и трансформаторов, аппараты, машины, ограничители перенапряжений (ОПН), заземляющие устройства зданий и сооружений, а также молниеотводы и их заземлители.
Заземление открыто расположенного оборудования — открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций, как правило, выполняется в виде сеток, состоящих из горизонтальных и вертикальных заземлителей, и охватывает всю территорию. В качестве заземляющего устройства закрытых распределительных устройств (ЗРУ) и сооружений электрических станций прежде всего должны быть использованы металлоконструкции под оборудование и части кабельных конструкций, а также контурный заземлитель, который может прокладываться как внутри здания, так и снаружи на расстоянии 1 м от стен. Кроме того, в качестве контурного заземлителя следует использовать арматуру фундамента.
Конфигурация заземляющего устройства определяется расположением оборудования, нормой сопротивления, необходимостью обеспечения выравнивания и уравнивания потенциалов, требованиями электромагнитной совместимости.
Для всех объектов энергетики необходимо правильно выполнить мероприятия по устройству молниезащиты, которая в совокупности с заземлением составляет одну систему. Так, на территории электрических подстанций устанавливаются стержневые (в том числе прожекторные мачты, радиомачты и опоры воздушной линии) и тросовые молниеприемники, охватывающие зоной защиты машины, аппараты и токоведущие части. Высота молниеприемников выбирается исходя из требуемой надежности защиты, которой определяется вероятность удара молнии в молниеприемник, а не в какой-либо другой объект. Ток молнии, стекая с молниеприёмника, затем в нескольких направлениях растекается в грунте с заземлителей. Защита оборудования ОРУ, в том числе трансформаторов, выполняется с помощью защитных аппаратов — ограничителей перенапряжения, которые защищают от набегающих импульсов тока и также должны присоединяться к заземлителю.
Правильно рассчитанное и организованное заземляющее устройство с соблюдением требований к молниезащите необходимо, чтобы избежать повреждения оборудования и обеспечить значения показателей электромагнитной совместимости ниже требуемых величин.
1.2 Объекты передачи электроэнергии
При передаче электроэнергии по воздушным линям (ВЛ) выполняется заземление опор.
В случае обрыва провода, схлестывания проводов, возникают различные типы замыканий, в том числе короткие замыкания и замыкания, возникшие в результате удара молнии, когда дуговой разряд приводит к перекрытию воздушной изоляции или изоляции линейной арматуры, а также к пробою изоляторов. При этом опора оказывается под значительным потенциалом, что приводит к опасным значениям шагового напряжения. Заземление позволяет снизить значение шагового напряжения и обеспечить электробезопасноть людей.
Заземление также требуется для работы релейной защиты и автоматики (АПВ, дифференциальная защита, дистанционная защита). Работа этих устройств заключается в обнаружении типа и места повреждения и отключении линии, а также ее повторном включении, когда повреждение носило временный характер и самоустранилось.
Молниезащита воздушных линий обеспечивается грозозащитным тросом, служащим для приема удара молнии. При ударе в опору или трос, ток молнии потечет в землю через конструкцию опоры, а затем в заземляющее устройство. Выполнение ЗУ в соответствии с нормами позволит отвести импульсный ток в землю и обеспечить его растекание.
Аппараты молниезащиты — ОПН, разрядники, искровые промежутки — позволяют ограничить наведенные перенапряжения, возникшие вследствие удара молнии, а также при перекрытии с троса на провода и, что маловероятно, но полностью не исключено, прямого удара в провод. Данные устройства подвешиваются на провода и соединяются с заземленной конструкцией опоры и также требуют качественно организованное заземление.
Заземление деревянных опор с металлическими траверсами без грозозащитных тросов и аппаратов молниезащиты не производится.
Конструкция опор ВЛ и грозозащитных тросов практически гарантирует защиту проводов от прямого удара молнии, а правильное заземление снижает риск от перекрытий изоляции с грозозащитного троса и обратных перекрытий с элементов опоры, т.к. снижается напряжение, приложенное к изоляции.
Надлежащим образом спроектированная линия передачи электроэнергии, в том числе в части устройств молниезащиты, релейной защиты и автоматики и их координированной работы, позволяет снизить количество повреждений и аварий, а тем самым значительно сократить число отключений.
Правила работы с переносными видами
Перечисленные схемные решения относятся к разряду стационарных заземлений, привязанных к конкретному месту. Однако в ряде случаев (для проведения ремонтных работ на отключённых сетях, например) может потребоваться монтаж временных или переносных приспособлений, в основу работы с которыми заложен принцип наложения заземления.
Переносные конструкции изготавливаются в виде оголённой медной жилы, имеющей на одном из своих концов забиваемый в землю металлический штырь, а с другой – специальную медную струбцину, служащую для подсоединения к заземляемой шине.
Некоторые модели переносных или временных устройств защиты вместо штыря имеют ещё одну струбцину, обеспечивающую надёжный контакт с заземляющей конструкцией (заземлителем).
Потребность в переносном заземлении этого класса объясняется необходимостью предупредить появление на обслуживаемом участке питающей цепи опасного напряжения, включённого по ошибке или случайно.
Правила монтажа этих накладных конструкций строго регламентированы действующими руководствами по обустройству заземлений. Ниже приведён перечень основных моментов, на которые следует обратить внимание в процессе работы с ними:
прежде всего, следует убедиться в отсутствии на обслуживаемой шине опасного напряжения, используя для этих целей специальный указатель;- для обеспечения защиты линии сначала к ней подсоединяются струбцины со стороны заземляющего устройства и лишь после этого переходят к фиксации их на защищаемой шине;
- струбцина заземления подключается к оголённой шине обесточенной токоведущей цепи с той её стороны, откуда более всего вероятна ошибочная подача напряжения (обычно – со стороны распределительного щита).
Снятие или разборка конструкции временного заземления осуществляется в обратной последовательности.
Требования к заземлению
2.1 Требования к заземлению объектов генерации и преобразования электроэнергии
Требования к заземлению объектов энергетики содержатся в ПУЭ 7 изд. Для объектов генерации, преобразования и распределения электроэнергии они указаны в пункте 1.7, который также содержит нормы сопротивления, приводимые ниже в этой главе.
Заземление подстанций и электрических станций выполняется исходя из требований к сопротивлению заземляющего устройства, либо по значению напряжения прикосновения, которому может быть подвержен персонал, находящийся на рабочих местах и остальной территории объекта.
Заземляющее устройство, выполняемое исходя из требований к сопротивлению, зависит от класса напряжения и типа нейтрали источника питания — генератора и трансформатора.
Электроустановки с глухозаземленной нейтралью класса напряжения более 1000 В требуют заземляющее устройство, к которому присоединяются нейтрали генератора или трансформатора, имеющее сопротивление до 0,5 Ом, а до 1000 В — сопротивление не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока.
В электроустановках более 1000 В заземляющее устройство может быть выполнено исходя из требований к напряжению прикосновения, значение которого не должно превышать указанного в ГОСТ 12.1.038, а время воздействия указанного в п.1.7.91. ПУЭ 7 изд. Такой подход к проектированию выбирают, когда требование к сопротивлению не может быть выполнено, например из-за высокого удельного сопротивления грунта.
Конструктивное исполнение заземляющих устройств подстанций в общих чертах было описано в пункте 2.1. данной статьи. Оно должно определяться главой 1.7. и пунктами 4.2.133-4.2.159 ПУЭ 7 изд., а если объект в ведомстве ПАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007- 29.130.15.114-2012 РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПОДСТАНЦИЙ НАПРЯЖЕНИЕМ 6-750 кВ. Данные нормативные документы содержат также требования для системы молниезащиты и её заземляющего устройства. Следует отметить, что необходимо опираться на требования РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003 — документов, являющихся основными при проектировании молниезащиты.
При распределении электроэнергии потребителям, производится повторное заземление PEN-проводника. Выполняется оно с помощью заземлителей, которые устанавливаются на концах воздушных линий напряжением до 1000 В, на ответвлениях от них длиной более 200 м, а также на вводах в электроустановки. В этом случае нормируется общее сопротивление растеканию заземлителей всех повторных заземлений PEN-проводника, которое не должно быть более 10 Ом, а сопротивление каждого из повторных не должно превышать 30 Ом. Нормы сопротивления указаны для линейного напряжения 380 В источника трехфазного тока и 220 В источника однофазного тока, для других значений напряжения их можно посмотреть в пункте 1.7.103. ПУЭ 7 изд.
Электроустановки с изолированной нейтралью требуют выполнения указаний пунктов 1.7.96, 1.7.97 и 1.7.104 ПУЭ 7 изд. Сопротивление заземляющего устройства должно соответствовать значению, полученному из соотношения R=Uпр/I (Uпр=250 В в случае электроустановки классом напряжения более 1000 В; Uпр=50 В в случае напряжения до 1000 В). Как правило, добиваться значения сопротивления менее 4 Ом не требуется.
В случае размещения заземляющего устройства в грунтах с высоким удельным сопротивлением, допускается поднять норму его сопротивления до десяти раз. Пункты 1.7.101 и 1.7.103 ПУЭ 7 изд. разрешают увеличить нормируемое значение при кратном превышении показателя удельного сопротивления 100 Ом*м в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ, а пункт 1.7.108 — при превышении 500 Ом*м в электроустановках, имеющих напряжение выше 1 кВ, а также до 1 кВ с изолированной нейтралью.
2.2 Требования к заземлению объектов передачи электроэнергии
Для объектов передачи электроэнергии при выполнении заземления необходимо руководствоваться пунктом 2.5.129 ПУЭ 7 изд.
Заземляются опоры воздушных линий, защита которых производится с помощью грозозащитного троса и других устройств молниезащиты; железобетонные и металлические опоры линий 3-35 кВ; опоры на которых установлены трансформаторы, разъединители, предохранители и другие аппараты. Заземляются также металлические и железобетонные опоры воздушных линий напряжением 110 — 500 кВ без тросов и средств молниезащиты, если это требуется для работы релейной защиты и автоматики.
Сопротивление заземление опор ВЛ зависит от указанных выше факторов, а также от класса напряжения, высоты опор, количества цепей, удельного сопротивления грунта и расположения в населенной, либо не населенной местности. В обобщенном виде оно приводится в таблице в таблице 2.5.19 ПУЭ 7 изд.
Так для опор воздушных линий 110 кВ высотой до 50 м, установленных в грунте с удельным сопротивлением 100 Ом*м, сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 10 Ом, а в грунте от 1000 до 5000 Ом*м не более 30 Ом.
Сопротивление заземления железобетонных и металлических опор ВЛ 3 — 20 кВ, проходящих в населенной местности и всех воздушных линий 35 кВ не должны превышать значений, указанных в таблице 2.5.19. При этом, для ВЛ 3 — 20 кВ в ненаселенной местности значение сопротивления заземляющего устройства зависит от удельного сопротивления грунта — при показателе до 100 Ом*м должно быть не более 30 Ом, выше 100 Ом*м — не более 0,3*ρ Ом.
Молниезащита ВЛ 110-750 кВ обязательно должна выполняться тросами по всей длине линии в соответствии с ПУЭ 7 изд. пункт 2.5.116, а в дополнение используются аппараты защиты: ОПН, разрядники и искровые промежутки.
Заземление кабельной линии (КЛ) выполняется по ее концам и должно соответствовать предписаниям главы 1.7 и пунктам 2.3.71-2.3.75 ПУЭ 7 изд. Заземлению подлежат броня, оболочка, кабельные муфты и металлические конструкции, по которым проложены кабели.
Заземляющее устройство
Система заземления представляет собой совокупность заземляющего контура и проводников, позволяющих безопасно отвести ток в грунт. Существует два типа заземлителей — естественные и искусственные. Естественные заземлители представляют собой металлические конструкции, основное предназначение которых не связано с обеспечением электробезопасности. Согласно ПУЭ, к естественным заземлителям относятся:
- Каркасы сооружений (из железобетона или чистого металла), имеющие контакт с почвой.
- Водопроводные трубы, находящиеся под землей. Запрещено использовать для заземления нефте- и газопроводы, а также любые другие трубопроводы, предназначенные для транспортировки горючих веществ.
- Опоры ЛЭП.
- Нетоковедущие железнодорожные пути (только при условии наличия сварных соединений между рельсами).
Искусственный заземлитель — это конструкция, сооруженная специально для защиты от тока. В качестве искусственных заземляющих устройств используют:
- неокрашенные металлические пруты (минимальный диаметр — 10 миллиметров);
- стальной уголок (толщиной от 4 миллиметров);
- листы стали (толщина — от 4 миллиметров и сечение в разрезе — свыше 48 квадратных миллиметров).
Для сооружения искусственных заземлительных систем пруты закапывают или вбивают в почву. Длина электрода не должна быть меньше 2,5 метров. После установки проводников в землю, их сваривают между собой. Надземная часть заземлительного контура должна находиться на определенном расстоянии от земли (не менее 50 сантиметров).
Обратите внимание! Согласно требованиям Правил устройства электроустановок, контур должен иметь, по крайней мере, два соединения с проводниками.
По предназначению оборудование принято делить на две разновидности — защитную и рабочую. Защитные заземлительные устройства обеспечивают безопасность жильцов или персонала и предотвращают риск поражения тока из-за случайного касания корпуса электрической установки.
Защитное заземление обустраивается для:
- всего электрооборудования и машин, не установленных на глухозаземленных опорах;
- электрических шкафов, металлических коробов распредщитов;
- трубопроводов с силовыми кабелями;
- оплеток силовых кабелей.
Рабочие заземлительные устройства применяют в случаях, когда, несмотря на повреждение изоляционного слоя и последовавшего за этим пробоя на корпус, необходима бесперебойная работа оборудования. К примеру, рабочим заземлением оснащают нули трансформаторов и электрогенераторов. Также рабочим считается заземление молниеотводов.
Обратите внимание! По нормативам ПУЭ заземление электрических сетей с номиналом напряжения 42 вольта (при переменном токе) или 110 вольт (при постоянном токе) осуществляется в обязательном порядке.
