Грозозащита и заземление(Стыцюк)

ГЛАВА 1-5 ГРОЗОЗАЩИТА И ЗАЗЕМЛЕНИЕ
Грозозащита
При эксплуатации воздушных линий электропередачи наблюдаются случаи перекрытия
изоляции и отключений линии вследствие атмосферных перенапряжений, возникающих во время
грозовых разрядов. Для защиты линий от этих воздействий были произведены обширные
исследования возникновения и развития грозовых разрядов и разработаны защитные мероприятия.
При разбрызгивании водяных капель в атмосфере более тяжелые капли заряжаются
положительно и выпадают в виде дождя или сосредоточиваются в верхней части облака, а мелкие
капли с отрицательными зарядами скапливаются в нижней части облака. На поверхности земли
под облаком индуктируются положительные заряды. Разряд между облаком и землей начинается с
образования слабосветящегося канала, называемого лидером. Когда лидер достигает земли,
начинается главный разряд, хорошо видимый невооруженным глазом в виде разряда молнии. Токи
молнии чаще всего имеют амплитуду до 50 кА, реже — до 100 кА и лишь в единичных случаях —
более 100 кА.
Особенностью грозовых разрядов является их статистический характер, поэтому техника
грозозащиты исходит из вероятностных законов частоты грозовых разрядов и распределения
амплитуд токов молнии. Интенсивность грозовой деятельности на территории земного шара очень
различна: наиболее часто грозы бывают в тропических странах, где число грозовых дней в году
достигает 200 и более. На территории РФ наибольшее число грозовых дней наблюдается на
Кавказе, в южных районах европейской части страны, на Дальнем Востоке и -в некоторых горных
районах. На Крайнем Севере, в Средней Азии и в большей части Сибири число грозовых дней
мало. В настоящее время интенсивность грозовой деятельности оценивается по более точному
показателю — по числу грозовых часов в год. В ПУЭ приводится карта территории РФ,
показывающая среднее годовое число грозовых часов в отдельных районах.
Таблица 9-11
Глубина заделки nd железобетонных свай и коэффициент отпора грунта β при действии горизонтальных
нагрузок
Наименование грунтов
Сваи со
Сваи с головой,
свободной
заделанной в
головой
ростверке
nd
β
nd
β
Пески и супеси средней плотности, суглинки
3,5d
1,2
5d
1,2
и глины тугопластичные, залегающие выше
уровня грунтовых вод
То же, ниже уровня грунтовых вод
4,0d
0,96
6d
0,96
Пески и супеси пылеватые, рыхлые суглинки
4,5d
0,65
7d
0,65
и глины мягкопластичные или слежавшиеся,
залегающие ниже уровня грунтовых вод
Свая погружена в тугопластичный суглинок. Грунтовых вод нет. Свая одиночная, без
ростверка. Жесткость сваи, армированной напряженной арматурой,
30 4
81  10 4
В = 256000
= 256000
= 179.104 см4.
12
12
По табл. 9-11 находим
nd = 3,5d = 3,5.30 = 105 см; β = 1,2.
При заданном перемещении головы сваи Δ = 1 см
Qp = 1,2
1  179  10 8
179  10 2
=
1,2
= 4640 даН = 4, 64 даН . 103 . см4
3
4  105
4  1,16
Изгибающий момент, действующий на сваю,
Mp = 4,46.1,05 = 4,87 даН.103.м.
Если допустить перемещение А = 1,5 см, то по условиям работы основания расчетная
поперечная нагрузка будет равна
Qp = 4,64.1,5 = 6,96 даН.103; Мp = 4,87.1,5 = 7,3 даН.103.м.
Получаемая по формулам (9-37) и (9-38) нагрузка Qp по несущей способности основания не
должна превосходить расчетных поперечных нагрузок и изгибающих моментов по условиям
прочности сваи.
Надежность работы линий электропередачи во время гроз характеризуется их
грозоупорностью, т. е. удельным числом отключений на 100 км линии и 100 грозовых часов.
Грозоупорность линий различных напряжений и конструкций приведена в табл. 7.
Грозоупорность линии зависит от конструкции опор, их высоты, количества грозозащитных
тросов, номинального напряжения линии. С ростом напряжения линии увеличиваются расстояние
от проводов до опоры, длина гирлянд изоляторов, а следовательно, и электрическая прочность
изоляции. Перекрытия ее при ударах молнии становятся менее вероятными.
Большую опасность для изоляции линий электропередачи имеют разряды атмосферного
электричества (молнии) в опоры и провода линии, а также разряды молнии в землю вблизи трассы
линии. При таких разрядах токи молнии достигают нескольких десятков тысяч ампер и на изоляции линии возникают кратковременные напряжения, во много раз превышающие рабочее
напряжение линии электропередачи.
Для защиты линий электропередачи от повреждений при разрядах молний служат
специальные устройства грозозащиты, к которым относятся грозозащитные тросы, стержневые
молниеотводы, трубчатые разрядники и устройства заземления.
Грозозащитный трос подвешивается на линиях напряжением 110 кВ и выше, сооруженных
на металлических и железобетонных опорах. На линиях 110—220 кВ с деревянными опорами и
линиях 35 кВ трос подвешивается обычно только на подходах к подстанциям.
Подвеска тросов на линиях с деревянными опорами по всей длине оказывается
нецелесообразной, так как древесина опор при грозовых разрядах имеет высокую электрическую
прочность, и общая грозоупорность таких линий оказывается достаточно большой. Подвеска же
тросов на подходах к подстанциям длиной 1,5—2 км обеспечивает защиту оборудования
подстанций от грозовых перенапряжений, приходящих с линии.
Подвеска тросов на линиях 35 кВ и ниже не имеет смысла, так как изоляция этих линий при
грозовых разрядах очень мала, и подвеска тросов не обеспечивает достаточной грозозащиты.
Грозозащитный трос заземляется на каждой опоре. Крепление троса к металлическим и
железобетонным промежуточным опорам линий 35—110 кВ осуществляется без изоляции троса
(рис. 35, а). На линиях 220 кВ и выше на промежуточных и анкерных опорах и на анкерных металлических и железобетонных опорах линий 35—110 кВ трос крепится через изолятор, при этом
он присоединяется к устройству заземления наглухо (рис. 35, б) или через искровой промежуток
(рис. 35, в).
Рис. 35. Крепление грозозащитного троса на опорах: а — на промежуточных
металлических и железобетонных опорах линий 35-НО кВ, б — на анкерных
металлических опорах через изолятор с глухим заземлением, в — на
промежуточных опорах через изолятор с заземлением с помощью искрового
промежутка на линиях 220 — 500 кВ, г-на деревянных опорах; / — провода,
2 — тросы, 3 — перемычка между грозозащитными тросами, 4 — спуски
Крепление троса через изолятор на линиях напряжением 220 кВ и выше выполняют так, что
в каждом анкерном пролете грозозащитный трос глухо заземляют только в одной точке и участки
тросов в смежных анкерных пролетах не соединяют между собой. Поэтому наводимая в тросах в
результате электромагнитной индукции эдс не приводит к прохождению электрического тока и
потери мощности и энергии в линии заметно снижаются.
В случае использования тросов для высокочастотной связи грозозащитный трос по всей
линии должен составлять неразрывную электрическую цепь. Чтобы избежать при этом увеличения
потерь в линии, трос заземляется по концам линии через специальные высокочастотные
устройства присоединения, снимающие электростатический заряд с тросов и препятствующие
протеканию тока промышленной частоты.
Изолированное крепление тросов на линиях любого напряжения применяют при
необходимости организовать плавку гололеда электрическим током. В этих случаях заземление
троса в период между плавками выполняют также только в одной точке каждого анкерного
пролета.
При использовании тросов для высокочастотной связи или при организации плавки
гололеда на тросах количество изоляторов в креплении троса увеличивается в соответствии с
требованиями связи «или плавки гололеда.
На тех опорах, где отсутствует глухое заземление троса, изоляторы для крепления троса
шунтируют искровым промежутком, который зависит от числа изоляторов в креплении троса.
При ударе молнии в трос искровой промежуток пробивается и условия работы
грозозащитного троса оказываются такими же, как и при глухом его заземлении. Наличие
изолятора в креплении троса облегчает также измерение сопротивления заземления опор.
Крепление троса на деревянных опорах и присоединение его к заземляющим спускам показаны на
рис. 35, г. Перемычка между тросами улучшает условия работы заземления при прохождении
через него тока молнии.
На линиях сверхвысокого напряжения иногда применяют расщепленные грозозащитные
проводящие тросы, состоящие из двух проводов, соединенных изолирующими распорками,
которые используются также для организации по ним высокочастотных каналов связи. Такие
тросы крепятся к промежуточным опорам с помощью расщепленных гирлянд изоляторов (рис. 36)
с искровыми промежутками.
Рис. 36. Гирлянда изоляторов для крепления расщепленного
грозозащитного троса на промежуточных опорах
Для того чтобы подвеска тросов была эффективной, необходимо соблюдать
соответствующие расстояния между тросами и проводами линии на опорах и в середине пролета.
Расстояние между тросами и проводами на опорах определяется максимальным защитным углом
тросов на опоре. Защитный угол троса — это угол между вертикальной плоскостью, проходящей
через трос, и наклонной плоскостью, проходящей через трос и находящийся под ним провод.
Защитный угол в зависимости от конструкции линии и количества тросов на опоре не должен
превышать 20—30°. Трубчатые разрядники защищают от грозовых повреждений участки с
пониженным по сравнению с остальной линией уровнем изоляции от волн перенапряжений,
приходящих с линии. Местами с ослабленной изоляцией являются, например, отдельные
металлические опоры на линиях с деревянными опорами без грозозащитных тросов,
транспозиционные опоры, пересечения с другими линиями.
Трубчатый разрядник (рис. 37) состоит из закрытой с одной стороны фибробакелитовой
трубки 4 и 6. Внутри трубки с закрытой стороны расположен металлический стержень 3. На
открытом конце имеется короткая металлическая трубка или набор шайб 2, которые вместе со
стержнем 3 образуют внутренний искровой промежуток разрядника. Крепление разрядника
производится закрытым концом к опоре с помощью специальной лапы 5, которая надежно
заземляется. Металлический стержень 1 является одним из электродов внешнего искрового
промежутка. Вторым электродом служит специальный рог или арматура на проводе.
Рис. 37. Трубчатый фибробакелитовый разрядник
Внешний искровой промежуток служит для изоляции разрядника от элементов линии,
находящихся под напряжением. При возникновении перенапряжений искровые промежутки
перекрываются и разрядник начинает работать.
Корпусом фибробакелитовых разрядников является бакелитовая часть трубки 4, фибра
трубки 6 является газогенерирующей частью. Трубка разрядника может быть изготовлена из
органического стекла или других материалов, выделяющих под действием высокой температуры
большое количество газов. Поверхность трубки фибробакелитовых разрядников покрывают
атмосферостойким лаком для предохранения от увлажнения.
Если в результате грозового разряда напряжение на электродах разрядника превысит
напряжение пробоя его искровых промежутков, произойдет пробой и между электродами
возникает электрическая дуга. Под действием ее внутри разрядника начинается усиленное
выделение газов из стенок трубки, давление их повышается, газы вырываются из открытого конца
трубки (выхлоп газов), что способствует быстрому гашению дуги между электродами внутреннего
промежутка.
Рис. 38. Защитный искровой промежуток
Время работы разрядника — время гашения дуги — зависит от тока, протекающего через
разрядник при его работе, и внутреннего диаметра трубки разрядника. Чем больше ток, тем
больше газов образуется внутри разрядника, выше давление газов в трубке и быстрее происходит
гашение дуги. При малых токах давление газов может оказаться недостаточным для гашения дуги,
что может привести к повреждению разрядника. В то же время при очень большом токе может
произойти выделение большого количества газов и давление внутри разрядника возрастает
настолько, что произойдет разрыв трубки разрядника. Поэтому очень важно правильно выбрать
разрядник для каждого конкретного случая его установки на линии.
Разрядники маркируют буквами РТФ (разрядник трубчатый фибробакелитовый), РТВ
(разрядник трубчатый винипластовый) и РТВУ (разрядник трубчатый винипластовый усиленный).
Кроме того, указывают номинальное напряжение линий, на которых может устанавливаться
разрядник, наибольший и наименьший ток, который может надежно разорвать разрядник.
Например, разрядник РТВ
35
должен применяться для линий напряжением 35 кВ при токах
2  10
короткого замыкания в месте установки разрядника от 2 до 10 кА.
При работе трубчатых разрядников вещество трубки расходуется на выделение газов,
гасящих дугу. С увеличением внутреннего диаметра трубки при выделении одного и того же
количества газов давление их внутри трубки уменьшается, уменьшается скорость выхлопа газов,
следовательно, ухудшаются условия гашения дуги. Увеличение внутреннего диаметра трубки
приводит также к уменьшению толщины ее стенок и снижению прочности. Поэтому у трубчатых
разрядников при их установке и ревизии контролируется внутренний диаметр трубки и в случае
увеличения его сверх максимально допустимой величины разрядник бракуется.
Для выявления при осмотрах линии сработавших разрядников их снабжают специальными
указателями работы разрядника. Эти указатели могут быть однократного или многократного
действия, они выполняются в виде пластин или поворотных дисков, которые крепятся у открытого
конца разрядника.
На работу разрядника большое влияние оказывает сопротивление заземления, поскольку от
него зависит ток, протекающий через разрядник.
Если отсутствуют разрядники, соответствующие току короткого замыкания на какой-либо
линии, вместо них могут использоваться защитные искровые промежутки (рис. 38).
Стержневые молниеотводы на линиях применяются очень редко для защиты отдельных
небольших участков линии, подверженных частому избирательному поражению молний.
ЗАЗЕМЛЕНИЕ
Заземлением какой-либо части электроустановки называется
преднамеренное
электрическое соединение этой части с заземляющим устройством. Защитным заземлением
называется заземление частей электроустановки с целью обеспечения электробезопасности.
Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников.
На линиях электропередачи заземляются опоры и грозозащитные тросы.
На металлических и железобетонных опорах соединение тросов с заземляющими
устройствами опор всегда осуществляется с использованием металла опор, включая траверсы или
арматуру. В последнем случае в типовых унифицированных железобетонных опорах предусмотрены конструкции, обеспечивающие электрическую непрерывность и термическую стойкость
элементов, по которым может протекать ток разряда или короткого замыкания на землю, и
возможность присоединения троса и заземляющих устройств.
Заземляющие устройства. На ВЛ подлежат заземлению: опоры, имеющие грозозащитный
трос или другие устройства грозозащиты; железобетонные или металлические опоры ВЛ
напряжением 3—35 кВ; опоры, на которых установлены силовые или измерительные трансформаторы, разъединители и другие аппараты; металлические и железобетонные опоры ВЛ 110—500
кВ без тросов и других устройств грозозащиты, если это необходимо по условиям обеспечения
надежной работы релейной защиты и автоматики.
Заземления опор служат для уменьшения вероятности обратных перекрытий за счет
напряжения, возникающего при протеканий тока молнии, ударившей в трос или опору, по
сопротивлению заземления. Таким образом, оно имеет чисто грозозащитный характер.
Сопротивления заземляющих устройств ВЛ не должны превосходить расчетные значения
при измерениях на промышленной частоте в период их наибольших значений в летнее время при
отсоединенных тросах, но с использованием всех других естественных заземлителей, в частности
естественной проводимости железобетонных опор и фундаментов при удельном сопротивлении
р= 1000 Ом • м. Измерения могут производиться и в другое время года с соответствующими
пересчетами.
Битумная обмазка железобетонных опор и фундаментов при расчетах их проводимости не
учитывается.
При использовании естественной электрической проводимости комлевой части
железобетонных опор или фундаментов желательно обратную засыпку сверленых или копаных
котлованов производить вынутым или улучшенным грунтом с трамбованием. Заземляющие
устройства для опор ВЛ без грозозащитных тросов нужны потому, что в сетях с изолированной
нейтралью возможна длительная работа с заземленной фазой, причем при перекрытии изоляции
на одной из фаз данной опоры последняя, будучи изолированной от земли, могла бы иметь по
отношению к земле потенциал, близкий к фазному, что опасно для населения, персонала и
животных.
Таким
образом,
они
имеют
характер
заземлений,
обеспечивающих
электробезопасность, и по значению должны быть: не более 30 Ом для ВЛ 3 —30 кВ в
ненаселенной местности в грунтах с удельным сопротивлением до 100 Ом • м, не более 0,3 Ом —
в грунтах с удельным сопротивлением выше 100 Ом • м.
Сопротивления заземляющих устройств этого типа должны обеспечиваться без учета таких
естественных заземлителей, как железобетонные опоры и фундаменты, так как при длительном
стекании с них емкостного тока сети с изолированной нейтралью возможно высыхание
поверхностного слоя бетона и ближайших участков земли и как следствие — самоизоляция опоры
от земли.
Искусственные заземлители выполняются в виде протяженных лучевых, вертикальных и их
комбинаций из круглой стали диаметром 12 —16 мм, а в случаях сильно агрессивных грунтов —
18 —20 мм. Протяженные лучевые заземлители прокладываются параллельно поверхности земли
на глубине 0,5 —1 м (для скальных грунтов допускается их прокладка в разборном слое или по
поверхности с обетонированием, а при прокладке зимой на многолетнемерзлых грунтах — просто
по поверхности).
Число, длина и направление лучей определяются расчетами.
В случаях особо высоких удельных сопротивлений грунта, когда отказ от подвески тросов
невозможен (на подходах ВЛ, ПС и т.п.), заземление опор может выполняться с помощью
противовесов (протяженных лучей заземлителей, прокладываемых вдоль оси линии). Если их
длина равна половине пролета или больше нее противовесы оказываются сплошными (при
необходимости можно проложить два параллельных противовеса при расстоянии друг от друга
8—12 м).
Вертикальные электроды в зависимости от электрических характеристик грунта
принимаются длиной 5—20 м и выполняются методом вдавливания или ввинчивания. Если
удельное сопротивление грунта с глубиной уменьшается, принимаются более длинные электроды.
Для механизации работ по прокладке протяженных лучевых заземлителей следует
использовать специальные монтажные плуги или экскаваторы для рытья траншей (в том числе и
ленточные траншеекопатели), а для погружения вертикальных электродов — вибропогружатели и
сверлильные машины с редукторами.
Соединение элементов заземлителей между собой следует выполнять сваркой по всему
периметру внахлест. При этом длина нахлеста должна быть не менее шести диаметров прутка. Для
защиты заземлителей от почвенной коррозии и удлинения срока их службы помимо увеличения
диаметра стальных прутков рекомендуется выполнять гидроизоляцию спусков к заземлителю на
длине по 10 см в обе стороны от границы раздела слоев с различной воздухопроницаемостью (в
частности, и на границе воздух — земля). Гидроизоляция выполняется путем обмотки заземлителя
хлопчатобумажной лентой, пропитанной горячим битумом. Для протяженных лучевых
заземлителей обратную засыпку целесообразно выполнять однородным грунтом. Сопротивление
заземляющего устройства опор с трубчатыми разрядниками должно быть не более 10 Ом при
удельном сопротивлении земли не выше 1000 Ом • м и не более 150 м при более высоком
удельном сопротивлении.
Конструкция заземлителей зависит в основном от характеристики грунта, в котором они
прокладываются. Основной величиной, определяющей выбор типа и линейные размеры
заземлителя, является удельное сопротивление грунта.
Ниже приведены средние расчетные значения величины удельного сопротивления для
различных грунтов [6-14]:
Удельное
сопротивление
грунтов
Грунты
р, Ом.см.10
Торф, перегной, болотная почва, суглинок и глина влажностью
20—40% (по объему)
Глина, суглинок слабовлажные, пахотная земля, смешанный грунт
(глина, известь, щебень)
Глина и суглинок сухие
Супесь слабовлажная, песок слабовлажный
Гравий и щебень
Каменистые почвы
Скальные породы
0,1—0,2
1,0—2,0
2,0—3,0
2,0—4,0
10,0—20,0
40,0
40,0—450,0
Удельное сопротивление грунта не является величиной постоянной, а зависит от
содержания влаги в почве. Количество содержащейся в почве влаги определяется в основном
количеством выпавших осадков и процессами высушивания почвы. Особенно сильным
колебаниям (влажности подвержены поверхностные слои почвы.
Каждый заземлитель характеризуется величинами сопротивления растеканию импульсного
тока молнии Ri и сопротивления растеканию токов промышленной (или близкой к ней) частоты
R~.Эти величины связаны между собой зависимостью:
Ri= ai R~ ,
где ai — коэффициент импульса заземлителя.
Различие величин Ri и R~ объясняется особенностью импульсного тока молнии,
обладающего большой амплитудой и кратковременностью. Поэтому в случае больших плотностей
стекающего с заземлителя импульсного тока в прилегающих слоях грунта начинается
искрообразова-ние, как бы увеличивающее размеры заземлителя, а величина Ri снижается. Однако
в заземлителях значительной длины (более 20—30 м) при импульсном разряде начинает играть
роль индуктивность заземлителя, увеличивающая Ri.
Величина коэффициента импульса аi зависит от типа и длины заземлителя, величины
импульсного тока и расчетного удельного сопротивления грунта. Так как удельное сопротивление
грунта является величиной переменной, зависящей от влажности грунта, то в связи с этим
меняется и величина сопротивления заземлителя.
Поэтому с точки зрения получения меньших величин сопротивления заземлителей и
большой их стабильности целесообразно более глубокое заложение заземлителей в грунт.
Согласно существующим нормам сопротивления заземляющих устройств линий
электропередачи при токах промышленной частоты в летнее время должны быть не более
значений, приведенных ниже:
Удельное сопротивление грунта, Ом · см
До 10
Более 104 до 5.104
Более 5.104 до 10.104
Более 10.104 до 50.104
Более 50.104
4
До 10
До 15
До 20
До 30
6.10-3р
Такой диапазон регламентируемых величин R~ диктуется вопросами экономичности
сооружения заземляющих устройств: чем больше удельное сопротивление грунта, тем сложнее
снижать величину R~ до требуемых значений и тем сложнее получается заземляющее устройство.
На рис. 6-19 приведены наиболее распространенные конфигурации заземлителей.
В настоящее время для линий 110 кВ и выше, трасса которых проходит в глинистых,
суглинистых, супесчаных и тому подобных грунтах с удельным сопротивлением р<500 Ом.м,
широко используется арматура подземных частей стоек железобетонных опор и железобетонных
фундаментов (рис. 6-19,a).
Усиление собственного контура заземления с помощью дополнительной укладки глубинных
или протяженных заземлителей производится после соответствующих расчетов или замеров.
Исследования поведения железобетонных подножников в песчаных грунтах с р до 1000 Ом.м, а
также конкретные замеры R3 на ряде горных линий дали положительные результаты с точки
зрения проводимости фундаментов даже в таких грунтах. Наличие битумной обмазки
фундаментов согласно последним исследованиям не должно учитываться. Естественная
проводимость фундаментов обеспечивает требуемую нормами величину сопротивления (в
зависимости от типов опор и размеров фундаментов) в грунтах с удельным сопротивлением до 60
Ом.м (для одностоечных железобетонных опор), до 350 Ом.м (для широкобазовых металлических
опор). Таким образом, использование естественной проводимости фундаментов приводит к
значительной экономии в расходе металла и трудозатратах. Для ВЛ 35 кВ с малыми токами
замыкания на землю сопротивления заземляющих устройств должны обеспечиваться только
искусственными заземлителями. В качестве дополнительных искусственных заземлителей
используются вертикальные длиной до 20 м глубинные (рис. 6-19,в), протяженные (рис. 6-19,г) и
контурные заземлители (рис. 6-19,а).
Рис. 6-19. Конфигурация заземлителей. а ~ контурные; б
— подфундаментные; в — глубинные; г — протяженные