Расчет заземляющего устройства подстанции, заземление опор воздушных линий, требования ПУЭ

Представить себе современную цивилизацию без электричества невозможно. Огромная часть углеводородов используется для генерации именно электроэнергии.

Однако электричество невозможно перевозить, как нефть или уголь. Для его транспортировки используют линии электропередачи (ЛЭП), обеспечивающие трафик электроэнергии большой мощности на необходимые расстояния. Приведение же параметров переданной по ним энергии к стандартам, свойственным ее потребителям, подразумевает использование трансформаторных подстанций, которые обеспечивают необходимое напряжение в сети. Таким образом, осуществляется питание всех электроустановок, начиная от лампочки в комнате и заканчивая промышленным оборудованием.

Для предотвращения травматизма обслуживающего персонала и тем более летальных исходов, учитывая высокий вольтаж, применяются заземляющие устройства воздушных линий и подстанций. Данная публикация ставит перед собой задачу разобраться в причинах их необходимости, а также конструкциях этих приспособлений.

Для чего нужно заземлять ЛЭП и подстанции

По большому счету, воздушная линия (ВЛ) представляет собой ряд столбов (опор), подвергающемуся воздействию природных факторов, таких как перепады температур, атмосферные осадки, прямое воздействие солнечного ультрафиолета и прочих. Ввиду их влияния, могут изменяться свойства диэлектриков и происходить прямое касание токонесущих частей кабеля с опорой. Кроме прочего, нередки кратковременные скачки напряжения в линии со значительным превышением номинального (допустимого) значения, что может приводить к замыканию между кабелем и конструкционными элементами опоры.

При прикосновении к такому столбу человек может получить травму и даже умереть. Поэтому установка заземления на воздушной линии отнюдь не относится к разряду рекомендаций или прихотей органов контроля. Это продиктовано правилами устройства электроустановок (ПУЭ) как основным нормативным документом, регламентирующим требования к энергосистемам, в том числе ВЛ. Согласно этому документу, заземляющие устройства опор воздушных линий обязательны.

Особняком стоит вопрос молниезащиты конструкций. Опоры могут быть выполнены из дерева, железобетона или стали. Для стоящих в чистом поле опор, порой, имеющих весьма значительную высоту, попадание молнии отнюдь не редкое явление. Если для стали или железобетона, имеющих хорошую электропроводность и неспособных к горению, это не принесет серьезных повреждений, то для деревянной конструкции чревато разрушением или воспламенением. Учитывая колоссальное напряжение разряда молнии, возможно разрушение диэлектриков, ограждающих конструкционные элементы от токонесущих частей ВЛ, что, в свою очередь, приводит к аварии.

Все это в равной степени относится и к подстанциям. До сих пор некоторые из них представляют собой большой трансформатор посреди поля, питающий ферму, например. Трансформаторные установки подвержены всем негативным воздействиям, что и ВЛ. Даже если это не так, они должны соответствовать требованиям ПУЭ.

Оборудованная же устройством заземления мачта или подстанция ведет себя иначе. Весь заряд, попавший на опору, стечет на землю, учитывая низкое ее сопротивление и огромную емкость. Это значит, что конструкция не будет находиться под напряжением и будет безопасна для жизни и здоровья людей.

Как нужно заземлить металлические опоры наружного освещения?

У многих возникает вопрос: “Надо ли заземлять металлические опоры освещения?”
Согласно нормам электробезопасности, инструкции по молниезащите и устройству сетей заземления, все стальные опоры, используемые для обустройства систем наружного освещения, нужно заземлить.

ПУЭ п.6.1.45. При выполнении защитного заземления осветительных приборов наружного освещения должно выполняться также подключение железобетонных и металлических опор, а также тросов к заземлителю в сетях с изолированной нейтралью и к РЕ (PEN) проводнику в сетях с заземленной нейтралью.

Принцип действия защитного заземления заключается в том, что в случае нарушения изоляции электрический ток стекает на землю. Таким образом, в зоне растекания распределяются не опасные для человека напряжения, зависящие от удельного сопротивления почвы и расположения заземлителя. В том случае, если уличное освещение устанавливается в сетях с изолированной нейтралью, штыри или крюки фазных проводов на железных опорах, а также арматура и любые металлические конструкции должны быть заземлены при помощи специальных устройств – заземляющего контура, состоящего непосредственно из заземлителей и заземляющих проводников. Фундаменты под опоры не являются заземлителями, т.к. покрыты спецмастикой от корозии, имеющей диэлектрические свойства.

Как заземлить опору освещения?

Заземлители представляют собой специальные элементы, которые устанавливаются в грунте и могут быть в виде стержней – металлических прутков, так и в виде стальных полос (см. чертеж заземления опоры освещения треугольным контуром заземления). Вертикальные стержни забиваются на глубину до 3 метров, при этом их верхняя часть заземлителя должна устанавливаться приблизительно на расстоянии пол метра от основания почвы. На такой же глубине располагаются и горизонтальные проводники заземлителя, которые, чаще всего, применяются на каменистых почвах. При монтаже заземлителей, проводники, используемые для подсоединения контура заземления должны иметь диаметр как минимум 6 мм. Соединяются между собой заземляющие проводники и заземлители монтажной сваркой, а места соединений окрашиваются краской. Если наружное освещение устанавливается в сетях с заземленной нейтралью, штыри и крюки фазных проводов на металлических опорах, а также арматура и любые металлические конструкции должны подсоединяться к нулевому рабочему проводу. Как правило, это выполняется при помощи специального болта приваренного непосредственно к опоре или проушины. Таким образом, заземление металлических опор уличного освещения с кабельным питанием производится: • В сетях с изолированной нейтралью посредством использования металлической оболочки кабеля; • В сетях с заземленной нейтралью через нулевую жилу, которая соединена с оболочкой кабеля. Для контроля заземления опор уличного освещения после проведения всех электромонтажных работ следует провести замер сопротивления заземляющего устройства с помощью специального прибора. Значение сопротивления не должно быть выше 50 Ом. Заземление осветительных опор может выполнять функции молниезащиты

Особенно это важно, когда опора уличного освещения устанавливается вдали от зданий на открытых площадках. В силу конструктивных габаритов, то есть значительного возвышения над землей, осветительные опоры подвергаются большему воздействию различного вида погодных явлений, чем остальные составляющие пейзажа; высота опоры может достигать от 3 до 11 метров, в силу чего одна из первых и принимает на себя электроразряд

Особенно это актуально для мест, особо подверженных попаданию разряда. Ведь в случае попадания молнии в опору без заземления перенапряжение может возникнуть в целом по сети, что может привести к серьезным последствиям.

Например, представим ситуацию: молния всё же ударила в опору освещения (независимо от того есть там молниеприёмник или нет). Куда пойдёт ток молнии? Если связи с землёй нет вообще, то весь импульс молнии уйдёт в электрическую сеть. Вывод: заземлять опоры надо (причём лучше каждую) как минимум для отвода тока молнии; в подстанции откуда питается уличное освещение необходимо предусматривать хорошую защиту от перенапряжения вторичных проявлений молнии.

Основные требования

Согласно требованиям ПУЭ, практически каждая опора должна иметь заземляющее устройство. Оно необходимо для предотвращения перенапряжения атмосферного характера (молния), защиты электрооборудования, размещенного на мачте, а также реализации повторного заземления. Его сопротивление при этом не должно превышать 30 Ом. Причем громоотводы и подобные устройства, должны соединяться с заземлителем отдельным проводником. Кроме прочего, обязательному заземлению подлежат растяжки, устанавливаемые для устойчивости опоры, если они присутствуют в ее конструкции. Все межсоединения, провода снижения и заземлителя, например, предпочтительно выполнять сваркой, а, за неимением возможности, скручиваться болтами. Все части заземляющего устройства должны быть выполнены из стали диаметром не менее 6 мм. Сам проводник и места стыковок должны иметь антикоррозийное покрытие. Обычно это стальная оцинкованная проволока соответствующего диаметра.

Железобетонные столбы

Устройство заземления ВЛ зависит от материала опор. В случае железобетонной конструкции все выступающие сверху и снизу элементы арматуры должны быть присоединены к PEN-проводнику (нулевая шина), который впоследствии играет роль заземления. К нему же следует присоединить крюки, кронштейны и другие металлоконструкции, находящиеся на опоре. Все это в равной степени относится и к металлическим мачтам ВЛ.

Деревянные столбы

С деревянными опорами ВЛ дело обстоит несколько иначе. Ввиду диэлектрических свойств древесины, каждая из мачт не нуждается в отдельном устройстве заземления. Оно устанавливается лишь при наличии на мачте молниеотвода или повторного заземления. Кроме того, металлическая оболочка кабеля соединяется с PEN-шиной линии в местах перехода ВЛ в кабельную линию.

Малоэтажная застройка

Все виды опор должны быть оборудованы устройствами заземления, если речь идет о населенных пунктах с малоэтажной застройкой (1 или 2 этажа).

Расстояние между такими мачтами зависит от среднегодового значения часов, в которые случается гроза. Если эта величина не превышает 40, то промежутки между опорами с громоотводами должны составлять менее 200 м. В противном случае это расстояние сокращается до 100 м. Кроме того, обязательному заземлению подлежат опоры, представляющие ветвление от ВЛ к объектам с потенциально массовым скоплением людей, клубы или дома культуры, например.

Установка заземлителей

Заземление ВЛ осуществляется вертикальными или горизонтальными заземлителями. В первом случае это стальные штыри, закопанные или забитые в землю, а во втором представляют собой полосы металла, расположенные параллельно земле под ее поверхностью. Последний вариант применяют для грунта с высоким удельным сопротивлением. После закапывания контура землю трамбуют для обеспечения лучшего ее контакта с металлом. Затем производится измерение сопротивления у заземления опор ВЛ. Оно является произведением значения, полученного прямым измерением, на коэффициент, зависящий от типа и размера заземлителя, а также климатической зоны (есть специальные таблицы).

Железобетонные конструкции

Для воздушных линий напряжением от 6 до 10 кВ роль спусков заземления играет арматура столбов. При наличии оттяжек можно использовать и их. Прокладываемые спуски делают из проводников сечением от 35 кв. мм или прутка диаметром не менее 10 мм. В ходе эксплуатации необходимо регулярно проверять состояние спуска: его повреждение может привести не только к поражению людей током и частично разрушить саму опору, если изоляция проводки будет нарушена.

При обустройстве заземления ж/б опор необходимо учитывать сопротивление грунтов. Если он не превышает 100 Ом/метр, система, привязанная к столбу, должна показывать не более 30 Ом. В более диэлектрической сухой почве, плохо проводящей ток, — 0,3 Ома. В первом случае допускается использование одного нижнего заземляющего штыревого электрода длиной 200 см, идущего прямо в комплекте с ж/б столбом. Но сопротивление заземлителя еще зависит и от его конструкции, глубины обустройства и взаимного расположения, если элементов несколько. Более точно здесь может сказать профильный специалист.

Особенности подстанций

Все ранее описанное относится и к подстанциям, несмотря на то, что они находятся под крышей. Исключение составляет лишь то, что там довольно часто или постоянно находятся люди, а, следовательно, к их заземлению предъявляются особые требования.

В общем случае заземление подстанции состоит из следующих элементов:

внутренний контур;
внешний контур;
устройство молниезащиты объекта.

Внутренний контур заземления подстанции обеспечивает простое и надежное соединение с землей всех устройств, находящихся внутри подстанции. Для этого по периметру всех помещений объекта на высоте 40 см от пола дюбелями закрепляют стальную полосу. Контуры всех помещений, а также и их составные части соединяются сваркой или резьбовыми соединениями, если таковые предусмотрены. Все металлические части, непредназначенные для прохождения тока (корпуса приборов, ограждения, люки и подобное тому), соединяются с этой шиной. Подобные полосы оснащаются резьбовыми соединениями с шайбами увеличенной ширины и гайками типа «барашек». Это позволяет получить надежное переносное заземление. Нулевая шина силового трансформатора, учитывая схему с глухозаземленной нейтралью, соединяется с полученным контуром.

Из чего состоит заземление

Внешний контур заземления. Располагается за пределами помещений, непосредственно в грунте. Представляет собой пространственную конструкцию из электродов (заземлителей), соединенных между собой неразделимым проводником.
Внутренний контур заземления. Токопроводящая шина, размещенная внутри здания. Охватывает периметр каждого помещения. К этому устройству подсоединяются все электроустановки. Вместо внутреннего контура может быть установлен щиток заземления.
Заземляющие проводники. Соединительные линии, предназначенные для подключения электроустановок непосредственно к заземлителю, или внутреннему контуру заземления.

Рассмотри эти компоненты подробнее.

Внешний, или наружный контур

Монтаж контура заземления зависит от внешних условий. Прежде чем начать расчет, и выполнить проектный чертеж, необходимо знать параметры грунта, в котором будут установлены заземлители. Если вы сами строили дом, эти характеристики известны. В противном случае лучше вызвать геодезистов, для получения заключения по грунту.

Какие бывают грунты, и как они влияют на качество заземления? Примерное удельное сопротивление каждого типа грунта. Чем оно ниже, тем лучше проводимость.

Глина пластичная, торф = 20–30 Ωм·м
Суглинок пластичный, зольные грунты, пепел, классическая садовая земля = 30–40 Ом·м
Чернозем, глинистые сланцы, полутвердая глина = 50–60 Ом·м

Это лучшая среда для того, чтобы установить наружный контур заземления. Сопротивление растекания тока будет достаточно низким даже при малом содержании влаги. А в этих грунтах естественная влажность обычно выше среднего.

Полутвердый суглинок, смесь глины и песка, влажная супесь — 100–150 Ом·м

Сопротивление немного выше, но при нормальной влажности параметры заземления не выйдут за нормативы. Если в регионе установки установится продолжительная сухая погода, необходимо принимать меры к принудительному увлажнению мест установки заземлителей.

Глинистый гравий, супесок, влажный (постоянно) песок = 300–500 Ом·м

Гравий, скала, сухой песок – даже при высокой общей влажности, заземление в такой почве будет неэффективным. Для соблюдения нормативов, придется устанавливать глубинные заземлители.

Многие владельцы объектов, экономя «на спичках», просто не понимают, для чего нужен контур заземления. Его задача при соединении фазы с землей обеспечить максимальную величину тока короткого замыкания. Только в этом случае быстро сработают устройства защитного отключения. Этого невозможно достичь, если сопротивление растекания тока будет высоким.

Определившись с грунтом, вы сможете выбрать тип, и самое главное — размер заземлителей. Предварительный расчет параметров можно выполнить по формуле:

Расчет приведен для вертикально установленных заземлителей.

Расшифровка величин формулы:

R0 — полученное после вычисления сопротивление одного заземлителя (электрода) в омах.
Рэкв — удельное сопротивление грунта, см. информацию выше.
L — общая длина каждого электрода в контуре.
d — диаметр электрода (если сечение круглое).
Т — вычисленное расстояние от центра электрода до поверхности земли.

Задавая известные данные, а также меняя соотношение величин, вы должны добиться значения для одного электрода порядка 30 Ом.

Если установка вертикальных заземлителей невозможна (по причине качества грунта), можно рассчитать величину сопротивления горизонтальных заземлителей.

Поэтому лучше потратить больше времени на забивание вертикальных стержней, чем следить за барометром и влажностью воздуха.

И все же приводим формулу расчета горизонтальных заземлителей.

Соответственно, расшифровка дополнительных величин:

Rв — полученное после вычисления сопротивление одного заземлителя (электрода) в омах.
b — ширина электрода — заземлителя.
ψ — коэффициент, зависящий от погодного сезона. Данные можно взять в таблице:

ɳГ — так называемый коэффициент спроса горизонтально расположенных электродов. Не вдаваясь в подробности, получаем цифры из таблицы на иллюстрации:

Предварительный расчет сопротивления необходим не только для правильного планирования закупок материала: хотя будет обидно, если вам не хватит для завершения работ, пары метров электрода, а до магазина несколько десятков километров. Более-менее аккуратно оформленный план, расчеты и чертежи, пригодятся для решения бюрократических вопросов: при подписании документов о приемке объекта, или составлении ТУ с компанией энергосбыта.

Разумеется, никакой инженер не подпишет бумаги только на основании пусть и красиво исполненных чертежей. Будут произведены замеры сопротивления растекания.

Внешний контур

Внешний контур заземления также является замкнутым. Он представляет собой горизонтальный заземлитель из стальной полосы, связывающий определенное количество вертикальных штырей. Глубина залегания этой конструкции должна быть не менее 70 см от поверхности, причем полоска ставится ребром.

Требуется расположение устройства по периметру здания не превышая расстояния 1 м от его стен или фундаментной плиты. Общее сопротивление контура не может превышать 40 Ом, если удельное сопротивление почвы менее 1 кОм*м в соответствии с ПУЭ.

Если подстанция имеет металлическую крышу, то ее заземляют, соединив с внешним контуром стальной проволокой диаметром 8 мм. Соединение производится с двух сторон объекта, диаметрально противоположных между собой. Требования ПУЭ предписывают защитить эту шину снижения на внешней стене здания от коррозии и механических повреждений.

Расчет заземляющего устройства подстанции выполняется для определения сопротивления распространения тока системы в землю.

Эта величина зависит от характеристик грунта, габаритов и конструкции заземляющего устройства и других факторов. Методика достаточно объемна и требует особого рассмотрения. Но стоит отметить, что чаще всего идут от противного. Имея требуемое сопротивление и определенный сортамент стали, например, определяют габариты заземлителя, количество горизонтальных электродов и глубину залегания в известном типе грунта.

Заземляющие устройства подстанций или ВЛ, равно как и заземление электростанции, играют исключительно важную роль в их эксплуатации. Кроме обеспечения нормальной работы этих объектов, они обеспечивают безопасность здоровья и жизни для людей, их обслуживающих.

Источник

Для чего нужно

Опоры системы наружного освещения

Заземление для сети опор наружного типа освещения или ВЛ (0,4, 6-10, 20 и 35 кв) играет большое значение, поскольку препятствует риску получения электротравмам при соприкосновении с элементами конструкции в ситуации, когда произошло повреждение изоляции кабеля. При наличии заземления на металлической опоре сети наружного типа освещения или ВЛ, напряжение «разливается» по земле, тем самым становясь безопасным для людей. Данный показатель зависит от того, какое сопротивление имеет почва, в которой установлена опора ВЛ (0,4, 6-10, 20 и 35 кв). В результате, даже если где-то и произошло нарушение изоляции ВЛ, конструкции останутся безопасными.

При штатных условиях работы штыревые изоляторы, смонтированные на опорах, будут обеспечивать надежную изоляцию всех проводов от конструкционных элементов. Но бывают ситуации, когда напряжение в сети значительно превышает то напряжение, на которое была рассчитана ВЛ (0,4, 6-10, 20 и 35 кв). В такой ситуации перенапряжения возможен пробой изоляции ВЛ и, как следствие, выход сети из строя. Для того чтобы ограничить значение перенапряжения и повысить безопасность, необходимо понизить сопротивление для «растекания тока». С этой целью и устанавливают на ВЛ (0,4, 6-10, 20 и 35 кв) и подпорах наружного типа освещения защитное заземление.