Проектирование систем заземления подстанций: полное руководство

Проектирование системы заземления / заземления в контуре подстанции

Введение в контур заземления подстанции

В высоковольтных и средневольтных^[1] воздушно-изолированных подстанциях (ВИП) электромагнитное поле, причины которого — статические заряды голых кабелей и проводов и атмосферные условия (перенапряжения), индуцируют напряжения на непод напряжению частях установки, создающие разности потенциалов металлических частей и земли, а также между разными точками земли.

Подобные ситуации могут возникать при коротких замыканиях между под напряжением частями установки и не под напряжением частями, например при однофазном коротком замыкании.

Эти разности потенциалов порождают потенциал шага и потенциал прикосновения, или их комбинацию, которые могут привести к прохождению электрического тока через тело человека, что может создать опасность для людей.

Напряжение прикосновения (E_t) можно определить как максимальную разность потенциалов, существующую между заземленной металлической конструкцией, к которой можно дотянуться рукой, и любой точкой земли при протекании тока короткого замыкания.

Обычно считается расстояние 1 м между металлической конструкцией и точкой на земле.

Напряжение шага (E_s) определяется как максимальная разность потенциалов, существующая между ногами при протекании тока короткого замыкания.

Обычно считается расстояние 1 м между ногами.

Особым случаем напряжения шага является Перенесенное напряжение (E_trrd): когда напряжение переносится внутрь или наружу подстанции от или к удаленной точке, внешней по отношению к территории подстанции.

• Связанная статья: Монтаж заземления и заземления | Полное руководство

Другие понятия:

• Потенциал земли (GPR): Максимальный электрический потенциал, который может достичь контур заземления подстанции относительно удаленной заземленной точки, предполагаемой имеющей потенциал удаленной земли. Это напряжение, GPR, равно произведению максимального тока контура на сопротивление контура.
• Напряжение на ячейке (E_m): Максимальное напряжение прикосновения внутри ячейки заземляющего контура.
• Металл-металл напряжение прикосновения (E_mm): Разность потенциалов между металлическими объектами или конструкциями на территории подстанции, которые могут быть замкнуты прямым контактом рука-рука или рука-нога.

Схема на рисунке 1 показывает описанные выше явления.

Рисунок 1 – Напряжения прикосновения, шага и перенесенные

Чтобы минимизировать до допустимых значений токи через тело человека, обеспечить электробезопасность для людей, работающих внутри или рядом с установкой, а также ограничить любые возможные электрические помехи на чужое оборудование, ВИП должны быть оснащены системой заземления (или заземления), к которой все металлические не под напряжением части установки должны быть подключены, такие как металлические конструкции, заземляющие ножи, разрядники, корпуса щитов и двигателей, рельсы трансформаторов и металлические ограждения.

Поскольку заземление влияет на уровни перенапряжений системы питания и токи короткого замыкания, и определение систем защиты, система заземления должна быть спроектирована так, чтобы обеспечивать правильную работу защитных устройств, таких как защитные реле и разрядники.

Проектирование и строительство системы заземления должны гарантировать, что система работает в течение ожидаемого срока службы установки, и поэтому должны учитывать будущие расширения и максимальный ток короткого замыкания для конечной конфигурации.

Система заземления состоит из сетки заложенного голого медного кабеля, с дополнительными заземляющими стержнями, и должна быть рассчитана, рекомендуется использовать IEEE Std. 80-2000.

• Связанная статья: Разница между заземлением, заземлением и соединением

Важные формулы для проектирования системы заземления контура подстанции

Поперечное сечение заложенного кабеля должно рассчитываться в соответствии со значением тока однофазного короткого замыкания на землю, но обычно для этой цели используется трехфазный ток короткого замыкания.

Для этого расчета должна использоваться следующая формула:Где:

• I”_K1 — ток однофазного короткого замыкания на землю [А]
• t_s — длительность короткого замыкания [с]
• Δθ — максимально допустимый температурный подъем [°C] — для голой меди Δθ = 150 °C

Согласно упомянутому стандарту IEEE максимально допустимые потенциалы шага и прикосновения и максимально допустимый ток через тело человека (I_hb) и сопротивление заземляющего контура (R_g) рассчитываются по формулам:

Максимально допустимый потенциал шага

Максимально допустимый потенциал прикосновения

Максимально допустимый ток через тело человека

Сопротивление заземляющего контура

Где:

• C_s — коэффициент снижения поверхностного слоя, рассчитываемый по формуле:
• t_s — длительность короткого замыкания [с]
• ρ_s — удельное сопротивление материала поверхностного слоя [Ом·м] — типичное значение для мокрого щебня/гравия: 2500 Ом·м
• ρ — удельное сопротивление грунта под поверхностным слоем [Ом·м]
• h_s — толщина поверхностного слоя [м]
• A — площадь, занимаемая заземляющим контуром [м²]
• l_T — общая заложенная длина проводника, включая заземляющие стержни [м]

Если защитный поверхностный слой не используется, то C_s =1 и ρ_s = ρ

Эти расчеты обычно выполняются с использованием специализированного программного обеспечения.

Заземляющий контур подстанции

Рисунок 2 показывает пример заземляющего контура.

Рисунок 2 – Заземляющий контур

Наиболее подходящие методы соединения заземляющего контура:

а.) Экзотермическая сварка

Рисунок 3 – Экзотермическая сварка

Экзотермическая сварка — это процесс постоянного соединения проводников, использующий расплавленный металл и формы, основанный на химической реакции между оксидами металлов (проводник) и подожженным алюминиевым порошком, который служит топливом, с выделением тепловой энергии. Эта химическая реакция представляет собой пиротехнический состав, известный как термит.

Необходимо обеспечить, чтобы количество экзотермических сварок, выполненных с каждой формой, не превышало указаний производителя.

• Также читайте: В чем разница между нулем, заземлением и землей?

б.) C-образный соединитель:

с использованием гидравлического прессового инструмента и матриц с размером, подходящим для размера соединителей.

Рисунок 4 – C-образный соединитель и прессовый инструмент

Рядом с коробками управления автоматических выключателей, коммутаторов и разъединителей должна быть установлена металлическая экипотенциальная ковриков, подключенная к системе заземления, аналогичную показанной на рисунке 5.

Рисунок 5 – Металлическая экипотенциальная коврик

Полезно знать:

[1] При U_n — номинальном напряжении сети: ВН – U_n ≥ 60 кВ; СН – 1 кВ < U_n ≤ 49,5 кВ.

Об авторе: Мануэль Болотинья

- Лиценциат по электротехнике — Энергетика и системы энергоснабжения (1974 — Instituto Superior Técnico/Университет Лиссабона)
— Магистр по электротехнике и компьютерной инженерии (2017 — Faculdade de Ciências e Tecnologia/Новый университет Лиссабона)
— Старший консультант по подстанциям и системам энергоснабжения; профессиональный инструктор