Заземление и молниезащита объектов энергетики

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.

1. 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.

2. 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.

3. Примеры решений

Технический центр ZANDZ осуществляет расчёт и проектирование заземления и молниезащиты для различных объектов. Некоторые примеры, относящиеся к теме энергетики:

4. Заключение

Целью этой статьи было рассказать назначение заземления на объектах энергетики и сделать обзор информации, которая определяет его конструктивное исполнение и значение нормируемых параметров. Необходимо соблюдать множество требований для объектов разных типов, а описать их все в рамках одной статьи не представляется возможным, поэтому были указаны ссылки на нормативные документы, которые позволят определить как основные моменты, так и более глубокие вопросы построения заземления и молниезащиты. Но не обязательно разбираться самому, можно доверить работу профессионалам!

Технический центр ZANDZ имеет опыт проектирования многочисленных объектов электроэнергетики не только в части заземления и молниезащиты, но и в рамках полноценного проекта.

Требуется консультация по организации заземления и молниезащиты для вашего объекта? Обратитесь в Технический центр ZANDZ.com!